磁致伸缩直线位移传感器弹性波机理研究

论文摘要

磁致伸缩直线位移传感器是一种利用磁致伸缩效应及逆磁致伸缩效应实现位移测量的传感器。国内外该种传感器的研究大多集中于材料制备、基础材料理论、系统集成等方面,而对磁致伸缩直线位移传感器的基础理论研究尚处于起步阶段。本研究通过对电磁学、力学、磁固体力学、信号学、计算机仿真、数值分析、计算机控制等多学科相关知识进行综合应用,研究传感器中弹性波的产生机理；在非线性耦合理论框架下,利用有限元分析手段,解决多场耦合作用下的非线性问题；通过数值分析手段,结合实验研究,获得磁致伸缩线材上的磁场分布特性,建立激励源分布场与弹性波信号波形之间的关系。针对影响传感器性能的易磁化方向、固支波、磁致伸缩材料结构等问题进行理论研究和实验验证。研究对于提高传感器性能指标具有积极的意义。论文第一章介绍磁致伸缩直线位移传感器的研究背景,对比了国内外研究现状和研究热点,论述了本课题的研究内容和研究意义。论文第二章介绍与磁致伸缩直线位移传感器相关的基础理论知识和基本概念,对磁致伸缩直线位移传感器弹性波机理研究的问题进行了闸述,构建了弹性波相关理论模型,建立了激励磁场分布特性与磁致伸缩分布特性、应力场分布特性之间的关系。论文第三章对磁致伸缩直线位移传感器的关键部件,以及影响传感器的相关技术参量进行实验测试和相关理论的讨论。研究对激励源激励方式进行理论分析和实验测试；并通过计算机仿真及数值计算方法,获得线材内部的磁场分布数据；对检测系统的振荡现象进行分析讨论,对所采集信号进行了频谱分析,给出所采集信号的信号特征；对本文所使用线材的弹性波波速进行实验研究和数据测定。论文第四章构建了磁致伸缩直线位移传感器系统实验及评估平台,采用了实验研究确定的相关参数,将仿真计算所得的磁致伸缩线材内部的分布磁场数据,应用于所构建的激励源相关模型,对激励源分布参数进行计算和分析,建立力学、磁学分布特性与弹性波波形特性之间的对应关系,以验证传感器系统模型的合理性。并对影响传感器系统性能的易磁化方向、固支波及磁致伸缩线材结构等因素进行分析、讨论和评估。论文第五章对磁致伸缩直线位移传感器的现阶段研究进行了总结,概括了本课题阶段性研究成果,讨论了现有研究中存在的问题和进一步研究的方案和课题。论文提出的激励源合成模型和磁极化强度模型解释了磁致伸缩直线位移传感器输入量与输出信号间的关系问题,通过计算机仿真和数值分析所得数据,对模型的合理性进行了验证,并通过大量的实验研究获得了传感器中的关键技术参数。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究相关背景
• 1.1.1 磁致伸缩材料
• 1.1.2 磁致伸缩直线位移传感器
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 磁致伸缩材料研究
• 1.2.2 传感器中相关的数学模型
• 1.2.3 传感器相关的实验研究
• 1.2.4 传感器系统的研究
• 1.3 研究意义及主要内容
• 1.3.1 课题的研究意义
• 1.3.2 论文的主要研究内容
• 1.4 论文构成
• 1.5 本章小结
• 参考文献
• 第二章 磁致伸缩直线位移传感器中弹性波的机理
• 2.1 基础理论和基本概念
• 2.1.1 铁磁材料
• 2.1.2 磁化
• 2.1.3 磁致伸缩
• 2.1.4 磁弹性理论
• 2.2 弹性波机理研究概述
• 2.2.1 问题描述
• 2.2.2 非线性磁弹性耦合理论
• 2.2.3 简化的磁力模型
• 2.2.4 计算机仿真与数值分析研究
• 2.3 弹性波机理模型
• 2.3.1 激励源合成模型
• 2.3.2 磁极化强度模型
• 2.3.3 力磁耦合本构模型
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 磁致伸缩直线位移传感器的若干基础实验
• 3.1 系统激励源参量的研究
• 3.1.1 触发周期
• 3.1.2 激励周期
• 3.2 周向磁场的检测与研究
• 3.2.1 周向磁场的概念
• 3.2.2 周向磁场的检测
• 3.2.3 周向磁场的仿真研究
• 3.3 永久磁铁磁场的检测与研究
• 3.3.1 永久磁铁磁场与弹性波形
• 3.3.2 永久磁铁磁场的检测
• 3.3.3 永久磁铁磁场的仿真研究
• 3.4 磁致伸缩线体内部的磁场研究
• 3.4.1 线体轴线与磁铁方向垂直的磁场
• 3.4.2 线体轴线与磁铁方向平行的磁场
• 3.5 检测系统的实验研究
• 3.5.1 检测系统感应波与振荡现象
• 3.5.2 信号的频谱分析
• 3.6 弹性波波速测定
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第四章 磁致伸缩直线位移传感器系统构建及性能评估
• 4.1 传感器系统评估平台
• 4.2 弹性波机理模型的系统分析
• 4.2.1 激励源合成模型的系统分析
• 4.2.2 磁极化强度模型的系统分析
• 4.3 影响传感器系统性能因素的研究与评估
• 4.3.1 易磁化方向的研究
• 4.3.2 固支波现象及分析
• 4.3.3 线材结构与弹性波的研究
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 总结
• 5.1 研究总结
• 5.2 今后的课题
• 附录
• 附录1 基于B-H曲线的求解命令流
• 附录2 求节点随时间的变化的求解命令流
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读学位期间承担的科研项目