超磁致伸縮材料和聲表面波諧振器復合磁傳感研究.pdf

1、傳感技術是信息技術的重要組成部分，是現(xiàn)代測量科技中獲取信息的重要來源。磁傳感器是傳感技術的重要分支，在生產(chǎn)和生活中有大量的應用，推廣到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防及生物醫(yī)學等各部門。研究新的磁傳感測量技術，對于豐富磁傳感的手段和方法有重要的學術意義和應用價值。
　　 本文在國家自然科學基金的資助下，對采用超磁致伸縮材料和聲表面波諧振器復合磁傳感器進行了理論和實驗研究。論文首先闡明了磁傳感技術發(fā)展的背景，總結(jié)了現(xiàn)有磁場測量技術的基本原理和特點

2、，包括一些復合傳感器的結(jié)構(gòu)和指標，提出用超磁致伸縮材料良好的磁機轉(zhuǎn)換性能和聲表面波諧振器靈敏度高，穩(wěn)定性好的特點構(gòu)建復合磁傳感器。
　　 論文闡述了磁致伸縮效應的機理及磁致伸縮材料的發(fā)展，對磁致伸縮材料的工作特性進行了描述。用磁電類比法推導得到了任意磁場或機械作用下磁致伸縮材料的磁機等效回路，闡明了各等效參數(shù)的物理意義，分析得出了磁致伸縮材料在磁場激勵下材料不同位置的位移和形變分布。分析表明，在低頻磁場激勵下，小尺寸的磁致伸縮材

3、料在其長度方向上的形變分布可以近似看作均勻的。
　　 論文闡述了聲表面波器件及其相關技術的發(fā)展，聲表面波器件的分類及其特點，對聲表面波在介質(zhì)中傳播特性以及采用聲表面波器件的傳感查詢系統(tǒng)進行了介紹。
　　 在研究中，為了用聲表面波諧振器和磁致伸縮材料復合構(gòu)成傳感器(surfaceacoustic wave resonator-giant magnetostrictive material sensor,SAWR-GMM s

4、ensor)，從影響聲表面波諧振器諧振特性的參數(shù)開始，分析了聲表面波諧振器的壓電基片受到作用產(chǎn)生變形時，引起聲表面波諧振器特性變化的過程。設計和實現(xiàn)了用超磁致伸縮材料作用在聲表面波諧振器壓電基片上使之產(chǎn)生體積變化的傳感結(jié)構(gòu)，進行了相關的理論分析，計算了其動態(tài)特性和達到的傳感靈敏度，并進行了實驗研究。結(jié)果表明，該類型的復合磁傳感器是一個低通的系統(tǒng)，截止頻率為13.4Hz，適合靜態(tài)及準靜態(tài)磁場的測量，最高靈敏度可達179Hz/Oe，比之前報

5、道的同類磁致伸縮/諧振器復合傳感器要高，磁場測量的不確定度約為0.0223Oe。
　　 為了進一步提高復合磁傳感的靈敏度，論文研究了在聲表面波傳播表面加載力作用情況時聲表面波的傳播特性。由于聲表面波的主要能量集中在其傳播表面，對表面的力作用會更靈敏的影響到聲表面波的傳播特性。在表面力加載的情況下，考慮到邊界不自由和力載的作用，采用廣義Green函數(shù)來描述外力對聲表面波傳播表面的擾動，引入有效材料常數(shù)進行計算，求解波速的變化，解決

6、了廣義Green函數(shù)不能直接求解出聲表面波傳播時材料應力的問題，對傳播表面受力作用時的波速進行了數(shù)值計算求解并進行了相關的實驗。實驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果相符，表面加載方式有很高的靈敏度。
　　 論文設計和實現(xiàn)了用超磁致伸縮材料在聲表面波傳播表面加載的復合磁傳感結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將磁致伸縮力作用在聲表面波傳播表面影響波速的變化，并由此改變了聲表面波諧振器的諧振頻率。分析了該結(jié)構(gòu)中間隙對結(jié)構(gòu)的影響和力傳遞結(jié)構(gòu)對傳感性能的影響，為了提高傳感器