超磁致伸縮材料和聲表面波諧振器復(fù)合磁傳感研究.pdf

1、傳感技術(shù)是信息技術(shù)的重要組成部分，是現(xiàn)代測(cè)量科技中獲取信息的重要來(lái)源。磁傳感器是傳感技術(shù)的重要分支，在生產(chǎn)和生活中有大量的應(yīng)用，推廣到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防及生物醫(yī)學(xué)等各部門。研究新的磁傳感測(cè)量技術(shù)，對(duì)于豐富磁傳感的手段和方法有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　 本文在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，對(duì)采用超磁致伸縮材料和聲表面波諧振器復(fù)合磁傳感器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。論文首先闡明了磁傳感技術(shù)發(fā)展的背景，總結(jié)了現(xiàn)有磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)

2、，包括一些復(fù)合傳感器的結(jié)構(gòu)和指標(biāo)，提出用超磁致伸縮材料良好的磁機(jī)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(diǎn)構(gòu)建復(fù)合磁傳感器。
　　 論文闡述了磁致伸縮效應(yīng)的機(jī)理及磁致伸縮材料的發(fā)展，對(duì)磁致伸縮材料的工作特性進(jìn)行了描述。用磁電類比法推導(dǎo)得到了任意磁場(chǎng)或機(jī)械作用下磁致伸縮材料的磁機(jī)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(chǎng)激勵(lì)下材料不同位置的位移和形變分布。分析表明，在低頻磁場(chǎng)激勵(lì)下，小尺寸的磁致伸縮材

3、料在其長(zhǎng)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(guān)技術(shù)的發(fā)展，聲表面波器件的分類及其特點(diǎn)，對(duì)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(jìn)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(fù)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(kāi)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(shí)，引起聲表面波諧振器特性變化的過(guò)程。設(shè)計(jì)和實(shí)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(jìn)行了相關(guān)的理論分析，計(jì)算了其動(dòng)態(tài)特性和達(dá)到的傳感靈敏度，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，該類型的復(fù)合磁傳感器是一個(gè)低通的系統(tǒng)，截止頻率為13.4Hz，適合靜態(tài)及準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)的測(cè)量，最高靈敏度可達(dá)179Hz/Oe，比之前報(bào)

5、道的同類磁致伸縮/諧振器復(fù)合傳感器要高，磁場(chǎng)測(cè)量的不確定度約為0.0223Oe。
　　 為了進(jìn)一步提高復(fù)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(shí)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(duì)表面的力作用會(huì)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(lái)描述外力對(duì)聲表面波傳播表面的擾動(dòng)，引入有效材料常數(shù)進(jìn)行計(jì)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(shí)材料應(yīng)力的問(wèn)題，對(duì)傳播表面受力作用時(shí)的波速進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算求解并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果相符，表面加載方式有很高的靈敏度。
　　 論文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了用超磁致伸縮材料在聲表面波傳播表面加載的復(fù)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(duì)結(jié)構(gòu)的影響和力傳遞結(jié)構(gòu)對(duì)傳感性能的影響，為了提高傳感器