—种超磁致伸缩材料和声表面波谐振器构成的复合磁传感器

设计了一种新的超磁致伸缩材料和声表面波谐振器构成的复合磁传感器．该传感器将超磁致伸缩材料在磁场中产生的应力应变传递到声表面波谐振器上，改变其谐振频率，通过对谐振频率的检测进行磁场测量．该传感器可以用于静态和动态磁场测量，并且可用作无源、无线磁传感器．主要分析了该结构用于静态磁场测量的原理，给出了实验结果．传感器谐振频率的变化对于静态磁场变化的灵敏度可达132Hz／Oe，谐振频率测量分辨率在1Hz时，磁场测量分辨率可达10^-7T数量级．     

Terfenol-D/SAW谐振器/Terfenol-D复合磁传感器

设计了一种由超磁致伸缩材料Terfenol-D和SAW谐振器构成的复合磁传感器,在磁场作用下,Terfenol-D沿长度方向伸缩,并将应力应变传递至SAW谐振器,使其产生应变,造成谐振频率改变,通过测量SAW谐振器谐振频率的变化来测量磁场强度.分析了该磁传感器的传感原理,建立了该复合磁传感器的静态模型,对弹性敏感元件进行了受力分析,根据压磁方程和受力平衡得到该磁传感器的静态特性.实验结果表明:该复合磁传感器灵敏度可达341.6Hz/Oe,较Terfenol-D/SAW谐振器结构灵敏度提高了3倍;测量谐振频率的分辨率为1Hz,SAW谐振器频率稳定度为0.1×10-6时,该磁传感器对磁场的分辨率为10-6T.     

退磁场对磁致伸缩应力耦合谐振磁传感器灵敏度的影响研究

将磁致伸缩材料与石英音叉谐振器复合的谐振式磁传感器具有高灵敏度、高分辨率、高Q值等优良性能。然而,磁性敏感材料的退磁场效应导致磁传感的灵敏度随敏感材料的尺寸变化。采用退磁因子计算经验公式与Maxwell电磁仿真相结合,分析了相同截面积、不同长度铁镓（FeGa）磁致伸缩合金的退磁因子,并将退磁因子代入非线性磁致伸缩模型,分析并预测了退磁场对FeGa合金磁致伸缩性能和FeGa/石英音叉谐振器复合谐振式磁场传感器灵敏度的影响。采用10.6mm、20mm和30mm三种不同长度FeGa合金与石英音叉谐振器复合,制备器件实验表明：退磁因子和传感器灵敏度随FeGa合金长度增加而分别减小和增加,最优偏置点的灵敏度分别为3.7Hz/Oe,5.8Hz/Oe和9Hz/Oe,实验结果和理论分析结果较为吻合。     

磁致伸缩材料与石英音叉复合低阻尼谐振磁电效应

采用磁致伸缩材料与石英音叉谐振器复合设计了一种低阻尼的谐振式磁电敏感单元。石英音叉工作在弯曲振动模式,音叉叉指结合区域(底部)产生的应力/应变方向相反、弯矩相互抵消,实际为解耦区域。将底部与磁致伸缩材料粘接复合设计谐振式磁电敏感单元的Q值主要取决于音叉谐振器自身的高Q值,磁致伸缩材料的高磁机阻尼被隔离。动态磁场作用下,磁-机-电转换过程可看作一个受迫振动过程,当激励磁场频率接近于音叉谐振频率时,输出电信号最大。实验结果表明:磁电敏感单元Q值高达5 034;谐振磁电电流系数达到799.2 nA/Oe;在接近谐振频率32.774 kHz信号激励下,磁电电流系数相对偏置磁场变化的灵敏度达到5 (nA/Oe)/Oe。     

超磁致伸缩换能器磁棒磁场及应变的数值仿真

研究不同驱动电流频率下超磁致伸缩棒的磁场和磁致伸缩应变,针对传统实验测量应变时将仪器置于磁棒内带来的破坏以及很难得到棒内任意点的应变分布问题,为实现换能器的功能,通过电磁理论和有限元理论建立了超磁致伸缩换能器磁场的有限元模型,并在ANSYS电磁场模块下对模型进行了仿真,分析了磁场轴向、径向均匀性及涡流效应对应变几何分布的影响.结果表明:频率增大,涡流效应增强,磁场轴向均匀性增加、径向均匀性减小,应变几何分布变化显著.结果表明对超磁致伸缩换能器驱动频率的选择及器件的设计具有一定的指导意义.     

超磁致伸缩力传感器的模型研究

磁致伸缩逆效应是稀土超磁致伸缩材料的一个重要应用特性,应用磁致伸缩逆效应可以制作超磁致伸缩力传感器,基于能量变分原理,建立了超磁致伸缩力传感器的有限元模型。应用该模型计算了超磁致伸缩力传感器空气隙中的磁感应强度和磁致伸缩棒上施加力的关系,并与实验值进行了比较。计算结果与实验结果符合较好,表明建立的超磁致伸缩力传感器的有限元模型是有效的。     

超磁致伸缩薄膜驱动仿生游动微型机器人

研制了以超磁致伸缩薄膜为驱动器的仿生游动微型机器人，其作业原理是以超磁致伸缩薄膜驱动器为尾鳍，通过改变时变振荡磁场的驱动频率，在超磁致伸缩薄膜的磁机耦合作用下,将时变振荡磁场能转换成驱动器的振动机械能，振动的超磁致伸缩薄膜驱动器再与液体耦合，便产生了机器人的推力．由于超磁致伸缩薄膜为非接触式驱动，因此机器人不需要电缆驱动．基于仿生游动原理，提出一种计算推力的数学模型，以建立的超磁致伸缩薄膜受迫振动模型的前三阶谐振频率模态为尾鳍的摆动，对振动薄膜产生的推力进行了计算．实验验证了理论分析的正确性，表明仿生游动微型机器人的方案切实可行．     

大位移磁致伸缩传感器的弹性波建模与分析

磁致伸缩位移传感器是一种测量精度高,测量位移大的新型位移传感器.传感器设计涉及多学科交叉,难以建立统一数学模型.以FeGa材料作为磁致伸缩位移传感器的核心波导丝,建立了波导丝材料磁致伸缩弹性波振动模型,波导丝磁机耦合模型和信号检测模型;同时分析了弹性波信号的受限因素,信号衰减特性.在数学模型基础上,搭建磁致伸缩位移传感器系统,设计了扭转波信号检测电路.实验结果表明信号的输出随着传感距离的增加而减小,该模型对大位移磁致伸缩传感器研究有积极意义.     

Terfenol-D高频磁滞特性测试与分析

目前对超磁致伸缩材料Terfenol-D的研究,主要集中于静态或准静态条件下的磁滞特性的测试和分析.为了更好的探究材料的高频磁滞特性,将Terfenol-D制成方形环状薄片样品,在不同驱动磁场频率和磁密幅值的条件下,测量其动态磁滞回线,分析磁损耗的数值和变化趋势,探究剩磁和矫顽力等磁特性参数随频率和磁密幅值的变化规律.测试结果表明:当驱动磁场频率或磁密幅值增加时,动态磁滞回线横向变宽、面积增大,剩磁、矫顽力和损耗也都随之增大.此项研究为超磁致伸缩材料Terfenol-D高频磁滞特性和电磁损耗的理论分析提供了实验数据基础.     

微弱应变测量传感器设计及应用

通过对现有磁致伸缩系数测量方法的分析,提出了一种非平衡电桥法测定磁致伸缩系数的新方法,并设计制作了微弱应变测量传感器,获得了温度在295 K时铁—镓(Fe-Ga)合金材料在0~60 mT磁场中的关系曲线,并建立了磁致伸缩系数与磁场的关系公式.实验结果表明:传感器能够稳定和精确地获取磁致伸缩系数,为精确测量磁致伸缩材料在磁场中的变化特性开辟了新途径,在一定程度上,解决了当前实验仪器研究中存在的超微弱信号极难测量和稳定性的问题,为以后相关仪器的研究提供了范例,可作进一步推广.     

Resonant Magnetic Field Sensor With Frequency Output

This paper presents a novel type of resonant magnetic field sensor exploiting the Lorentz force and providing a frequency output. The mechanical resonator, a cantilever structure, is embedded as the frequency-determining element in an electrical oscillator. By generating an electrical current proportional to the position of the cantilever, a Lorentz force acting like an additional equivalent spring is exerted on the cantilever in the presence of a magnetic field. Thus, the oscillation frequency of the system, which is a function of the resonator's equivalent spring constant, is modulated by the magnetic field to be measured. The resonant magnetic field sensor is fabricated using an industrial CMOS process, followed by a two-mask micromachining sequence to release the cantilever structure. The characterized devices show a sensitivity of 60 kHz/Tesla at their resonance frequency$f_0= 175~ kHz$and a short-term frequency stability of 0.025 Hz, which corresponds to a resolution below 1$~mu T$. The devices can thus be used for Earth magnetic field applications, such as an electronic compass. The novel resonant magnetic field sensor benefits from an efficient continuous offset cancellation technique, which consist in evaluating the frequency difference measured with and without excitation current as output signal. 1676     

冰传感器的设计

以振动法测冰技术为研究方向,旨在建立振管式冰传感器的物理模型和数学模型,给出振管轴向振动固有频率的计算公式,并利用MATLAB仿真软件对此设计进行分析,进而完成冰传感器的样品设计。冰传感器由具有磁致伸缩能力的恒弹合金材料制成。当振管垂直立于磁场环境中时,在交变磁场的作用下产生磁致伸缩,即沿振管的轴向作简谐振动。当振管表面出现结冰时,其轴向固有频率会产生偏移,通过检测轴向固有频率偏移量,即可确定结冰状态。     

基于相位检测的声表面波传感器变送电路设计

本文设计了一种利用直接数字频率合成器（DDS）作为频率源,基于相位测量芯片AD8302的气敏传感器测试系统。该测试方法通过获取相同的输出相位差情况下的两次输八频率之差而达到测试目的,整个测试系统自动化程度高,且声表面波SAW谐振器工作于较高的频率,满足了较高精度现场检测的需要。     

基于相位检测的SAW传感器变送电路设计

本文设计了一种利用直接数字频率合成器(DDS)作为频率源,基于相位测量芯片AD8302的气敏传感器测试系统.该测试方法通过获取相同的输出相位差情况下的两次输入频率之差而达到测试目的,整个测试系统自动化程度高,且声表面波SAW谐振器工作于较高的频率,满足了较高精度现场检测的需要.     

Magnetic field sensing using magnetic-fluid-filled optofluidic ring resonator

A magnetic field sensor based on the silica optofluidic ring resonator is proposed and experimentally demonstrated for the first time. Magnetic fluid is filled in the core of the microcapillary to experience the strength change of the applied magnetic field. When the whispering gallery modes circulate in the wall of the microcapillary, it can experience the increasing refractive index of magnetic fluid with the increase in the magnetic field strength, leading to the redshift of the resonant wavelength. The maximum sensitivity of 75.7 pm/mT and figure of merit of 105 T^?1 are realized, respectively, corresponding to a large dynamic magnetic field range from 15 to 125 mT. By optimizing the concentration of the kerosene-based magnetic fluid, the detection limit of 2.2 mT and the measurement resolution of 0.9 mT are achieved, respectively. This work provides a novel magnetic field sensing scheme with high performance using the optofluidic ring resonator and further broadens its applications.     

磁致伸缩纵向导波传感器中偏置磁场的优化设计

偏置磁场大小是磁致伸缩纵向导波传感器设计的关键参数之一,最佳偏置磁场的选择受到材料和激励条件的影响,故要求导波检测系统中偏置磁场可调节性好.目前使用的偏置磁场有两种,其中螺线管线圈产生的磁场信号干扰大,信噪比低,永磁体提供的磁场可调节性不佳.为此,提出一种偏置磁场可以调节的结构方案,并通过该方案研制了一种可以调节的偏置...     

Magnetic–acoustic–resonator sensors (MARS): a new sensing methodology

A new type of acoustic shear wave sensor fabricated from inexpensive glass and metal plates, in which the acoustic plate is remotely excited and detected with a radio frequency signal and a strong magnetic field, is described. This new acoustic plate resonance requires neither piezoelectric materials nor wire contacts, and is referred to as a magnetic–acoustic–resonator sensor or MARS device. This paper reports the concept of the MARS device and describes how shear wave resonances in aluminium and aluminium–glass composites are detected and verified. The effect of mass loading an aluminised glass plate demonstrates that MARS has Sauerbrey-like characteristics similar to the Quartz Crystal Microbalance (QCM). Prospects for liquid phase measurements are also indicated.