镍铁氧体-锆钛酸铅层状复合物的低频磁电耦合

利用弹性力学模型,简要推导了低频下磁致伸缩—压电双层复合材料磁电电压系数的表达式,计算了镍铁氧体—锆钛酸铅(NiFe2O4—Pb(Zr,Ti)O3,NFO—PZT)层状复合材料的横向磁电耦合。采用溶胶—凝胶法制备NiFe2O4样品,将其与PZT胶合制成NFO—PZT和NFO—PZT—NFO层状复合材料,研究了其在低频下的横向磁电效应。在约31.8 kA·m-1的偏置磁场下,NFO—PZT—NFO的横向磁电耦合达到的峰值为761.8 mV.A-1,约是NFO—PZT的3倍多。三层的界面耦合参数明显高于双层。     

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。     

磁致/压电/磁致层合材料磁电响应分析

对沿长度方向振动(LT模式)的磁致/压电/磁致(MPM)层合材料的磁电响应进行了理论分析,其中磁致层沿长度方向磁化,压电层沿厚度方向极化.从压电效应和压磁效应本构方程出发,结合材料的机械运动学方程和电路状态方程,重新推导了LT模式下MPM结构的等效电路,完善了文献中的方法,得到了复合材料的磁电电压系数、开路电流、材料内阻、可供电功率与压电、磁致材料各物理参数以及体积参数之间的关系式.以Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层合材料为例,对材料磁电响应进行了数值计算,将计算结果与相关实验结果进行了比较.利用磁电响应仿真结果,对磁电层合材料用于磁敏传感器以及自供电换能器进行了讨论.     

干涉型光纤磁场传感器的研究

在外界磁场的影响下,根据超磁致伸缩薄膜/光纤复合结构模型,推导出马赫-曾德尔干涉型光纤磁传感器磁-机-光耦合关系方程,计算结果分析表明:薄膜厚度和外界磁场的大小直接影响着干涉仪的灵敏度,并且可以通过增加薄膜的厚度和施加偏置磁场来提高干涉仪的灵敏度,这和实验结果相吻合。     

磁致伸缩力传感器输出特性及其影响因素分析

为揭示磁致伸缩力传感器的物理机制,研究了磁致伸缩传感器输出电压与核心元件磁特性的关系。基于磁致伸缩材料的逆磁致伸缩效应,使用片状Fe-Ga和Fe-Co合金设计一种新型的力传感器,根据霍尔效应原理和Jiles-Atherton模型推导了力传感器输出电压模型,通过传感器输出特性测试平台对传感器输出特性进行测试,实验结果表明在偏置磁场6kA/ｍ、 外力2N时,Fe-Ga合金力传感器的最大输出电压为112mV,Fe-Co合金力传感器最大输出电压为58mV,与输出电压模型具有较好的一致性,从物理机制层面上分析磁致伸缩力传感器输出电压的影响因素,确定力传感器的输出电压主要由偏置磁场、外力、以及传感器核心元件磁致伸缩(λ/ λｓ)和Ms/ λｓ1/ 2决定,并且传感器的输出电压与(λ/ λｓ2)１/2成正比,与(Ms/ λｓ１/2)成反比,揭示了磁致伸缩力传感器输出特性的物理机制。     

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。     

GMM 、PZT和超声变幅杆复合结构磁电换能器研究

将超磁致伸缩材料(GMM)、压电材料(PZT-5H)与超声变幅杆复合,构造了一种新型的磁电换能器.超声变幅杆具有聚能和放大应变的功能,可以数十到数百倍增强换能过程中对压电材料的激励,提高机电换能输出和增强磁电耦合效应.实验表明,在800 Oe偏置磁场和峰峰值为1 Oe交变磁场激励下,谐振点处的磁电耦合电压峰峰值达到498 mV,在负载电阻为2.55 kΩ时,输出功率达到4.08 μW.     

基于TMR磁传感器的电力系统大电流测量

针对传统电力系统大电流测量方法存在体积大、测量范围窄、数字化程度低的问题,提出了一种新型的基于隧道磁电阻（TMR）磁传感器阵列测量大电流的方法。叙述了TMR效应和传感器的测量原理,利用磁传感器测量输入-输出特性,推导出电流测量数学模型,建立了磁传感器安放拓扑结构,解决了三相电流磁场相互干扰情况下电流测量不精确问题。以10kV高压开关柜为基础,设计出一种实验系统对测量模型进行验证。对采集数据进行拟合分析,得到影响磁传感器测量精度的2个因素：传感器安放位置和测量范围。通过对安放位置进行优化,确定磁传感器最佳放置位置。计算结果表明：TMR磁传感器具有很好的精度,能够达到测量要求。     

一种采用压电复合音叉的电流传感器研究

针对当前非接触电流测量方式存在的灵敏度低、结构复杂等问题,本文提出了一种采用压电复合音叉的电流传感器用于非接触低频微弱电流测量,其结构由永磁体、弹性音叉、压电片及底座组成.当该传感器处于电线周围交变磁场中时,永磁体在磁场作用下产生扭矩并驱动弹性音叉臂及压电片产生形变;因压电效应,形变的压电片两端电极之间输出交变电压信号,从而实现电流的测量.由于磁扭矩效应,这种传感器具有较高的谐振灵敏度,大约是压电悬臂梁式电流传感器的4.0倍;在负载电阻为10 MΩ、频率为41.7 Hz时,灵敏度可达1.393 V/A,线性度约为0.57%.这种压电复合音叉式电流传感器模型还可以应用于微弱振动、磁场信号探测等.     

基于多层GMR材料的电流传感器设计与实验研究

将磁芯和两个磁屏蔽层引入GMR电流传感器,以提高其灵敏度和精度;并在磁芯中加入偏置绕组以提供偏置磁场。建立了传感器的数学模型,用于分析闭环电流传感器的影响因素。基于分析和仿真结果,设计了样机。测试并对比分析了磁滞对传感器的影响、测量范围、频率响应以及电流传感器的相对误差。所设计的电流传感器具有灵敏度高,精度高,相对误差小(0.8%)的优点。在被测电流值为20 A情况下,被测电流的频率范围高达300 kHz。     

一种采用压电矩形鼓和永磁铁的小型电流传感器研究

提出了一种采用压电矩形鼓和永磁铁的小型电流传感器。基于安培定律,永磁铁感受电流变化并驱动压电矩形鼓振动,压电矩形鼓因压电效应将振动转化为电信号输出,从而实现电流传感。利用有限元分析方法研究了电流传感器的一阶振动模态及其应力分布,并计算了电流传感器的灵敏度频率响应特性,其与实验结果较吻合。实验结果表明,该电流传感器在一阶谐振频率204 Hz处具有较高的灵敏度(0.95 V/A),在动态范围0.005 A～30 A内具有良好的线性度(0.3%);与采用压电悬臂梁结构的电流传感器相比,具有更好的稳定性。文中提出的传感器结构还可以应用于振动信号、磁场的长期不间断测量或监测。     

基于多电容传感法的多电极阵列微流控芯片内 高浓度粒子迁移检测

在浓度密集粒子下对血细胞进行检测与处理可以形成具有特异性的靶向血细胞,对生物和医疗系统的发展具有重要意义。已开发的多电极阵列微流控芯片的电极分布于5个菱形横截面,每个横截面嵌入12个均匀分布的电极。利用该微流控芯片的特殊结构,采用多电容传感法,在大量高浓度粒子中测量了标准聚苯乙烯颗粒的浓度。实验结果表明,在低密度0.3 vol%～1.5 vol%的情况下,粒子迁移率随浓度的增加而成比例地增加。而在中密度1.5 vol%～3.0 vol%的情况下,粒子迁移率增加较少,而在足够密集浓度大于3.0 vol%的情况下,由于颗粒间的相互作用,无论浓度如何变化,粒子迁移率几乎保持恒定。     

基于谐振型无源SAW传感器的制造系统 热监测通信特性实验研究

为研究声表面波SAW(Surface Acoustic Wave)传感器在制造系统中的通信特性,基于SAW技术,应用单端口谐振器,构建了制造系统中常见的两种情形,金属环境和旋转结构的温度测量装置。首先,分析了谐振型无源SAW传感器的温度测量原理,使用功率指标表示信号强度,以接收功率的对数来表达;其次,使用CST NWS仿真软件进行了金属板对无线信号通信特性影响的仿真实验,基于上述仿真模型在实际环境中使用金属板来验证仿真结果;最后,使用模拟主轴进行了旋转条件下的传输特性实验。实验结果表明,为保持SAW传感器的测量和数据传输性能,在制造系统中SAW传感器的最佳位置应考虑天线角度、方向、主轴转速、金属板位置和质询器天线与SAW传感器天线间隔距离等因素。研究结果将指导制造系统监测中SAW传感器的应用,并提供SAW传感器性能优化的理论依据。     

煤矿井下探测搜救机器人地形感知系统及路径规划方法研究

针对常规机器人导航系统采用单一类型地形识别传感器,观察维度单一等问题,对煤矿井下探测搜救机器人地形感知系统进行研究,使用远近感知系统数据融合,提高机器人避障能力。由激光扫描仪采集的二维点云数据建立远距离地形信息,由Kinect相机采集的地形深度信息建立近距离地形信息。基于PCL模型,应用像素遍方法,实现观测信息的采集与云图像的构建。使用2.5维栅格地图构建方法得到近距离环境地形信息。使用Dijkstra算法进行了路径规划研究,建立了融合路径长度和地面危险度等级的目标函数。通过仿真研究验证了本文提出的最优路径减小机器人行走过程的俯仰角、侧倾角的波动幅度。     

基于改进差分进化算法的曲面零件匹配检测研究

以复杂薄壁形曲面零件为研究对象,以提高复杂曲面零件的检测精度为目的,基于“DE/rand/2/hin”和“DE/best/2/bin”变异策略,提出一种新的混合式差分进化算法。针对曲面零件三维匹配问题的特性,本算法利用旋转和平移变量构成的转换矩阵为个体,以两个点云模型间的最小欧氏距离为目标函数并逐代进化,能够保证计算结果为全局最优解。实验结果表明,所提出的算法具有收敛速度快、搜索能力强、鲁棒性好等优点,该方法可有效降低测量误差对曲面零件质量检测的影响。     

铝板T型接头背面筋板位置检测方法研究

采用涡流检测方式检出铝板T型接头背面筋板位置,检测误差范围在0.48 mm之内。欲检测背面筋板位置,线圈所生磁场必须能穿透铝盖板,为此先对待检试件尺寸及线圈内、外径、线径、厚度等参数进行分析,计算了线圈产生的磁场强度分布,确定了线圈尺寸。使用有限元软件comsol仿真不同检测频率下的涡流穿透深度,同时考虑实际工业应用中需有较高的扫查速率,确定了检测频率。设计并制作了检测电路,使用ADuC812单片机为核心,控制AD9854芯片产生正弦激励信号作为载波将背板信号进行调制,再用相敏检波检出背板信号。实际检出波形与所预期结果相符,能清楚判别背面筋板中心位置,误差范围小,本研究拓展了涡流检测技术的应用领域。     

基于Herschel-Bulkley模型的磁流变阻尼器转矩模型参数辨识

针对目前Herschel-Bulkley模型参数值通常随试验条件而变化,存在无法构建确定的数学模型的局限性,提出一种Herschel-Bulkley模型全局参数辨识的方法。针对所设计的多级圆筒式磁流变阻尼器,基于Herschel-Bulkley模型建立了阻尼器的转矩力学模型并搭建扭矩测试系统以确定模型参数,通过1stOpt优化分析软件的Levenberg-Marquardt算法和通用全局优化算法对转矩力学模型进行参数辨识,确定模型中液体流动行为参数 k和n 分别为49.88及0.576。参数辨识后的Herschel-Bulkley扭矩模型在不同磁场条件下基本满足扭矩预测效果,可为后续对于器件的有限元分析计算提供理论依据。     

基于低温SQUID瞬变电磁系统的涡流补偿方法

为了避免瞬变电磁法TEM(Transient Electromagnetic Method)系统中的金属成分受发射场激发带来的涡流干扰,本文利用传输函数与发射场卷积获得系统涡流大小,并进行抵扣,以获得真实的地下响应信号。文中介绍了瞬变电磁法工作原理,描述了涡流形态及对SQUID接收信号的影响,同时建立了SQUID系统传输函数的测量装置,并对该传输函数的卷积效果进行了验证,确保卷积结果与实测结果一致。实验结果证明该涡流补偿方法可以应用于实际探矿工作中,提高了探测精准度。     

基于K邻近算法的转向架构架状态识别研究

作为机车最重要的部分之一,转向架构架的运行状态会直接影响到机车的安全,其状态识别对保证机车安全运行尤为重要。为识别转向架构架状态,采用噪声传感器与加速度传感器对激振数据进行采集,通过时域特征提取与时频域特征提取,将敏感特征量组成训练集与测试集,利用K邻近算法,实现对转向架构架三种不同状态的识别。利用K邻近算法识别率可达到93.33%,与最小二乘支持向量机方法相比具有较好的识别效果,验证了K邻近算法的有效性。     

基于P SD光杠杆自平衡精密电磁天平的研究

提高电磁天平性能的关键是在一定质量下使横梁产生大的位移并对该位移量进行高精度检测,据此设计了一种基于PSD(位置敏感器件)光杠杆与横梁组件构成的位移传感器,并与电磁力传感器构成闭环系统,它可使传统的电磁天平的位移量得以进一步放大。与普遍使用在电磁天平中的硅光电池位移传感器相比较,采用PSD光杠杆的位移传感器具有测量精度高,结构简单,动态特性好等优点,优化了电磁天平的整体性能。基于上述方法研制了量程为210 g的电磁天平样机并对其进行试验研究,结果表明其系统总精度达0.003 2%。