共振型磁弹性传感器检测系统的便携式设计

发布时间：2017-10-09 12:09

  本文关键词：共振型磁弹性传感器检测系统的便携式设计

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【摘要】：磁弹性传感器是利用铁基非晶合金材料制作而成的新型传感器。在外加交变磁场下,由于磁致伸缩效应使传感器发生振动,当传感器的固有频率和交变磁场频率一致时产生共振,此时振幅达到最大值。该共振频率点会随周围的环境变化而发生偏移,如质量负载、应力、粘度等,通过测量检测线圈上感生电动势的变化实现对传感器共振特性检测。在检测过程中,传感器与检测装置之间无电气连接,因而是一种无线无源的传感器,同时传感器还具有耗能低、成本低、高灵敏度等特点。正由于这些优点使磁弹性传感器在物理、生化、生物医学等领域得到了广泛研究。然而目前磁弹性传感器检测系统存在价格昂贵、体积庞大、便携性差、功耗高以及无法长期检测等缺陷,限制了磁弹性传感器的应用前景。针对上述问题,本文提出了一套便携式磁弹性共振型传感器检测系统的设计;首先通过对磁弹性传感器共振模型和检测原理分析,确立了以扫频检测法为检测基础的设计思路,确定了包含电源管理单元、微控制器单元、交流激励单元、数据采集单元、数据存储和传输单元的便携式设计方案,并提出检测系统的具体设计指标。然后根据设计指标完成低功耗硬件功能电路设计和基于μC/OS-II操作系统的控制软件设计。最后结合上位机软件完成整个检测系统的实现。系统设计完成后,利用铁基非晶合金带材1k101制作磁弹性传感器对检测系统进行功能、性能、实用性的实验测试。主要包括空气中传感器响应测试实验,传感器重复测试实验,不同介质测试实验,系统功耗对比测试实验以及检测系统长期监测实用性测试,即完成质量负载测试实验和自来水腐蚀传感器的长时间监测测试实验。实验结果表明,检测系统可以实现对磁弹性传感器共振特性的精确检测,且具有良好的可重复性和可靠性;同时,系统能满足不同环境下的测试实验;与传统的磁弹性传感器检测系统相比,该系统功耗更低、体积更小,为磁弹性传感器检测的研究者提供了一套便携式低功耗磁弹性传感器检测系统设计方案。
【关键词】：磁致伸缩 磁弹性传感器 便携式 低功耗
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-18
• 1.1 课题背景8
• 1.2 国内外研究现状8-16
• 1.2.1 磁弹性传感器检测方法9-10
• 1.2.2 磁弹性传感器检测系统的发展10-14
• 1.2.3 便携式设备14-16
• 1.3 课题研究的意义、目的及主要内容16-18
• 1.3.1 课题研究意义16
• 1.3.2 课题研究目的16-17
• 1.3.3 本文主要内容17-18
• 2 磁弹性传感器工作原理18-28
• 2.1 磁致伸缩效应及其表征18-19
• 2.2 磁弹性传感器激励、共振与检测原理19-26
• 2.2.1 磁弹性传感器电磁激励原理19-21
• 2.2.2 磁弹性传感器共振模型21-24
• 2.2.3 磁弹性传感器检测原理24-26
• 2.3 本章小结26-28
• 3 磁弹性传感器检测系统便携式设计方案28-38
• 3.1 检测系统便携式设计基础28-31
• 3.2 检测系统便携式设计思路31-32
• 3.3 磁弹性传感器便携式设计方案32-36
• 3.3.1 检测方法的选择32
• 3.3.2 系统优化设计32-35
• 3.3.3 传感器尺寸选择因素35-36
• 3.4 设计指标36-37
• 3.5 本章小结37-38
• 4 检测系统便携式硬件设计与实现38-64
• 4.1 低功耗电路设计38-56
• 4.1.1 电源管理单元38-44
• 4.1.2 微控制器单元44-46
• 4.1.3 激励单元46-52
• 4.1.4 共振幅值检测电路52-55
• 4.1.5 数据传输与存储单元55-56
• 4.2 激励线圈和检测线圈设计56-58
• 4.3 硬件性能指标测试58-62
• 4.4 本章小结62-64
• 5 检测系统便携式软件设计与实现64-84
• 5.1 基于UC/OS-II操作系统的软件设计64-81
• 5.1.1 μC/OS-II操作系统概述64-70
• 5.1.2 任务划分与任务优先级70-72
• 5.1.3 软件应用层设计72-81
• 5.2 系统上位机软件设计81-82
• 5.3 本章小结82-84
• 6 检测系统实验测试84-96
• 6.1 检测系统初步功能验证实验84-85
• 6.2 检测系统性能验证实验85-90
• 6.2.1 系统重复性实验测试85-87
• 6.2.2 传感器在不同介质实验测试87
• 6.2.3 系统对不同尺寸传感器实验测试87-88
• 6.2.4 系统低功耗的实验测试88-90
• 6.3 检测系统实用性基础验证实验90-94
• 6.3.1 质量负载变化测试实验90-92
• 6.3.2 长期实时实验92-94
• 6.4 本章小结94-96
• 7 总结与展望96-98
• 7.1 本文总结96-97
• 7.2 工作展望97-98
• 致谢98-100
• 参考文献100-106
• 附录106

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本文编号：1000114