旋转调制型直流磁电传感器研究

发布时间：2020-08-26 14:09

【摘要】：基于压电材料和磁致伸缩材料制作而成的磁电传感器,具有高灵敏度、高分辨率、宽频率范围等优点,但由于压电材料在静态/准静态形变下存在静电泄露和漂移,使磁电传感器难以直接测量直流或超低频磁场。为此国际上提出了磁场调制法和电场调制法,这两种方法能显著提升灵敏度,但需要较大的激励电流或激励电场。因此,本文设计了一种旋转调制方法,可在低压供电条件下通过马达的旋转驱动,进行直流磁场的测量,在磁力勘探、地磁导航、磁法医学诊断等领域有广阔的应用前景。首先,理论上分析了磁电复合材料的频率调制原理,设计了长条形磁电传感器的旋转调制法,对该方法建立数学模型,分析了旋转过程中磁电复合材料灵敏轴上的磁场分量变化,与有限元仿真结果中磁场随角度的关系相吻合,证明此方法具有可行性。针对旋转过程存在的振动噪声,设计了基于归一化最小均方(NLMS)算法的自适应振动噪声消除方法。然后,选择50×16×0.3mm的PZT-5A1压电纤维片和80×10×0.025mm的Metglas 2605 SA1磁致伸缩薄带作为实验材料。经过抽真空、固化、焊接等流程,制备了上下各含1~5层Metglas的对称结构磁电复合材料,并测试了频率响应、最佳偏置磁场、磁电电压系数,根据实验结果分析了Metglas层数对磁电性能的影响,随后确定了用于旋转调制实验的最佳层数磁电复合材料。最后,设计了实验测试平台,包括无磁旋转装置和信号测试装置两部分。在1.5Hz、2Hz、2.5Hz旋转频率下对给定的直流磁场和交流磁场进行了测试,输出信号频谱与理论分析相符,实验结果证明了本文所提出的旋转调制方法具有可行性。以制备好的最佳层数磁电复合材料作为信号传感器,另一片同尺寸的压电纤维作为振动噪声传感器,将二者的输出信号进行自适应振动噪声消除,其结果在保持磁电电压幅值较好线性度的同时还明显降低了噪声,2.5Hz调制时的均方根噪声降至未处理前的7.2%。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212
【图文】：

磁电,颗粒复合,复合方式,层状复合

图 1-1 磁电复合材料常见的复合方式，（a）0-3 型颗粒复合，（b）2-2 型层状复合，（c）1-3 型柱状复合[29]0-3 型颗粒复合和 1-3 型柱状复合一般是通过共烧结实现的，两种材料会产生化学反应，这会使磁致伸缩性能和压电性能降低，而且磁致伸缩材料的低电阻系数会导致漏电流，因此这两种复合方式难以获得较大的磁电响应系数。层状结构磁电复合材料可以由磁致伸缩层和压电层通过粘合剂粘接得到，这种宏观复合的方式不涉及烧结工艺，制备起来十分简单，且具有较大的磁电效应，可以作为高精度磁电传感器的探头。1.2.3 层状磁电复合材料的结构类型层状磁电复合材料按照磁致伸缩层的磁化方向和压电层的极化方向可以分为图1-3 所示的四种基本对称结构[13]。

磁电,对称结构,层状,复合材料

电复合材料常见的复合方式，（a）0-3 型颗粒复合，（b）2-2 型层状复1-3 型柱状复合[29]粒复合和 1-3 型柱状复合一般是通过共烧结实现的，两种材料会会使磁致伸缩性能和压电性能降低，而且磁致伸缩材料的低电阻系因此这两种复合方式难以获得较大的磁电响应系数。层状结构磁电致伸缩层和压电层通过粘合剂粘接得到，这种宏观复合的方式不涉起来十分简单，且具有较大的磁电效应，可以作为高精度磁电传感电复合材料的结构类型电复合材料按照磁致伸缩层的磁化方向和压电层的极化方向可以种基本对称结构[13]。

旋转调制型直流磁电传感器研究

push-pull结构

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