Frank等人通过在光纤上蒸发一层磁致伸缩材料,由磁致伸缩引起光纤内光传播的光程发生变化,可以得到较高的磁场测量精度,但该结构极大地破坏了光纤干涉臂内光场偏振态的稳定性控制工程网版权所有,从而使整个光纤弱磁场传感器的稳定性变差。本文将具有极高磁致伸缩效应的GMM和SAW谐振器复合,利用磁场影响GMM产生的大应力应变,作用于SAW谐振器...
1 引言
磁场测量在医学、军事、地质学等方面有广泛的应用,现代测量领域的重要组成部分。随着材料技术的发展,磁致伸缩材料被用作磁场测量的敏感材料,成为磁传感领域的重要研究内容。B.Frank等通过在光纤上蒸发一层磁致伸缩材料CONTROL ENGINEERING China版权所有,由磁致伸缩引起光纤内光传播的光程发生变化,可以得到较高的磁场测量精度,但该结构极大地破坏了光纤干涉臂内光场偏振态的稳定性控制工程网版权所有,从而使整个光纤弱磁场传感器的稳定性变差。2005年N.Yoshiza-wa等人研究了用非晶态铁磁薄带和石英/LiNbO3复合的磁传感结构,最高可达60 Hz/Oe的频率/磁场灵敏度,可用于地磁场测量。而Dong等人研究了用压电材料和磁致伸缩材料复合,利用磁电效应来测量磁场,可以达到10-9T以上的精度,但该
本文将具有极高磁致伸缩效应的GMM和SAW谐振器复合,利用磁场影响GMM产生的大应力应变,作用于SAW谐振器上影响其谐振频率控制工程网版权所有,从而进行磁场测量。该传感器结构简单、成本低,对磁场敏感控制工程网版权所有,可用于静态和动态磁场测量。由于SAW谐振器本身可以用作无源无线传感,因此该复合传感器还可以作为无源、无线磁传感器使用。
2 复合传感结构
图1是SAW谐振器和GMM复合结构的示意图。在螺栓螺母的作用下GMM、SAW谐振器和硬质刚体材料框架紧密接触。框架同时起导轨作用,限制SAW谐振器和Terfenol-D只能在度方向发生形变。调整螺栓的长度可调节施加在超磁致伸缩材料上的预应力,使其在磁场中获得较大的磁致伸缩。
GMM选用工作在33模式下的Terfenol-D(Tb0.37Dy0.63Fe2),在沿长度方向磁场的作用下,在同方向产生伸缩。由于两端被紧固,Terfenol-D材料的应力和应变将导致SAW谐振器的谐振频率发生变化。通过检测SAW谐振器谐振频率的变化,可测得外部磁场大小。
3 理论分析
以GMM伸长时,其与SAW谐振器(SAWR)的接触面向右运动为例,得到受力分析如图2所示。F和F1是结构两端受到紧固结构和框架的反作用力;CT,vT,TT,AT分别代表GMM的力阻、振动速度、内部应力和横截面积;Cs,vs,Ts,As是SAW谐振器基片的力阻、振动速度、内部应力和横截面积;CTvT和Csvs是由于振动阻尼引起的材料内部的阻力。
对GMM和SAW谐振器,根据牛顿第三定律,分别有
对GMM和SAW谐振器整体进行受力分析,由牛顿第二定律有
式(2)中,mT和mS分别是GMM和SAW谐振器的质量,a是加速度。而GMM和SAW谐振器的应变分别为sT=u/lT,ss=u/ls,u是GMM和SAW谐振器接触面的位移。对SAW谐振器,由胡克定律有ss=Ts/Es;对GMM,由于只考虑沿长度方向发生的应力应变,故可以根据压磁方程的标量形式,有
式中,H表示磁场,ES和ET是SAW和GMM的杨氏模量,dm是GMM的动态磁致伸缩系数。由式(1)~(3)可得复合结构的振动方程为
SAW谐振器基片材料发生形变时,其谐振频率的变化量△f和应变SS的关系式为
其中,fr0为SAW谐振器自由状态谐振频率,R为材料常数。由式(4),(5)和拉氏变换可得到该磁传感器的传递函数H(s),令s=jω,代入得到该复合磁传感器的幅频特性和相频特性
采用表1中的材料和器件数时,可得到复合磁传感器的幅频响应如图3所示。
令,则f0=14.34 Hz,为该复合磁传感器的截止频率。因此该复合磁传感器为低通系统,适合于静态或低频动态磁场的测量。
当ω=0,即静态磁场时,该复合磁传感器的稳态特性为
定义a为复合磁传感器的静态灵敏度,当测量谐振频率的分辨率一定时www.cechina.cn,a值越大,该磁传感器的灵敏度和分辨率越高。由式(8)知,动态磁致伸缩系数dm越大,GMM和SAW谐振器的长度比lT/ls和截面积比AT/As越大,传感器灵敏度越高。采用表1中的数据,a的理论值为276.4 Hz/Oe。
4 实验测试
静态磁场变化范围从-1300~+1300 Oe,得到实验结果曲线如图4所示。由图4可知,频率的变化量和磁场大小近似成线性关系。取整个磁场范围区间[0,1300]Oe计算,传感器的灵敏度达到123 Hz/Oe;如取磁场范围区间[250