基于逆磁致伸缩效应的压力传感器设计与研究

• 作 者: 崔路飞
• 出 处: 安徽理工大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 维拉里效应 压力传感器 闭合磁路装置 偏置电流 静态特性

超磁致伸缩材料—Giant Magnetostrictive Material(简写为GMM)凭借诸多效应而应用于高尖科技领域,而传感器领域作为现代的前沿科学领域,无论在自动控制方面还是在自动检测中都起着举足轻重的作用,把超磁致伸缩材料与传感器技术相结合一直是国内外研究的课题。维拉里效应是GMM的一个重要特性,应用其特性可以设计成逆磁致伸缩压力传感器,逆磁致伸缩压力传感器和传统的压力传感器相比较,具有过载能力强、抗干扰能力好、适用于比较复杂的环境等优点。因此,本文基于GMM逆效应机理,并结合GMM压力传感器存在漏磁问题,设计出一种闭合磁路装置,在此结构基础上提出了逆磁致伸缩压力传感器的设计方案,论文主要工作内容如下:(1)基于GMM逆效应机理和现有超磁压力传感器不足,设计出一种闭合磁路装置,在此基础上提出了逆磁致伸缩压力传感器的构思方案。通过对维拉里效应的介绍,引入了偏置磁场,在此基础上对偏置线圈参数进行理论计算,并验证出第四章仿真的最佳偏置电流I=2.4A是比较合理的。而且设计了相关的结构,具体包括GMM棒、闭合磁路装置、测量装置等结构,并介绍了它们的功能和用途同时选取了合适的材料。(2)逆磁致伸缩压力传感器的磁路分析与结构优化。首先,对闭合磁路结构进行有限元仿真研究,得出其结构的合理性。然后,对闭合磁路结构中的导磁体长度、圆通磁轭厚度与偏置线圈的长度进行单一优化,在优化的过程中,引入了磁通密度不均匀度η作为衡量标准。最后,通过正交试验对其进行筛选,得出偏置线圈长度对磁通密度不均匀度η影响最大,而圆通磁轭的厚度对试验结果η影响最小,并根据试验结果得出最佳组合方案。(3)逆磁致伸缩压力传感器的理论模型与仿真研究。首先,基于逆磁致伸缩压力传感器的特性建立了传感器理论模型;然后,利用COMSOLMultiphysics软件对预压力、偏置电流进行仿真研究,分别得到不同偏置电流在恒定压力下的GMM棒内部的磁化强度分布云图、不同压力在恒定偏置电流下GMM棒内部的磁化强度分布云图、最佳预压力与最佳偏置电流;在此基础上,对仿真出的数据进行统一化处理,对处理后的数据进行拟合,最后对传感器的灵敏度等静态特性进行研究。图[38]表[12]参[76]