作者:鄭敏,文玉梅,李平,肖庭富
1 引言
磁場測量在醫學、軍事、地質學等方面有廣泛的應用,是現代測量領域的重要組成部分。隨著材料技術的發展,磁致伸縮材料被用作磁場測量的敏感材料,成為磁傳感領域的重要研究內容。B.Frank等人通過在光纖上蒸發一層磁致伸縮材料,由磁致伸縮引起光纖內光傳播的光程發生變化,可以得到較高的磁場測量精度,但該結構極大地破壞了光纖干涉臂內光場偏振態的穩定性,從而使整個光纖弱磁場傳感器的穩定性變差。2005年N.Yoshiza-wa等人研究了用非晶態鐵磁薄帶和石英/LiNbO3復合的磁傳感結構,最高可達60 Hz/Oe的頻率/磁場靈敏度,可用于地磁場測量。而Dong等人研究了用壓電材料和磁致伸縮材料復合,利用磁電效應來測量磁場,可以達到10-9T以上的精度,但該磁電復合材料不適合測量靜態的磁場。
本文將具有極高磁致伸縮效應的GMM和SAW諧振器復合,利用磁場影響GMM產生的大應力應變,作用于SAW諧振器上影響其諧振頻率,從而進行磁場測量。該傳感器結構簡單、成本低,對磁場敏感,可用于靜態和動態磁場測量。由于SAW諧振器本身可以用作無源無線傳感,因此該復合傳感器還可以作為無源、無線磁傳感器使用。
2 復合傳感結構
圖1是SAW諧振器和GMM復合結構的示意圖。在螺栓螺母的作用下GMM、SAW諧振器和硬質剛體材料框架緊密接觸。框架同時起導軌作用,限制SAW諧振器和Terfenol-D只能在長度方向發生形變。調整螺栓的長度可調節施加在超磁致伸縮材料上的預應力,使其在磁場中獲得較大的磁致伸縮。
GMM選用工作在33模式下的Terfenol-D(Tb0.37Dy0.63Fe2),在沿長度方向磁場的作用下,在同方向產生伸縮。由于兩端被緊固,Terfenol-D材料的應力和應變將導致SAW諧振器的諧振頻率發生變化。通過檢測SAW諧振器諧振頻率的變化,可測得外部磁場大小。
3 理論分析
以GMM伸長時,其與SAW諧振器(SAWR)的接觸面向右運動為例,得到受力分析如圖2所示。F和F1是結構兩端受到緊固結構和框架的反作用力;CT,vT,TT,AT分別代表GMM的力阻、振動速度、內部應力和橫截面積;Cs,vs,Ts,As是SAW諧振器基片的力阻、振動速度、內部應力和橫截面積;CTvT和Csvs是由于振動阻尼引起的材料內部的阻力。
對GMM和SAW諧振器,根據牛頓第三定律,分別有
對GMM和SAW諧振器整體進行受力分析,由牛頓第二定律有
式(2)中,mT和mS分別是GMM和SAW諧振器的質量,a是加速度。而GMM和SAW諧振器的應變分別為sT=u/lT,ss=u/ls,u是GMM和SAW諧振器接觸面的位移。對SAW諧振器,由胡克定律有ss=Ts/Es;對GMM,由于只考慮沿長度方向發生的應力應變,故可以根據壓磁方程的標量形式,有
式中,H表示磁場,ES和ET是SAW和GMM的楊氏模量,dm是GMM的動態磁致伸縮系數。由式(1)~(3)可得復合結構的振動方程為
SAW諧振器基片材料發生形變時,其諧振頻率的變化量△f和應變SS的關系式為
其中,fr0為SAW諧振器自由狀態諧振頻率,R為材料常數。由式(4),(5)和拉氏變換可得到該磁傳感器的傳遞函數H(s),令s=jω,代入得到該復合磁傳感器的幅頻特性和相頻特性
采用表1中的材料和器件參數時,可得到復合磁傳感器的幅頻響應如圖3所示。
令,則f0=14.34 Hz,為該復合磁傳感器的截止頻率。因此該復合磁傳感器為低通系統,適合于靜態或低頻動態磁場的測量。
當ω=0,即靜態磁場時,該復合磁傳感器的穩態特性為
定義a為復合磁傳感器的靜態靈敏度,當測量諧振頻率的分辨率一定時,a值越大,該磁傳感器的靈敏度和分辨率越高。由式(8)知,動態磁致伸縮系數dm越大,GMM和SAW諧振器的長度比lT/ls和截面積比AT/As越大,傳感器靈敏度越高。采用表1中的數據,a的理論值為276.4 Hz/Oe。
4 實驗測試
靜態磁場變化范圍從-1300~+1300 Oe,得到實驗結果曲線如圖4所示。由圖4可知,頻率的變化量和磁場大小近似成線性關系。取整個磁場范圍區間[0,1300]Oe計算,傳感器的靈敏度達到123 Hz/Oe;如取磁場范圍區間[250,550]Oe進行計算,傳感器的靈敏度可達190 Hz/Oe。總體地看,該靈敏度比文獻中的非晶態鐵磁薄帶/LiNbO3結構的30 Hz/Oe和非晶態鐵磁薄帶/石英結構的60 Hz/Oe要高。
5 結 論
理論分析和實驗測試表面,用GMM和SAW諧振器復合構成的磁傳感器是一個低通系統,截止頻率約為14.34 Hz;在靜態磁場測量時,最高靈敏度可達190 Hz/Oe。該傳感器結構簡單,成本低,可用于靜態和動態磁場測量。
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