【摘要】：基于壓電材料和磁致伸縮材料制作而成的磁電傳感器,具有高靈敏度、高分辨率、寬頻率范圍等優(yōu)點(diǎn),但由于壓電材料在靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)形變下存在靜電泄露和漂移,使磁電傳感器難以直接測(cè)量直流或超低頻磁場(chǎng)。為此國(guó)際上提出了磁場(chǎng)調(diào)制法和電場(chǎng)調(diào)制法,這兩種方法能顯著提升靈敏度,但需要較大的激勵(lì)電流或激勵(lì)電場(chǎng)。因此,本文設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)調(diào)制方法,可在低壓供電條件下通過馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng),進(jìn)行直流磁場(chǎng)的測(cè)量,在磁力勘探、地磁導(dǎo)航、磁法醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。首先,理論上分析了磁電復(fù)合材料的頻率調(diào)制原理,設(shè)計(jì)了長(zhǎng)條形磁電傳感器的旋轉(zhuǎn)調(diào)制法,對(duì)該方法建立數(shù)學(xué)模型,分析了旋轉(zhuǎn)過程中磁電復(fù)合材料靈敏軸上的磁場(chǎng)分量變化,與有限元仿真結(jié)果中磁場(chǎng)隨角度的關(guān)系相吻合,證明此方法具有可行性。針對(duì)旋轉(zhuǎn)過程存在的振動(dòng)噪聲,設(shè)計(jì)了基于歸一化最小均方(NLMS)算法的自適應(yīng)振動(dòng)噪聲消除方法。然后,選擇50×16×0.3mm的PZT-5A1壓電纖維片和80×10×0.025mm的Metglas 2605 SA1磁致伸縮薄帶作為實(shí)驗(yàn)材料。經(jīng)過抽真空、固化、焊接等流程,制備了上下各含1~5層Metglas的對(duì)稱結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合材料,并測(cè)試了頻率響應(yīng)、最佳偏置磁場(chǎng)、磁電電壓系數(shù),根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了Metglas層數(shù)對(duì)磁電性能的影響,隨后確定了用于旋轉(zhuǎn)調(diào)制實(shí)驗(yàn)的最佳層數(shù)磁電復(fù)合材料。最后,設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),包括無磁旋轉(zhuǎn)裝置和信號(hào)測(cè)試裝置兩部分。在1.5Hz、2Hz、2.5Hz旋轉(zhuǎn)頻率下對(duì)給定的直流磁場(chǎng)和交流磁場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試,輸出信號(hào)頻譜與理論分析相符,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文所提出的旋轉(zhuǎn)調(diào)制方法具有可行性。以制備好的最佳層數(shù)磁電復(fù)合材料作為信號(hào)傳感器,另一片同尺寸的壓電纖維作為振動(dòng)噪聲傳感器,將二者的輸出信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)振動(dòng)噪聲消除,其結(jié)果在保持磁電電壓幅值較好線性度的同時(shí)還明顯降低了噪聲,2.5Hz調(diào)制時(shí)的均方根噪聲降至未處理前的7.2%。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP212
【圖文】：

圖 1-1 磁電復(fù)合材料常見的復(fù)合方式，（a）0-3 型顆粒復(fù)合，（b）2-2 型層狀復(fù)合，（c）1-3 型柱狀復(fù)合[29]0-3 型顆粒復(fù)合和 1-3 型柱狀復(fù)合一般是通過共燒結(jié)實(shí)現(xiàn)的，兩種材料會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，這會(huì)使磁致伸縮性能和壓電性能降低，而且磁致伸縮材料的低電阻系數(shù)會(huì)導(dǎo)致漏電流，因此這兩種復(fù)合方式難以獲得較大的磁電響應(yīng)系數(shù)。層狀結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合材料可以由磁致伸縮層和壓電層通過粘合劑粘接得到，這種宏觀復(fù)合的方式不涉及燒結(jié)工藝，制備起來十分簡(jiǎn)單，且具有較大的磁電效應(yīng)，可以作為高精度磁電傳感器的探頭。1.2.3 層狀磁電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)類型層狀磁電復(fù)合材料按照磁致伸縮層的磁化方向和壓電層的極化方向可以分為圖1-3 所示的四種基本對(duì)稱結(jié)構(gòu)[13]。

電復(fù)合材料常見的復(fù)合方式，（a）0-3 型顆粒復(fù)合，（b）2-2 型層狀復(fù)1-3 型柱狀復(fù)合[29]粒復(fù)合和 1-3 型柱狀復(fù)合一般是通過共燒結(jié)實(shí)現(xiàn)的，兩種材料會(huì)會(huì)使磁致伸縮性能和壓電性能降低，而且磁致伸縮材料的低電阻系因此這兩種復(fù)合方式難以獲得較大的磁電響應(yīng)系數(shù)。層狀結(jié)構(gòu)磁電致伸縮層和壓電層通過粘合劑粘接得到，這種宏觀復(fù)合的方式不涉起來十分簡(jiǎn)單，且具有較大的磁電效應(yīng)，可以作為高精度磁電傳感電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)類型電復(fù)合材料按照磁致伸縮層的磁化方向和壓電層的極化方向可以種基本對(duì)稱結(jié)構(gòu)[13]。

push-pull結(jié)構(gòu)

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