Terfenol-D/SAW谐振器/Terfenol-D复合磁传感器

设计了一种由超磁致伸缩材料Terfenol-D和SAW谐振器构成的复合磁传感器,在磁场作用下,Terfenol-D沿长度方向伸缩,并将应力应变传递至SAW谐振器,使其产生应变,造成谐振频率改变,通过测量SAW谐振器谐振频率的变化来测量磁场强度.分析了该磁传感器的传感原理,建立了该复合磁传感器的静态模型,对弹性敏感元件进行了受力分析,根据压磁方程和受力平衡得到该磁传感器的静态特性.实验结果表明:该复合磁传感器灵敏度可达341.6Hz/Oe,较Terfenol-D/SAW谐振器结构灵敏度提高了3倍;测量谐振频率的分辨率为1Hz,SAW谐振器频率稳定度为0.1×10-6时,该磁传感器对磁场的分辨率为10-6T.     

瞬态电流激励下复合材料Terfenol-D/PZT/Terfenol-D磁电响应研究

磁电复合材料在电流传感领域具有极大的应用前景。以Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层合材料为对象,研究了其在方波电流、8/20μs标准雷电流激励下的磁电响应。实验表明材料在方波电流激励的上升、下降沿结束后均以本征频率进行阻尼振荡,同时材料输出电压可以有效跟随电流的上升、下降变化。研究了材料对8/20μs标准雷电流的峰值传感特性,在50 A-3 kA范围内,材料输出电压峰值对感应雷电峰值呈近似线性(R²=0.995 6),灵敏度为6.8 mV/A;同时,随着复合材料与载流导线距离增加,层合材料输出电压逐渐呈指数下降。因此,在实际应用中,为了提高检测精度,Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层合材料与载流导线距离应固定。结果表明：磁电复合材料可用于瞬态电流、雷电流测量领域。     

Terfenol-D/PZT和弹性基板阵列换能器的磁电效应研究

利用共振原理,将磁致伸缩材料(Terfenol-D)、压电材料(PZT-8)复合于弹性基板上构造了一种新型的换能器.当激励磁场的频率等于或者接近于弹性基板的固有频率时,Terfenol-D将驱动弹性基板振动并发生共振,粘结于弹性基板上的压电材料的输出电压将达到最大.实验研究表明,在800 Oe偏置磁场和1Oe交变磁场激励下,在谐振点392 kHz处,阵列结构换能器的最大磁电耦合电压系数和最大输出功率分别达到了235.5 mWOe和2.403μW,相比MP层合结构换能器,分别提高了13.77%和33.7%.     

采用弹性基底的磁电复合结构有限元分析

介绍了一种将磁致伸缩材料和压电材料粘贴于弹性基底上构成的磁电复合结构,并针对Terfenol-D尺寸确定情况下,PZT-5H长度及弹性基底长度对结构一阶纵向谐振时的磁电特性的影响,采用有限元方法进行了优化分析和设计。结果表明:PZT-5H的最优长度与Terfenol-D等长时,弹性基底存在最优长度,可使结构磁电转换系数最高,且改变弹性基底长度可以调整结构的谐振频率,并进行了实验验证。     

铁磁合金/压电材料复合磁电效应研究

利用高机械品质因数的FeNi基弹性合金,构造了不等长的FeNi基弹性合金/压电叠层磁电复合材料。采用等效电路法分析了复合结构的磁电电压系数、谐振频率、机械品质因数和最大输出功率与磁致伸缩—压电层长度比之间的关系。结果表明:磁电电压系数、机械品质因数及最大输出功率随着FeNi基弹性合金长度的增加而增大并趋于常数,谐振频率随着FeNi基弹性合金长度的增加而减小。     

磁致伸缩材料与石英音叉复合低阻尼谐振磁电效应

采用磁致伸缩材料与石英音叉谐振器复合设计了一种低阻尼的谐振式磁电敏感单元。石英音叉工作在弯曲振动模式,音叉叉指结合区域(底部)产生的应力/应变方向相反、弯矩相互抵消,实际为解耦区域。将底部与磁致伸缩材料粘接复合设计谐振式磁电敏感单元的Q值主要取决于音叉谐振器自身的高Q值,磁致伸缩材料的高磁机阻尼被隔离。动态磁场作用下,磁-机-电转换过程可看作一个受迫振动过程,当激励磁场频率接近于音叉谐振频率时,输出电信号最大。实验结果表明:磁电敏感单元Q值高达5 034;谐振磁电电流系数达到799.2 nA/Oe;在接近谐振频率32.774 kHz信号激励下,磁电电流系数相对偏置磁场变化的灵敏度达到5 (nA/Oe)/Oe。     

偏置磁场对超磁致伸缩致动器输出特性的影响分析

采用Terfenol-D棒作为超磁致伸缩致动器GMA(Giant Magnetostrictive Actuator)的主要材料,研制了有偏置磁场和无偏置磁场两种超磁致伸缩致动器,分析了具有分段式永磁偏置和无偏置致动器的结构及性能.基于安培定律、磁路基尔霍夫定律、叠加原理对致动器的磁场进行理论分析.为进一步分析磁场分布,创建三维模型,利用有限元仿真软件对GMA内部磁场进行分析和比较,仿真结果表明:分段式永磁偏置结构致动器能够达到理想的偏置要求,无磁场偏置的致动器在电流作用下磁场分布更均匀.实验结果表明:超磁致伸缩致动器输出位移和力的大小分别与Terfenol-D棒长度、直径呈正相关,施加偏置磁场能够改善超磁致伸缩致动器的动静态输出特性,提高致动器静态输出位移和力的线性度,消除动态输出位移与输出力的倍频现象,提高其输出精度.     

基于磁电复合材料的开合式电流传感器磁芯仿真分析

基于磁电材料的电流传感器设计中,为了提高传感器的精度和灵敏度,通常会采用磁芯来汇聚磁场。基于有限元软件分别对交叉结合面开合式磁芯和平口结合面开合式磁芯中的磁致伸缩层磁感应强度进行了仿真分析。同时,分析了气隙和电流导线位置对不同结合面中磁致伸缩层磁感应强度的影响。根据仿真结果,当气隙距离为0.5 mm时,交叉结合面磁芯中的磁致伸缩层磁感应强度为气隙距离为零时的95.5%,而平口结合面磁芯中的值仅为气隙为零时的4.62%;当导线位置沿着x方向(平行于磁致伸缩层长度方向)一定范围内偏移时,交叉结合面和平口结合面磁芯内的磁致伸缩层的磁感应强度最大误差分别为0.02%和2.71%,当导线位置沿着y方向(垂直于磁致伸缩层长度方向)一定范围内偏移时,最大误差分别为0.33%和8.19%。因此,交叉结合面开合式磁芯更适合作为开合式电流传感器磁芯。     

磁致伸缩器件及其应用研究

介绍了磁致伸缩材料的最新研究方向 ,阐述了磁致伸缩器件在换能传感、驱动及频率控制等方面的应用及近年来所取得的最新成果 ,分析了磁致伸缩器件与应用在上述领域的压电陶瓷器件相比所具有的优点 ,展望了其未来发展趋势     

压电纤维复合材料层合壳的非线性动力学研究

本文对横向激励作用下的1-3型压电纤维复合材料层合壳进行了非线性动力学分析,并研究了压电特性对结构振动响应的影响.首先建立了压电纤维复合材料层合壳的非线性动力学方程,并且在已知的几何结构和材料特性基础上考虑了电场属性.然后根据位移边界条件,选择合适的振型函数,通过Galerkin方法将运动控制方程转化成两自由度的非线性常微分方程.通过数值模拟方法分析了横向激励和压电系数对压电纤维复合材料层合壳非线性振动特性的影响.通过波形图、三维相图、庞加莱图和分叉图等来研究壳体不同类型的周期和混沌运动.结果表明,外激励作用下结构存在复杂的非线性振动响应,同时压电参数对层合壳结构振动响应具有很强的调节作用.     

A magnetoelectric energy harvester and management circuit for wireless sensor network

This paper presents an electromagnetic energy harvesting scheme by using a composite magnetoelectric (ME) transducer and a power management circuit. In the transducer, the vibrating wave induced from the magnetostrictive Terfenol-D plate in dynamic magnetic field is converged by using an ultrasonic horn. Consequently more vibrating energy can be converted into electricity by the piezoelectric element. A switching capacitor network for storing electricity is developed. The output of the transducer charges the storage capacitors in parallel until the voltage across the capacitors arrives at the threshold, and then the capacitors are automatically switched to being in series. More capacitors can be employed in the capacitor network to further raise the output voltage in discharging. For the weak magnetic field environment, an active magnetic generator and a magnetic coil antenna under ground are used for producing an ac magnetic field of 0.2–1 Oe at a distance of 25–50 m. In combination with the supply management circuit, the electromagnetic energy harvester with a rather weak power output (about 20 μW) under an ac magnetic field of 1 Oe can supply power for wireless sensor nodes with power consumption of 75 mW at a duration of 620 ms.     

Magnetostrictive composite-fiber Bragg grating (MC-FBG) magnetic field sensor

We report a magnetostrictive composite-fiber Bragg grating (MC-FBG) magnetic field sensor based on the direct coupling of the magnetostrictive strain in an epoxy-bonded Terfenol-D particle pseudo-1-3 MC actuator with a FBG strain sensor. The MC-FBG sensor exhibits a large and fairly linear quasistatic peak wavelength shift of 0.68 nm under an applied magnetic field of 146 kA/m and a wide extrinsic magneto-optical signal frequency range up to at least 60 kHz. These quasistatic and dynamic characteristics, together with the electromagnetic interference immunity, large-scale multiplexing potential and self-reference capability, enable the application of the MC-FBG sensor in distributed magnetic field sensing over long distances.     

Modeling and control of hysteresis in magnetostrictive actuators

A novel dynamic model is proposed for the hysteresis in magnetostrictive actuators by coupling a Preisach operator to an ordinary differential equation, and a parameter identification method is described. An efficient inversion algorithm for a class of Preisach operators with piecewise uniform density functions is then introduced, based upon which an inverse control scheme for the dynamic hysteresis model is presented. Finally the inversion error is quantified and l₁ control theory is applied to improve the robustness of inverse compensation. Simulation and experimental results based on a Terfenol-D actuator are provided.     

磁致伸缩换能器电气模拟中阻抗圆图的应用研究

分析了磁致伸缩换能器的等效电路模型，并且提出了用阻抗圆图确定换能器电气模拟网络的电气元件参数的计算方法。最后通过对试验数据的分析和采用曲线拟合的方法进一步对阻抗圆图的应用进行说明。     

用于板结构损伤检测的磁致伸缩传感器

基于铁磁性材料的磁致伸缩特性,提出一种用于非铁磁性板结构损伤检测的磁致伸缩传感器。该传感器分为激励和接收两部分,由8字型线圈、镍带以及偏置永磁铁组成。根据磁致伸缩效应,激励部分在板中激励导波,波在板中传播,遇缺陷及边缘反射,通过磁致伸缩逆效应,由接收部分接收其反射信号。根据反射信号的到达时间和波在板中传播的速度,可判断出板中缺陷所在位置。改变恒定偏置磁场与时变磁场的方向可以在板中激励不同波型的导波。实验结果证明:该传感器设计是可行的,且具有价格便宜、灵敏度高、可与被测结构分离等优点。     

基于磁致伸缩器扫频振动的禽蛋检测流水线系统

针对禽蛋运输及储存过程中造成裂纹、散黄等品质问题,设计一种基于磁致伸缩器扫频振动的禽蛋品质检测流水线系统,主要包括机械结构、传感与控制电路以及上位机软件系统.其中驱动电路控制流水线运行,到位检测传感器检测到禽蛋后控制磁致伸缩器对禽蛋进行扫频激振,同时通过麦克风采集禽蛋振动声音,并对采集的音频信号进行Yule-Walker功率谱分析和广义回归神经网络(GRNN,generalized regression neural network)建模,基于LabWindows/CVI开发的上位机软件系统实现禽蛋检测流水线的测控及禽蛋品质辨识和分类.实验表明,所设计的基于磁致伸缩器扫频振动的禽蛋检测流水线系统能够在线高效检测正常蛋、裂纹蛋和散黄蛋,检测速度约1枚/s.