周進(jìn)波，謝志鵬，楊唐勝

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410012)

0 引言

鐵磁材料在中頻段(104～106Hz)可能會(huì)出現(xiàn)尺寸共振或磁—力耦合共振，其共振頻率不僅與材料性質(zhì)和材料尺寸有關(guān)，還受外部環(huán)境的影響，如，溫度［1］、壓力［2］、粘度［1］等。利用鐵磁材料的磁力耦合共振頻率受外部環(huán)境的影響而改變的特性，可制作各種傳感器。為了消除傳感器材料的各向異性，必須外加一個(gè)直流偏置磁場(chǎng)［3］。

外加的直流偏置磁場(chǎng)變化可引起傳感器彈性模量E的變化，即ΔE效應(yīng)。ΔE效應(yīng)導(dǎo)致磁彈性傳感器的共振頻率和振幅發(fā)生變化。本文分析研究了磁彈性傳感器共振頻率的測(cè)量原理，并通過(guò)對(duì)磁彈性傳感器的測(cè)試，分析了ΔE效應(yīng)對(duì)于傳感器共振檢測(cè)的影響，提出了提高磁傳感測(cè)試準(zhǔn)確性的方法。

1 磁彈性傳感器工作原理

傳感器采用磁致伸縮材料制成，是一種非晶態(tài)合金，主要成份是Fe40Ni38Mo4B18，利用鐵磁材料的磁力耦合共振頻率受外部環(huán)境的影響而改變的特性，制作各種生物和化學(xué)微傳感器，如，血液粘度傳感器、胰蛋白酶?jìng)鞲衅?、α—淀粉酶?jìng)鞲衅?、磷酸酯酶活性傳感器等。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量費(fèi)用低，而且是非接觸測(cè)量。

1.1 磁彈性傳感器理論基礎(chǔ)

對(duì)于一個(gè)帶狀磁彈性傳感器來(lái)說(shuō)，將其放置在YZ平面，長(zhǎng)度方向平行于Y軸，寬度方向平行于Z軸，在平行于Y軸方向的中頻段交變磁場(chǎng)作用下，傳感器產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，其中，Y軸方向的位移變化用微分方程表示如下［4］

式中 ρ為傳感器材料密度，uy為在Y軸方向上的伸縮位移，E為楊氏彈性模量，σ為泊松比。方程的解為帶諧波分量的正弦振蕩曲線，諧振頻率可以由式(2)給出(Landau and Lifshitz，1986)

式中 n為諧波次數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮的是傳感器在基頻(n=1)時(shí)的諧振頻率f1。

磁彈性傳感器以式(2)理論關(guān)系式為基礎(chǔ)，研究被測(cè)參量變化引起傳感器的質(zhì)量、振動(dòng)時(shí)的阻尼系數(shù)、應(yīng)力等參數(shù)中某一或多個(gè)參數(shù)變化之間的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量其共振頻率的變化來(lái)反映被測(cè)參量的值。

1.2 磁彈性傳感器共振頻率檢測(cè)方法

本文討論的磁彈性傳感器都是通過(guò)測(cè)量傳感器共振頻率的變化來(lái)反映被測(cè)參量的值。因此，準(zhǔn)確測(cè)量傳感器共振頻率非常關(guān)鍵，磁彈性傳感器共振頻率的測(cè)量方法有3種:頻譜分析法、過(guò)零計(jì)數(shù)法、掃頻檢測(cè)法，本文選用的是掃頻檢測(cè)方法［5］。

傳感器的共振頻率變化范圍是已知的，可以預(yù)設(shè)掃描頻段，用單片機(jī)控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生該頻段內(nèi)的正弦交流掃頻信號(hào)施加到激勵(lì)線圈上，檢測(cè)線圈測(cè)量傳感器對(duì)掃頻信號(hào)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。激勵(lì)信號(hào)頻率越接近傳感器的固有振蕩頻率，傳感器產(chǎn)生的磁致伸縮就越強(qiáng)烈，檢測(cè)線圈中測(cè)得的信號(hào)幅值就越大，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)等于傳感器固有頻率時(shí)，測(cè)得的信號(hào)幅值達(dá)到峰值，如圖1所示。記錄峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的信號(hào)激勵(lì)頻率就是傳感器的固有共振頻率。

由于本文中討論的磁彈性傳感器尺寸較小，因此，將激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈都設(shè)計(jì)到傳感器周圍。為了消除激勵(lì)線圈信號(hào)對(duì)檢測(cè)線圈信號(hào)的影響，設(shè)計(jì)了一種去耦合8字線圈。首先分別在2只瓷管上繞200匝，其中一個(gè)正繞，另一個(gè)反繞，匝數(shù)根據(jù)傳感器尺寸情況決定。然后將2個(gè)線圈并在一起，將2個(gè)線圈的一端引出線短接，2個(gè)線圈另一端2根線引出，這2個(gè)線圈組成一個(gè)去耦合8字線圈作為檢測(cè)線圈。最后在并攏的兩管外繞出一組400匝的激勵(lì)線圈。

圖1 掃頻法檢測(cè)的信號(hào)頻譜Fig 1 Signal spectrum detected by frequency sweeping method

掃頻法測(cè)量過(guò)程:單片機(jī)控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的正弦交流信號(hào)加載到激勵(lì)線圈上，在激勵(lì)過(guò)程中，測(cè)量檢測(cè)線圈的輸出峰值，作為傳感器在該頻率點(diǎn)的響應(yīng)，以一定間隔測(cè)量各頻率點(diǎn)的響應(yīng)，并繪制成幅頻曲線，曲線峰點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率就是傳感器的共振頻率。在傳感器沒(méi)有放入的情況下，檢測(cè)線圈輸出為0，放入傳感器后，檢測(cè)線圈的輸出就是傳感器的響應(yīng)，測(cè)量時(shí)傳感器可以放入任意一個(gè)瓷管中。圖2是采用該方法對(duì)傳感器的實(shí)測(cè)曲線，此傳感器共振頻率為118.18 kHz。

2 ΔE效應(yīng)對(duì)磁傳感器的影響

飽和磁致伸縮系數(shù)λ是描述鐵磁材料磁致伸縮效應(yīng)大小的參量，它指的是材料磁化到飽和狀態(tài)時(shí)，材料所產(chǎn)生的最大的機(jī)械應(yīng)變。從能量系統(tǒng)的角度看，磁致伸縮效應(yīng)的本質(zhì)是使材料的磁系統(tǒng)和彈性系統(tǒng)發(fā)生能量交換。非晶態(tài)合金大多具備高彈性、高磁導(dǎo)率和高磁致伸縮的特性，因而具有很高的磁彈性轉(zhuǎn)換效率。

ΔE效應(yīng)指鐵磁材料的彈性模量E因外加直流磁場(chǎng)的作用而改變的物理現(xiàn)象，即鐵磁材料的彈性模量E比其假想為非鐵磁性狀態(tài)時(shí)的值減少ΔE的現(xiàn)象。

金紀(jì)東［6］通過(guò)對(duì)鐵磁材料無(wú)損檢測(cè)的研究，分析了鐵磁材料機(jī)械振動(dòng)方程，提出了設(shè)置合適的直流偏置磁場(chǎng)，使檢測(cè)線圈中得到最大的感生電動(dòng)勢(shì);陳篤行［7］分析了鐵磁金屬玻璃中直流偏置磁場(chǎng)和磁—力耦合系數(shù)K的關(guān)系，提出了設(shè)置合適的偏置磁場(chǎng)得到較大的K。本文針對(duì)磁彈性傳感的ΔE效應(yīng)，分析直流偏置磁場(chǎng)對(duì)測(cè)試儀結(jié)果的影響。

圖2 磁彈性傳感測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果Fig 2 Measurement result of magneto-elastic sensitive tester

3 磁彈性傳感器測(cè)試分析

本文主要分析直流偏置磁場(chǎng)對(duì)傳感器共振頻率的影響;由于傳感器尺寸和其共振頻率呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，故需考慮傳感器尺寸和其對(duì)應(yīng)最佳直流偏置磁場(chǎng)的關(guān)系，這將為磁傳感器的共振頻率的準(zhǔn)確測(cè)量提供基礎(chǔ)。

3.1 直流偏置電壓對(duì)共振頻率的影響

傳感器尺寸(23 mm×6 mm×28μm)，在交流信號(hào)保持1.5 V不變的條件下，改變直流偏置電壓，測(cè)量共振頻率和共振幅值隨直流偏置電壓變化的關(guān)系，如圖3所示。

從圖中曲線可以看出:傳感器在直流偏置電壓在0.7～2.0 V變化時(shí)，共振幅值增加;直流偏置電壓在2.0～3.0 V變化時(shí)，共振幅值減小。由此可知，偏置電壓為2.0 V時(shí)為最佳的直流偏置電壓點(diǎn);同時(shí)從圖中可以得出磁彈性傳感器共振頻率和直流偏置電壓的關(guān)系。

圖3 直流偏置電壓和傳感器共振頻率、幅值關(guān)系Fig 3 Relationship between DC-bias voltage and resonance frequency and amplitude of sensor

3.2 最佳直流偏置電壓與傳感器尺寸的關(guān)系

改變尺寸長(zhǎng)度，在交流信號(hào)保持1.5 V不變的條件下，測(cè)量磁彈性傳感器的最佳直流偏置電壓、共振頻率以及共振幅值隨尺寸長(zhǎng)度變化的關(guān)系，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1。

表1 傳感器尺寸和最佳直流偏壓、共振頻率及幅值的關(guān)系Tab 1 Relationship between sensor size and optimal DC-bias voltage，resonance frequency and amplitude

首先，分析傳感器尺寸和共振頻率以及共振幅值的關(guān)系，從圖4中可以知道，傳感器尺寸和共振頻率呈近似反比關(guān)系，即傳感器尺寸增加，共振頻率減小，這與公式(2)的理論數(shù)據(jù)是一致的;同時(shí)傳感器的尺寸和共振幅值呈近似正比關(guān)系，即傳感器尺寸增加，共振幅值增加。

圖4 傳感器尺寸和共振頻率及幅值的關(guān)系Fig 4 Relationship between sensor size and resonance frequency and amplitude

接下來(lái)，分析傳感器尺寸和最佳偏置電壓的關(guān)系，從圖5中可以看出:傳感器尺寸和最佳偏置電壓呈近似反比關(guān)系，即傳感器尺寸增加，最佳偏置電壓下降。

圖5 傳感器尺寸和最佳偏置電壓的關(guān)系Fig 5 Relationship between sensor size and the optimal DC-bias voltage

對(duì)傳感器(尺寸:23 mm×6 mm×28μm)施加直流偏置2.0 V(最佳直流偏置電壓)，1.7 V(小于最佳偏置電壓)以及2.3 V(大于最佳偏置電壓)，對(duì)比傳感器施加不同直流偏置電壓時(shí)共振頻率和共振幅值的關(guān)系，此時(shí)交流電壓保持1.5 V，測(cè)量結(jié)果如表2。

從測(cè)試結(jié)果可以看出:直流偏置電壓對(duì)共振幅值和共振頻率的影響較大，共振頻率的變化可達(dá)到數(shù)百赫茲。由此可知，合理選擇最佳直流偏置電壓對(duì)于準(zhǔn)確測(cè)量傳感器共振頻率非常重要。

表2 直流偏置對(duì)共振頻率的影響Tab 2 Influence of DC-bias voltage on resonance frequency

4 結(jié)論

本文深入分析研究了磁彈性傳感器共振頻率的測(cè)量原理，重點(diǎn)分析了直流偏置磁場(chǎng)對(duì)共振頻率的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，提出了傳感器尺寸與最佳直流偏置磁場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為正確選擇傳感器尺寸和最佳直流偏置電壓提供了理論支持。

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