超磁致伸缩加速度传感器的实验分析和信号分析

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1、超磁致伸缩加速度传感器的实验研究和信号分析图1.1扭矩传感器Fig.1.1Torquesensor(2)力、应力及应变检测传感器力和应力传感器广泛应用于诸如车辆主悬挂装置、发动机底座、主振动控制,桥梁负载监测、加工控制、建筑抗震灾害及构件残余应力的检测和有效控制中。利用众多磁致伸缩材料磁导率灵敏于应力这一特性,Kleinke和Uras发明的一种力传感器是利用磁路中电阻抗的变化随应力变化的原理来测量力或应力。它采用了两个磁致伸缩弹性组件并用钢性的端面块固定在适当的位置,结构如图1.2所示，这种传感器已用于自动

2、卸料系统来实现料位的在线监测和实时控制。图1.2磁致伸缩力传感器Fig.1.2Magnetostrictiveforcesensor清华大学学者谢大吉等人采用四极磁探头对工程钢门楼主桁架和超高压厚壁钢管大变形残余应力进行实测,取得了很好的效果。本课题组于2007年建立了超磁致伸缩力传感器的磁-机械强耦合模型，制作了超磁致伸缩力传感器的实验装置，采用高斯计测试了超磁致伸缩力传感器空气隙中的磁感应强度和磁致伸缩棒上施加[6-7]应力的（静态）关系,发现其输入与输出特性具有较好的线性关系。(3)防振、防噪传感器传

3、感器广泛应用于机器人及测震领域,如日本明治大学的学者研究了一种超磁致伸缩防震装置用于原子能发电所的配电管系统,在此基础上还开发了用于建筑施工的防震装置。(4)位移传感器-9基于磁致伸缩效应的微位移传感器已广泛应用于机器人、超精密(准确度达10m)机加工机床、红外线电子束、激光束扫描控制、照相机快门、精密流量控制和原子力显微镜等领域。2河北工业大学硕士学位论文§1-2本课题的选题意义随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测试与控制技术已越来越广泛的应用于航天、航空、常规武器、交通运输、冶金、机械制造、化工、

4、轻工、生物医学、自动检测与计量、称重等技术领域，而且也正逐步引入人们的日常生活中。传感器是实现测试与自动控制的首要环节。工业生产过程的现代化，几乎主要依靠各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。加速度传感器是应用广泛的传感器之一，应用领域很广：可应用在控制，手柄振动和摇晃，振动位移的测量，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；高层建筑结构动态特性和安全保卫

5、振[8-9]动侦察上。加速度传感器种类很多，常用传感器有：压电加速度传感器、压阻式加速度传感器、电容式加[10-13]速度传感器、热对流式加速度传感器。(1)压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器的原理为压阻效应，即半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，因此传感器可通过此原理来感测位移的变化。压阻式加速度传感器结构简单，外形小巧，性能优越，尤其可测量低频加速度。压阻式加速度传感器产生误差的主要原因是温度。由于传感器中扩散电阻的温度系数较大，电阻值随温度变化而变化，引起传感器的零位漂移和灵敏度漂移。零位

6、温度的漂移一般可用串联电阻的方法进行补偿；灵敏度则随温度变化：当温度升高时，压阻系数减小，感测器的灵敏度也随之减小；反之则灵敏度随温度减小而增大。（2）电容式加速度传感器电容式加速度传感器可将非电量的变化转换为电容量变化。其结构中分别由一个可移动的质块与一个相对的固定端作为电容的两极。当外界加速度使可移动极与固定极发生相对位移时，两极间的电容量也会发生变化，通过特殊电路即可将此变化量转换成相对应的输出信号。动态反应时间短是电容式加速度传感器的一个显著优点，它能在几兆赫兹的频率下工作，因此特别适合于动态测量。

7、此外又由于其介质损耗小，可以用较高频率供电，因此系统工作频率高，可以用于测量高速变化的参数。压阻式或热对流式传感器易因外界温度变化而产生零位漂移，而电容式结构则可避免这种问题。电容式加速度传感器的电容值一般与电极材料无关，因此可选择温度系数低的材料；另外传感器本身发热量极小，因此温度对稳定性的影响十分微小。除了上述优点外，电容式加速度传感器还可测极低的加速度和位移（0.01μm以下），灵敏度及分辨力可以做到很高。（3）热对流式加速度传感器热对流式加速度传感器的工作原理是由加速度引起的内部温度变化来测量加速度

8、。其优点在于不会有其它机械方式可能出现的粘连、颗粒等问题，同时能抗受5Kg以上的巨大冲击；此外还有低3超磁致伸缩加速度传感器的实验研究和信号分析成本方面的优势。热对流式的设计也有其自身的缺点。相对于电容式方案，它的功耗较大；目前热对流式加速度传感器也只能做到二轴的方向性。热对流式方案的工作原理决定了它必然对环境温度变化比较敏感，容易产生零点温漂和灵敏度温度漂移；而且频率反应也不能太快，一般小于35Hz。（4）压电