基于阻抗法的共振型磁弹性传感器阻抗—频率响应应用模型研究

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1、基于阻抗法的共振型磁弹性传感器阻抗-频率响应应用模型研究重庆大学硕士学位论文(学术学位)学生姓名：陈磊指导教师：郑小林教授副导师：廖彦剑副教授专业：生物医学电子与信息技术学科门类：工学重庆大学生物工程学院二O一六年四月Impedance-FrequencyResponseApplicationModelStudyofMagnetoelasticResonanceSensorsBasedonImpedanceMethodAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmen

2、toftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByChenLeiSupervisedbyProf.ZhengXiaolinAssistantSupervisedbyAss.Prof.LiaoYanjianSpecialty：BiomedicalEngineeringCollegeofBioengineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril2016中文摘要摘要磁弹性传感器是一种基于新型超磁致伸缩材料的谐振传感器，其信号的激

3、发和传递都是通过磁场耦合进行的。它具有无线、无源、体积小、灵敏度高等特点，因而在无损检测、生物在体检测等领域具有非常广阔的应用前景。目前针对磁弹性传感器的检测理论研究日益增多，但这些研究大多集中于传感器的振动特性及具体应用特性的分析，较少考虑材料的磁化状态、尺寸等自身因素对传感器响应的影响，而实际应用中这些因素对传感器响应的影响较大。鉴于此，本文提出基于阻抗法的磁弹性传感器应用模型，旨在基于现有的理论基础上通过分析传感器自身因素对传感器响应的影响来更好的指导传感器的设计和实际应用。首先通过分析外磁场对磁弹性传感器的作用推导出传感

4、器的应变和状态方程；然后根据传感器振动特性推导出传感器的阻抗响应；最后通过阻抗响应的等效电路分析传感器的响应特性参数；从而最终初步建立了一个包含偏置磁场、交流激励磁场等实际控制因素和传感器尺寸等本征特征在内的阻抗-频率响应应用模型。为了检验模型的正确性，从偏置磁场、交流激励磁场、尺寸、质量负载四个方面对传感器展开了实验研究，实验结果与模型基本吻合，并且从模型和实验结果可知，实际应用中可以通过设置偏置磁场来提高传感器的响应、能量转换率和质量敏感度；可以通过设置交流激励磁场来降低传感器的磁滞失真并提高响应，并且可以通过合理提高传感器

5、的长度和宽度来提高传感器的响应，等等。这些充分说明了模型的实用性，可通过模型指导磁弹性传感器的设计和实际应用，并初步分析和解决应用中所遇到的问题。最后根据模型和实验研究结果对课题组现有的磁弹性系统软件进行了优化，在原有功能的基础上增加了最佳偏置磁场自动测定、传感器阻抗响应参数计算等功能，简化了磁弹性检测设置操作步骤，使磁弹性检测平台更加自动化、智能化，方便实验和进一步应用研究的开展。关键词：磁弹性传感器，阻抗-频率响应应用模型，实验研究，软件优化I英文摘要ABSTRACTMagnetoelastic(ME)sensorisare

6、sonantsensorbasedonthenovelgiantMEmaterial.Theexcitationandtransmissionofitssignalsarecarriedoutthroughmagneticfieldcoupling.Withthecharacteristicofwireless,passive,smallvolume,highsensitivity,ithasaverybroadapplicationprospectsinnon-destructivetestingandinvivobiolog

7、icaldetectionetc.Currently,althoughthetheoryresearchonMEsensordetectionisincreasing,thoseresearchesmainlyfocusonthevibrationcharacteristicsorspecificapplicationfeatures,thematerialfactorssuchasthemagnetizationandsensorsizewhichgreatlyinfluencethesensorimpedancerespon

8、seareseldomconsidered.Therefore,thispaperproposedanapplicationmodelofMEsensorbasedonimpedancemethod,aimedtodirectthedesignandapplic