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磁弹性材料共振特性研究以及在液体粘度和重金属离子检测的应用

【摘要】:磁弹性传感器具有高灵敏度、低成本和非接触测量等诸多优势而备受关注,因此在无损检测、生物活体检测、食品安全和环境监测等领域具有巨大的应用前景。本文主要通过实验对磁弹性材料的共振特性进行研究,将磁弹性传感器应用于液体粘度测量和重金属离子检测,并研制了便携式磁弹性传感器共振频率测量装置。论文的主要内容和结论如下:1)搭建了磁弹性材料共振频率测量平台,利用该平台研究了三种磁弹性材料(METGLAS 2826MB、1K107和107K)的共振特性、共振模态、以及直流偏置磁场、交变激励磁场、退火处理、材料长度和扫描点数等可变参数对磁弹性材料共振特性的影响。研究发现:三种磁弹性材料都具有多个共振频率。METGLAS 2826MB在30kHz-280kHz范围具有五个幅值较大的共振峰。低阶(n=1~4)共振峰的共振频率和半高宽度基本成线性分布,而高阶(n=5)则出现非线性变化。直流偏置磁场的方向和大小影响METGLAS 2826MB材料的共振模态。优化交流偏置磁场可提高共振曲线的平滑度,避免产生毛刺和分叉,从而提高共振频率的准确性。提高质量负载的均匀度则可避免磁弹性传感器的错误响应。2)研究了液体粘度对METGLAS 2826MB材料的共振特性的影响,并将nMETGLAS 2826MB材料用于人体血液粘度的测量。通过对比不同共振模态下METGLAS 2826MB材料的共振频率对液体粘度的响应,高频率的共振模态具有更高的灵敏度。3)提出了一种基于Metglas 2826MB材料的置换反应快速检测液体中重金属离子的方法。该方法利用低成本的磁弹性材料,无需任何表面功能化修饰,直接与待测重金属离子溶液接触。通过实验发现:METGLAS 2826MB材料可以与硝酸铅或者硫酸铜溶液发生反应。材料表面铁的含量随着时间不断减少,而铅则不断增加。被置换出来的铅或铜均匀地附着在磁弹性材料表面。METGLAS 2826MB材料的共振频率偏移量随着测试溶液浓度的增加而变大。对于浓度为5mg/ml~25mg/ml的硝酸铅溶液,6mmx3mm×30μm的METGLAS 2826MB材料在150分钟后的共振频率偏移量呈线性变化。4)研制了磁弹性传感器共振频率测量便携式装置。通过实验结果对比分选,验证了样机的可行性。

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