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旋转调制型直流磁电传感器研究

【摘要】:基于压电材料和磁致伸缩材料制作而成的磁电传感器,具有高灵敏度、高分辨率、宽频率范围等优点,但由于压电材料在静态/准静态形变下存在静电泄露和漂移,使磁电传感器难以直接测量直流或超低频磁场。为此国际上提出了磁场调制法和电场调制法,这两种方法能显著提升灵敏度,但需要较大的激励电流或激励电场。因此,本文设计了一种旋转调制方法,可在低压供电条件下通过马达的旋转驱动,进行直流磁场的测量,在磁力勘探、地磁导航、磁法医学诊断等领域有广阔的应用前景。首先,理论上分析了磁电复合材料的频率调制原理,设计了长条形磁电传感器的旋转调制法,对该方法建立数学模型,分析了旋转过程中磁电复合材料灵敏轴上的磁场分量变化,与有限元仿真结果中磁场随角度的关系相吻合,证明此方法具有可行性。针对旋转过程存在的振动噪声,设计了基于归一化最小均方(NLMS)算法的自适应振动噪声消除方法。然后,选择50×16×0.3mm的PZT-5A1压电纤维片和80×10×0.025mm的Metglas 2605 SA1磁致伸缩薄带作为实验材料。经过抽真空、固化、焊接等流程,制备了上下各含1~5层Metglas的对称结构磁电复合材料,并测试了频率响应、最佳偏置磁场、磁电电压系数,根据实验结果分析了Metglas层数对磁电性能的影响,随后确定了用于旋转调制实验的最佳层数磁电复合材料。最后,设计了实验测试平台,包括无磁旋转装置和信号测试装置两部分。在1.5Hz、2Hz、2.5Hz旋转频率下对给定的直流磁场和交流磁场进行了测试,输出信号频谱与理论分析相符,实验结果证明了本文所提出的旋转调制方法具有可行性。以制备好的最佳层数磁电复合材料作为信号传感器,另一片同尺寸的压电纤维作为振动噪声传感器,将二者的输出信号进行自适应振动噪声消除,其结果在保持磁电电压幅值较好线性度的同时还明显降低了噪声,2.5Hz调制时的均方根噪声降至未处理前的7.2%。

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