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磁弹性传感器检测仪的设计及优化

【摘要】:磁弹性传感器是一种以超磁致伸缩材料为基底的新型传感器,对磁弹性传感器的基底材料进行涂膜修饰,形成一种新型的生物化学传感器,由于涂膜材料对被测物敏感,因此被测物参量的微弱变化都会引起传感器谐振参数的变化,通过分析传感器的谐振参数变化进行生物化学领域的测量,例如化学物质的分析、溶液浓度及化学反应速率的测定、生物酶浓度测定及活性分析等。 磁弹性传感器的工作原理是基于磁致伸缩现象。当沿传感器轴向施加交流驱动磁场时,磁弹性传感器由于磁致伸缩效应会使交变驱动磁场的磁场能转换为传感器的机械弹性能,产生的弹性能会使磁弹性传感器沿长度方向上产生磁致伸缩受迫振动;受迫振动由于逆磁致伸缩效应影响磁弹性传感器的磁化状态,通过检测线圈可测量其受迫振动;对受迫振动的输出信号进行分析,可以测量磁弹性传感器的谐振参数,当传感器被测物产生变化时其谐振参数将会发生变化。 本文采用的磁弹性传感器谐振参数测量方法为扫频检测法。通过给磁弹性传感器施加已知频率范围的交变驱动磁场,当其频率和磁弹性传感器固有频率相等时,磁弹性传感器的受迫振动幅度达到最大,检测线圈产生的感生电动势值达到最大值,进而实现磁弹性传感器的谐振参数的测量。 本文采用嵌入式ARM-Linux架构来完成磁弹性传感器检测仪的整体设计,不仅可完成检测仪的测量、分析功能,同时可为检测仪提供一个便携式的解决方案。在对磁弹性传感器的激励系统和检测系统设计时,需要充分考虑磁弹性传感器的测量结构来进行合理设计,保证检测仪快速、准确的完成测量功能。 磁弹性传感器的谐振参数不仅与其表面涂膜有关,而且激励信号也会对其产生影响。激励系统中加入直流偏置磁场可以消除磁性材料的“倍频”效应,使材料在磁致伸缩振动时产生一定的预伸量,预伸缩量的大小(与直流偏置磁场的大小相关)会影响磁弹性传感器的振动,进而影响其谐振参数的测量,通过合理的设置直流偏置磁场使磁弹性传感器达到最小共振频率点(被称为最佳直流偏置磁场),此时会提高磁-机系统转换效率;然而,不同尺寸的磁弹性传感器的最佳直流偏置磁场也是各不相同的,针对这一问题,提出了最佳直流偏置磁场选择方法,使检测仪进行传感器谐振参数测量时减小ΔE效应和磁晶各向异性发生变化时对测量的影响,保证测量过程保持在同一最佳状态。

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