共振型磁弹性传感器检测系统的便携式设计

摘要

磁弹性传感器是利用铁基非晶合金材料制作而成的新型传感器。在外加交变磁场下，由于磁致伸缩效应使传感器发生振动，当传感器的固有频率和交变磁场频率一致时产生共振，此时振幅达到最大值。该共振频率点会随周围的环境变化而发生偏移，如质量负载、应力、粘度等，通过测量检测线圈上感生电动势的变化实现对传感器共振特性检测。在检测过程中，传感器与检测装置之间无电气连接，因而是一种无线无源的传感器，同时传感器还具有耗能低、成本低、高灵敏度等特点。正由于这些优点使磁弹性传感器在物理、生化、生物医学等领域得到了广泛研究。然而目前磁弹性传感器检测系统存在价格昂贵、体积庞大、便携性差、功耗高以及无法长期检测等缺陷，限制了磁弹性传感器的应用前景。
　　针对上述问题，本文提出了一套便携式磁弹性共振型传感器检测系统的设计；首先通过对磁弹性传感器共振模型和检测原理分析，确立了以扫频检测法为检测基础的设计思路，确定了包含电源管理单元、微控制器单元、交流激励单元、数据采集单元、数据存储和传输单元的便携式设计方案，并提出检测系统的具体设计指标。然后根据设计指标完成低功耗硬件功能电路设计和基于μC/OS-II操作系统的控制软件设计。最后结合上位机软件完成整个检测系统的实现。
　　系统设计完成后，利用铁基非晶合金带材1k101制作磁弹性传感器对检测系统进行功能、性能、实用性的实验测试。主要包括空气中传感器响应测试实验，传感器重复测试实验，不同介质测试实验，系统功耗对比测试实验以及检测系统长期监测实用性测试，即完成质量负载测试实验和自来水腐蚀传感器的长时间监测测试实验。实验结果表明，检测系统可以实现对磁弹性传感器共振特性的精确检测，且具有良好的可重复性和可靠性；同时，系统能满足不同环境下的测试实验；与传统的磁弹性传感器检测系统相比，该系统功耗更低、体积更小，为磁弹性传感器检测的研究者提供了一套便携式低功耗磁弹性传感器检测系统设计方案。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究的意义、目的及主要内容

2 磁弹性传感器工作原理

2.1磁致伸缩效应及其表征

2.2磁弹性传感器激励、共振与检测原理

2.3 本章小结

3 磁弹性传感器检测系统便携式设计方案

3.1 检测系统便携式设计基础

3.2 检测系统便携式设计思路

3.3 磁弹性传感器便携式设计方案

3.4 设计指标

3.5 本章小结

4 检测系统便携式硬件设计与实现

4.1 低功耗电路设计

4.2 激励线圈和检测线圈设计

4.3 硬件性能指标测试

4.4 本章小结

5 检测系统便携式软件设计与实现

5.1 基于μC/OS-II操作系统的软件设计

5.2系统上位机软件设计

5.3本章小结

6 检测系统实验测试

6.1 检测系统初步功能验证实验

6.2 检测系统性能验证实验

6.3 检测系统实用性基础验证实验

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 本文总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：