非晶带材巨磁阻抗效应理论建模及在无损检测中的应用

摘要

巨磁阻抗(Giant Magnetoimpedance,GMI)效应是指材料的交流阻抗在外加直流磁场的作用下发生显著变化的现象,利用该效应研制的GMI磁传感器具有灵敏度高、体积小和功耗低等特点,在汽车交通、生物医学等领域具有广阔的应用前景。巨磁阻抗效应中的非对称现象被称为非对称巨磁阻抗(Asymmetric Giant Magnetoimpedance,AGMI)效应,存在直流偏置电流、交流偏置磁场和交换偏置三种工作模式,可以提高制作传感器的灵敏度和线性度。钢缆作为工程中重要的承载构件,其安全使用问题备受关注。目前钢缆无损检测领域迫切需要高灵敏度、低能耗的微型磁传感器出现,而GMI磁传感器同时具备这些特点。探索研究非晶带材GMI效应的传感理论和钢缆无损检测传感应用,对智能传感与新材料技术的发展具有重要的学术价值和实际意义。 基于麦克斯韦(Maxwell)方程组和朗道-栗弗席兹(Landau-Lifshitz)动力学方程,推导出单层均质非晶带材GMI效应高频工作频率下传感用对角电压和非对角电压的数学表达式,计算中,把非晶带材的磁导率和阻抗作为张量,采用符合GMI效应实际情况的边界条件假设,这为非晶带材AGMI效应的理论建模和GMI磁传感器的制作提供了理论基础。 以小能耗的交换偏置为基础,提出AGMI效应三种工作模式同时作用下的非晶带材AGMI效应的物理模型,建立低频和高频工作频率下的理论模型,推导传感用对角电压与非对角电压的数学表达式,并采用功能强大的Matlab软件进行符号和数值的混合计算,分析讨论参数的影响作用。与公开发表的理论模型和实验结果进行比较,证实了所建立理论模型的可靠有效性和兼容性,同时考虑了非晶带材AGMI效应的三种工作模式,可简化具体到不同情况。 把GMI磁传感器引入钢缆无损检测,提出一种新颖的钢缆无损检测传感探头结构,分析传感探头的工作原理,采用磁偶极子模型建立缺陷漏磁场检测的理论模型,对励磁装置的结构进行有限元优化设计,与实验结果进行比较,验证了有限元分析的有效性。针对提出的传感探头结构,对钢缆在线检测时,运动速度与磁路磁力线、钢缆截面涡流分布和缺陷磁场之间的关系进行了数值分析。 选择高热稳定性和性价比的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶纳米晶带材,制作出四端口GMI磁传感器原型,对其输出特性进行测量。根据传感探头结构优化设计结果,制作出一种钢缆无损检测传感探头实验装置,采用制作的GMI磁传感器原型对钢缆表面的断丝和磨损缺陷进行定性和定量检测,在工作区间内,传感器原型对不同尺寸的缺陷给出不同的响应,证实了GMI磁传感器可用于钢缆无损检测的可能性,从而拓宽了非晶纳米晶合金材料和GMI效应的应用范围。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1论文的研究背景及意义

1.2巨磁阻抗(GMI)效应概述及主要影响因素分析

1.2.1 GMI效应概述

1.2.2 GMI效应的主要影响因素分析

1.3 GMI效应的主要建模方法

1.3.1 GMI效应的主要建模方法

1.3.2非对称巨磁阻抗(AGMI)效应的三种工作模式及建模方法

1.4 GMI效应的应用

1.5论文的研究内容及章节安排

第二章单层均质非晶带材GMI效应在高频工作频率下的理论建模

2.1引言

2.2 GMI磁传感器传感结构机理

2.3单层均质非晶带材GMI效应在高频工作频率下的理论建模

2.3.1非晶带材GMI效应的物理模型

2.3.2高频工作频率下磁导率张量的计算

2.3.3磁化强度平衡角θ的计算

2.3.4电场(ey，ez)和磁场(by，bz)的计算

2.3.5对角电压V1和非对角电压V2的计算

2.4与其它模型结果的比较

2.5本章小结

第三章非晶带材AGMI效应在低频工作频率下的理论建模及数值计算

3.1引言

3.2非晶带材AGMI效应的物理模型

3.3非晶带材AGMI效应在低频工作频率下的理论建模

3.4非晶带材AGMI效应在低频工作频率下传感模型的数值计算

3.4.1非对角电压时域特性的分析

3.4.2非对角电压谐波分量的计算

3.5与其它模型结果的比较

3.6本章小结

第四章非晶带材AGMI效应在高频工作频率下的理论建模及数值计算

4.1引言

4.2非晶带材AGMI效应在高频工作频率下的理论建模

4.2.1磁导率张量的计算

4.2.2对角电压V1与非对角电压V2的计算

4.3非晶带材AGMI效应在高频工作频率下传感模型的数值计算

4.3.1工艺参数对传感特性的影响

4.3.2测量参数与传感特性的关系

4.4与其它模型结果的比较

4.5本章小结

第五章基于GMI磁传感器的钢缆无损检测传感探头的结构设计

5.1引言

5.2钢缆无损检测系统设计

5.3钢缆无损检测传感探头的结构及工作原理

5.4励磁装置结构分析

5.4.1励磁装置结构

5.4.2励磁装置磁化效果的有限元仿真与相关实验

5.5传感探头在钢缆在线无损检测中的数值模拟

5.5.1基本理论

5.5.2不同速度时磁路的磁力线和钢缆截面涡流的计算

5.5.3缺陷磁场的计算

5.6本章小结

第六章GMI磁传感器在钢缆无损检测中的应用研究

6.1引言

6.2材料特性

6.2.1材料选择

6.2.2材料特性

6.3非晶纳米晶带材GMI磁传感器原型输出特性实验

6.3.1实验方法

6.3.2实验结果及分析

6.4钢缆缺陷无损检测实验

6.4.1实验方法

6.4.2实验结果及分析

6.5本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致 谢