基于微弱应变测量的磁致伸缩传感器的研制

摘要

具有磁致伸缩性能的各种材料能够使电磁能、机械能、声能等多种形式的能量进行相互转换，所以磁致伸缩材料就成为了实现信息与能量相互转换的一种十分重要的特殊材料。磁致伸缩材料可以在换能器技术开发、智能机翼制造、机器人研发以及微位移致动机器等多种高科技领域内推广和应用，是二十一世纪能够提升国家竞争力的特殊功能性材料。因此发展高性能磁致伸缩微弱应变测量传感器尤为重要。 为了更好地解决磁致伸缩传统测试仪器中误差过大、体积过大、操作过复杂及价格过高等问题，本文主要针对微弱应变测量的磁致伸缩传感器的设计和制作进行研究具体内容如下： （1）分析了现有关于磁致伸缩系数测量的具体方法，从传统的磁致伸缩系数计算公式出发，结合应变片测量法、整体代换方法及惠更斯电桥法，提出了一种较好的非平衡电桥法来测定磁致伸缩系数，能够在稳定和精确地获取磁致伸缩系数的同时达到传统大型磁致伸缩测试仪器的精度，比一些传统大型磁致伸缩测试仪器所使用的平衡电桥法更加稳定快捷和方便。 （2）在上述方法的基础上，结合放大器、ARM单片机、稳压模块、屏蔽线、电源和半导体应变片，成功地设计并制作出一种可以用于微弱应变精准测量的传感器，其信号处理装置可以将所测得到的具体模拟量经过转换变成数字量，并设计出控制、电源、显示、放大和测量模块，同时设计复位、测量、数据表显示、清屏、显示字、显示字母数据制点和曲线绘制等程序，这些程序可以运用到单片机的算法处理中。另外，该传感器能够实现连续测量、同步实时测量和无损测量磁致伸缩材料的磁致伸缩系数，其微弱变化测量精度高达10-6m，已经达到了光干涉法装置测量的精度。 （3）利用上述传感器获得了在295K的温度下，0～60mT磁场中Fe-Ga合金材料的关系曲线，并建立了磁致伸缩系数与磁场的关系公式。其实验结果表明，这一传感器能够非常稳定并且精确地测量出磁致伸缩系数。这个测量结果与平衡电桥法的测量结果相比，不论是在数据分析及绘图结果上，还是在传感器的测量结果上都显得更加稳定。

目录

声明

1 绪论

1.1 应变测量传感器的研究现状

1.1.1 测量传感器的分类

1.1.2 应变传感器的国内外研究现状

1.2 稀土磁致伸缩材料的应用现状

1.2.1 关于稀土磁致伸缩材料研究现状

1.2.2 现今市场上磁致伸缩测试仪应用现状

1.3 选题的意义及主要研究内容

1.3.1 选题的意义

1.3.2 主要研究内容

2 制作微弱应变测量传感器的基础理论

2.1 应变测量基础理论

2.1.1 应变传感器简介

2.1.2 应变片的结构及工作原理

2.1.3 应变测量精度影响因素

2.2 磁致伸缩系数的测量方法

2.2.1 Fe-Ga合金的磁致伸缩应变机制

2.2.2 磁致伸缩系数测量方式

2.2.3 惠斯通电桥的测量原理

2.3 本文传感器电桥测量的理论设计与研究

2.3.1 改进之后的电桥测量原理

2.3.2 改进后平衡电桥测量磁致伸缩系数λ

2.3.3 本传感器使用的改进后非平衡电桥测量磁致伸缩系数λ

2.4 微弱应变测量传感器的设计制作理论基础

2.5 本章小结

3 微弱应变测量传感器的制作

3.1 微弱应变测量传感器装置设计

3.1.1 微弱应变测量传感器结构示意图

3.1.2 传感器测量电路结构设计

3.1.3 传感器的电源模块电路设计

3.1.4 传感器的显示模块接口设计

3.1.5 传感器的放大模块电路设计

3.2 微弱应变测量传感器程序流程图

3.2.1 复位程序流程图

3.2.2 测量程序流程图

3.2.3 数据表显示程序流程图

3.2.4 清屏程序流程图

3.2.5 数据制点程序流程图

3.2.6 曲线绘制程序流程图

3.3 微弱应变测量传感器仿真原理图

3.4 微弱应变测量传感器标定

3.5 传感器的装置和技术特点

3.6 微弱应变测量传感器内部具体工作方式

3.7 微弱应变测量传感器实施方式

3.8 本章小结

4 微弱应变测量传感器的实验分析

4.1 传感器实验过程

4.1.1 传感器实验测量过程

4.1.2 微弱应变测量传感器制作使用注意事项

4.2 传感器测量结果及分析

4.2.1 基础曲线的测量

4.2.2 传感器测量曲线与标准曲线对比分析

4.2.3 传感器测量精度分析

4.3 传感器测量结果与电桥法测量结果对比分析

4.3.1 与平衡电桥法测量结果对比分析

4.3.2 与非平衡电桥法测量结果对比分析

4.3.3 平衡电桥法与非平衡电桥法测量磁致伸缩系数综合比较分析

4.4 传感器测量结果微观机理的研究分析

4.5 传感器测量结果综合效果的研究分析

4.6 本章小结

5 结论

5.1 总结展望

5.2 存在的不足

参考文献

在校期间参加课题及成果

致谢