傳感和致動裝置-結(jié)構(gòu)中的多物理量耦合問題.pdf

1、利用物理量耦合把一種物理量信號轉(zhuǎn)換成另一種容易識別的信號或者把一種控制信號用另外的物理量信號表達出來是傳感器/致動器的一個基本特征。而力/電耦合傳感/致動效應和電/磁耦合傳感效應是研究傳感/致動效應的兩個重要方面。本文的兩個部分分別研究了一種力/電場量耦合傳感/致動效應和一種電/磁場量耦合傳感效應傳感器。 在本文第一部分，作者首先建立了能夠同時考慮壓電層中橫向和縱向電場，層間正應力和剪應力分布的彈性-壓電結(jié)構(gòu)單層模型。這一模型能

2、夠精確地分析壓電層較薄時壓電傳感/致動效應，有效地彌補了通常薄膜/基體理論中無法確定層間正應力(造成分層起始的主要原因)的缺陷。 為了能夠處理單層模型中的強奇異積分-高階微分方程組，我們發(fā)展了一種包括了數(shù)值積分方法、有限差分方法及弱化強奇異方法的強奇異積分-微分方程組融合數(shù)值解法。 利用這一算法和力-電全耦合單層結(jié)構(gòu)模型，對一種PZT-5H壓屯傳感/致動結(jié)構(gòu)的電場和力場情況進行了分析。結(jié)果顯示：無論壓電陶瓷作為傳感器還是

3、致動器，在壓電層的左右兩邊界附近，電場強度都有一個較嚴重的擾動。所以不能簡單的假設壓電材料層的電場強度為均勻的。在基體和壓電陶瓷層間界面的項部附近，壓電致動器的層間正應力和層間剪應力都有應力集中，但由于正應力的值遠遠大于剪應力，表明層間正應力是層間脫落發(fā)生的主要因素。當壓電傳感器厚度增加時，輸出電壓會有所增加。壓電傳感器長度增加，輸出電壓也會有所增加，并且這一變化會隨壓電片的厚度減少而減小。當壓電片厚度為0.01mm時，長度幾乎不對輸出

4、電壓產(chǎn)生影響。由于壓電片很難做到這樣的厚度，因此實際應用時必須考慮壓電片長度的影響。 為了進一步討論壓電層較厚的情況，作者把壓電層分成多個厚度相同的細分子層，進一步導出了力電耦合多層結(jié)構(gòu)的控制積分-微分方程。并再次用PZT-5H壓電陶瓷為例，對壓電傳感器、致動器的電場，致動器的層間力場和傳感器的輸出電壓進行了討論。結(jié)果顯示：對壓電致動器，單位電壓加載產(chǎn)生的電場值隨壓電層厚度增加而減少，邊界的電場擾動范圍隨壓電層厚度增加而增加；對

5、壓電傳感器，單位應變加載產(chǎn)生的電場值隨壓電層厚度增加只略有減少，邊界的電場擾動范圍隨壓電層厚度增加而增加；隨著壓電致動器厚度增加，層間應力值有所下降。但層厚越大，層間正應力的影響就越大；相同比例的壓電傳感器輸出電壓隨尺寸增加而增加，并且電壓值與尺寸(長度或厚度)近似成線性關(guān)系。 在第二部分中，作者提出了一種新的磁場傳感效應：磁頻傳感效應的原理。推導出傳感器輸出頻率變化與穿過電感探頭的磁場變化引起的磁芯磁通率成正比且傳感靈敏度將隨

6、磁場頻率的升高而增加的磁頻傳感效應，即△ω≈ω1/-2μ1△μ。用一個單擺實驗和一個外加磁場檢測試驗驗證了磁頻傳感效應傳感器的靈敏度和傳感特性。實驗表明：磁頻傳感器至少能夠檢測到7.05×10-10Gauss的磁場；能夠有效的反映磁場變化的速度；為標量傳感器。并且相對于其它磁場傳感器，這一傳感器具有以下的特點：能夠同時測量動態(tài)和靜態(tài)磁場；精度高。在現(xiàn)有磁場傳感器中，只有量子干涉?zhèn)鞲衅鞅戎`敏度高。而絕大多數(shù)磁場傳感應用都沒有必要達到超過

7、10-8Gauss的靈敏度；價格便宜；體積小，使用方便。由于電路簡單，且可以集成，加上屏蔽設備后甚至可以手持使用。 為了更進一步探討磁頻磁場傳感效應的應用，我們分別探討了利用磁頻傳感效應傳感器探測心臟磁場、腹腔磁場引起的生物磁場變化的可行性。 結(jié)果表明：磁頻傳感器確實能夠有效的檢測到心臟和胃部磁場信號，正確的反映出這些部位磁場的變化；磁頻傳感器測出的心磁圖信號與心電圖信號及SQUID心磁圖信號非常相似。但磁頻傳感器相對前