傳感和致動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換成另一種容易識(shí)別的信號(hào)或者把一種控制信號(hào)用另外的物理量信號(hào)表達(dá)出來是傳感器/致動(dòng)器的一個(gè)基本特征。而力/電耦合傳感/致動(dòng)效應(yīng)和電/磁耦合傳感效應(yīng)是研究傳感/致動(dòng)效應(yīng)的兩個(gè)重要方面。本文的兩個(gè)部分分別研究了一種力/電場(chǎng)量耦合傳感/致動(dòng)效應(yīng)和一種電/磁場(chǎng)量耦合傳感效應(yīng)傳感器。 在本文第一部分，作者首先建立了能夠同時(shí)考慮壓電層中橫向和縱向電場(chǎng)，層間正應(yīng)力和剪應(yīng)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(shí)壓電傳感/致動(dòng)效應(yīng)，有效地彌補(bǔ)了通常薄膜/基體理論中無法確定層間正應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)奇異方法的強(qiáng)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(duì)一種PZT-5H壓屯傳感/致動(dòng)結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)和力場(chǎng)情況進(jìn)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(dòng)器，在壓電層的左右兩邊界附近，電場(chǎng)強(qiáng)度都有一個(gè)較嚴(yán)重的擾動(dòng)。所以不能簡單的假設(shè)壓電材料層的電場(chǎng)強(qiáng)度為均勻的。在基體和壓電陶瓷層間界面的項(xiàng)部附近，壓電致動(dòng)器的層間正應(yīng)力和層間剪應(yīng)力都有應(yīng)力集中，但由于正應(yīng)力的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于剪應(yīng)力，表明層間正應(yīng)力是層間脫落發(fā)生的主要因素。當(dāng)壓電傳感器厚度增加時(shí)，輸出電壓會(huì)有所增加。壓電傳感器長度增加，輸出電壓也會(huì)有所增加，并且這一變化會(huì)隨壓電片的厚度減少而減小。當(dāng)壓電片厚度為0.01mm時(shí)，長度幾乎不對(duì)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(shí)際應(yīng)用時(shí)必須考慮壓電片長度的影響。 為了進(jìn)一步討論壓電層較厚的情況，作者把壓電層分成多個(gè)厚度相同的細(xì)分子層，進(jìn)一步導(dǎo)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(duì)壓電傳感器、致動(dòng)器的電場(chǎng)，致動(dòng)器的層間力場(chǎng)和傳感器的輸出電壓進(jìn)行了討論。結(jié)果顯示：對(duì)壓電致動(dòng)器，單位電壓加載產(chǎn)生的電場(chǎng)值隨壓電層厚度增加而減少，邊界的電場(chǎng)擾動(dòng)范圍隨壓電層厚度增加而增加；對(duì)

5、壓電傳感器，單位應(yīng)變加載產(chǎn)生的電場(chǎng)值隨壓電層厚度增加只略有減少，邊界的電場(chǎng)擾動(dòng)范圍隨壓電層厚度增加而增加；隨著壓電致動(dòng)器厚度增加，層間應(yīng)力值有所下降。但層厚越大，層間正應(yīng)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(chǎng)傳感效應(yīng)：磁頻傳感效應(yīng)的原理。推導(dǎo)出傳感器輸出頻率變化與穿過電感探頭的磁場(chǎng)變化引起的磁芯磁通率成正比且傳感靈敏度將隨

6、磁場(chǎng)頻率的升高而增加的磁頻傳感效應(yīng)，即△ω≈ω1/-2μ1△μ。用一個(gè)單擺實(shí)驗(yàn)和一個(gè)外加磁場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證了磁頻傳感效應(yīng)傳感器的靈敏度和傳感特性。實(shí)驗(yàn)表明：磁頻傳感器至少能夠檢測(cè)到7.05×10-10Gauss的磁場(chǎng)；能夠有效的反映磁場(chǎng)變化的速度；為標(biāo)量傳感器。并且相對(duì)于其它磁場(chǎng)傳感器，這一傳感器具有以下的特點(diǎn)：能夠同時(shí)測(cè)量動(dòng)態(tài)和靜態(tài)磁場(chǎng)；精度高。在現(xiàn)有磁場(chǎng)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(chǎng)傳感應(yīng)用都沒有必要達(dá)到超過

7、10-8Gauss的靈敏度；價(jià)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(shè)備后甚至可以手持使用。 為了更進(jìn)一步探討磁頻磁場(chǎng)傳感效應(yīng)的應(yīng)用，我們分別探討了利用磁頻傳感效應(yīng)傳感器探測(cè)心臟磁場(chǎng)、腹腔磁場(chǎng)引起的生物磁場(chǎng)變化的可行性。 結(jié)果表明：磁頻傳感器確實(shí)能夠有效的檢測(cè)到心臟和胃部磁場(chǎng)信號(hào)，正確的反映出這些部位磁場(chǎng)的變化；磁頻傳感器測(cè)出的心磁圖信號(hào)與心電圖信號(hào)及SQUID心磁圖信號(hào)非常相似。但磁頻傳感器相對(duì)前