GMM和SAW諧振器復(fù)合磁傳感器設(shè)計與分析

磁場測量在醫(yī)學(xué)、軍事、地質(zhì)學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代測量領(lǐng)域的重要組成部分。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，磁致伸縮材料被用作磁場測量的敏感材料，成為磁傳感領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。B.Frank等人通過在光纖上蒸發(fā)一層磁致伸縮材料，由磁致伸縮引起光纖內(nèi)光傳播的光程發(fā)生變化，可以得到較高的磁場測量精度，但該結(jié)構(gòu)極大地破壞了光纖干涉臂內(nèi)光場偏振態(tài)的穩(wěn)定性，從而使整個光纖弱磁場傳感器的穩(wěn)定性變差。2005年N.Yoshiza-wa等人研究了用非晶態(tài)鐵磁薄帶和石英/LiNbO3復(fù)合的磁傳感結(jié)構(gòu)，最高可達60 Hz/Oe的頻率/磁場靈敏度，可用于地磁場測量。而Dong等人研究了用壓電材料和磁致伸縮材料復(fù)合，利用磁電效應(yīng)來測量磁場，可以達到10-9T以上的精度，但該磁電復(fù)合材料不適合測量靜態(tài)的磁場。
本文將具有極高磁致伸縮效應(yīng)的GMM和SAW諧振器復(fù)合，利用磁場影響GMM產(chǎn)生的大應(yīng)力應(yīng)變，作用于SAW諧振器上影響其諧振頻率，從而進行磁場測量。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，對磁場敏感，可用于靜態(tài)和動態(tài)磁場測量。由于SAW諧振器本身可以用作無源無線傳感，因此該復(fù)合傳感器還可以作為無源、無線磁傳感器使用。
2 復(fù)合傳感結(jié)構(gòu)
圖1是SAW諧振器和GMM復(fù)合結(jié)構(gòu)的示意圖。在螺栓螺母的作用下GMM、SAW諧振器和硬質(zhì)剛體材料框架緊密接觸。框架同時起導(dǎo)軌作用，限制SAW諧振器和Terfenol-D只能在長度方向發(fā)生形變。調(diào)整螺栓的長度可調(diào)節(jié)施加在超磁致伸縮材料上的預(yù)應(yīng)力，使其在磁場中獲得較大的磁致伸縮。

GMM選用工作在33模式下的Terfenol-D(Tb0.37Dy0.63Fe2)，在沿長度方向磁場的作用下，在同方向產(chǎn)生伸縮。由于兩端被緊固，Terfenol-D材料的應(yīng)力和應(yīng)變將導(dǎo)致SAW諧振器的諧振頻率發(fā)生變化。通過檢測SAW諧振器諧振頻率的變化，可測得外部磁場大小。
3 理論分析
以GMM伸長時，其與SAW諧振器(SAWR)的接觸面向右運動為例，得到受力分析如圖2所示。F和F1是結(jié)構(gòu)兩端受到緊固結(jié)構(gòu)和框架的反作用力;CT，vT，TT，AT分別代表GMM的力阻、振動速度、內(nèi)部應(yīng)力和橫截面積;Cs，vs，Ts，As是SAW諧振器基片的力阻、振動速度、內(nèi)部應(yīng)力和橫截面積;CTvT和Csvs是由于振動阻尼引起的材料內(nèi)部的阻力。