退磁場(chǎng)對(duì)磁致伸縮應(yīng)力耦合諧振磁傳感器靈敏度的影響研究*

張 闖，卞雷祥，石 昱，黃子軍

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

常見(jiàn)的磁致伸縮材料有鋱鏑鐵合金(Terfenol-D)、Galfenol 合金、鐵鈷釩合金和鐵鎳合金等，其中鋱鏑鐵合金和Galfenol 合金具有高磁致伸縮系數(shù)、壓磁系數(shù)[1-3]，常被用于設(shè)計(jì)高性能的磁場(chǎng)傳感器[4-5]。將磁致伸縮材料與壓電材料復(fù)合得到磁電敏感器件。 Bush 等[6]將磁致伸縮材料FeGa 與壓電材料PZT 復(fù)合，利用磁致伸縮層的磁致伸縮效應(yīng)和壓電層的壓電效應(yīng)的乘積特性來(lái)實(shí)現(xiàn)磁電性能轉(zhuǎn)換，磁電電壓系數(shù)達(dá)到8.7 V/cmOe。 Espinosa 等[7]制備了Galfenol/BaTiO3、CoFe2O4/BaTiO3和Terfenol-D/BaTiO3復(fù)合材料，磁電電壓系數(shù)分別為1.6 V/cmOe、0.2 V/cmOe和0.3 V/cmOe，由Galfenol 合金組成的復(fù)合材料具有更高的磁電電壓系數(shù)。 Dong 等[8]采用環(huán)形的Terfenol-D/PZT 復(fù)合磁電材料設(shè)計(jì)成一種圓環(huán)形的磁場(chǎng)傳感器，復(fù)合磁電材料的靈敏度為2.2 V/Oe，最小可探測(cè)磁場(chǎng)為6×10-12T。 Caponero 等[9]設(shè)計(jì)了Galfenol/FBG 光柵復(fù)合的磁場(chǎng)傳感器，嵌入FBG光柵的光纖通過(guò)膠水粘合在Galfenol 合金上，在一定的磁場(chǎng)下，Galfenol 產(chǎn)生的磁致伸縮位移傳遞到FBG 光柵使其波長(zhǎng)改變，通過(guò)對(duì)Galfenol 合金施加機(jī)械應(yīng)力達(dá)到控制測(cè)量范圍的目的，磁場(chǎng)檢測(cè)范圍增加了幾十kA/m。 按磁荷的觀點(diǎn)，磁致伸縮材料磁化時(shí)將在兩端面產(chǎn)生磁荷，材料內(nèi)部產(chǎn)生退磁場(chǎng)減弱磁化[10]，退磁場(chǎng)的大小與磁化強(qiáng)度的大小成正比，而退磁因子Nd的大小只與磁體的磁導(dǎo)率和尺寸比有關(guān)。 Apicella 等[11]考慮到施加機(jī)械應(yīng)力帶來(lái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，在之前的研究基礎(chǔ)[9]上通過(guò)調(diào)整Galfenol 合金棒的長(zhǎng)徑比控制退磁場(chǎng)的大小，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)Galfenol/FBG 光柵復(fù)合的磁場(chǎng)傳感器磁場(chǎng)檢測(cè)范圍的控制，結(jié)果表明長(zhǎng)度為10 mm、直徑為4 mm，長(zhǎng)徑比為2.5 的Galfenol/FBG 光柵復(fù)合的磁場(chǎng)傳感器磁場(chǎng)檢測(cè)范圍可達(dá)125 mT，比長(zhǎng)度為50 mm、直徑為5 mm，長(zhǎng)徑比為10 的磁場(chǎng)檢測(cè)范圍增大了約4 倍。 Loyau 等[12]研究了厚度和體積比不同的ferrite/PZT/ferrite 層合材料退磁場(chǎng)對(duì)磁電電壓系數(shù)的影響，當(dāng)層合材料厚度減小及體積比增大時(shí)退磁場(chǎng)減小，磁電電壓系數(shù)增大。 Pan 等[13-14]研究了形狀和尺寸對(duì)Ni/PZT/Ni 層合材料磁電電壓系數(shù)的影響，正方形樣品的退磁因子小于三角形樣品，因此，正方形樣品的磁電電壓系數(shù)可達(dá)40 V/cmOe，是三角形樣品的2.7 倍，而當(dāng)形狀相同，樣品的長(zhǎng)度增長(zhǎng)時(shí)退磁因子減小，磁電電壓系數(shù)隨之增大。 Du等[15]通過(guò)對(duì)比FeGa/BaTiO3/FeGa 層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)中無(wú)退磁場(chǎng)的環(huán)狀樣品和有退磁場(chǎng)的實(shí)心碟片樣品的磁電性能，研究退磁場(chǎng)對(duì)其磁電性能的影響，無(wú)退磁場(chǎng)的環(huán)狀樣品在340 Oe 的偏置磁場(chǎng)下磁電電壓系數(shù)達(dá)到最大約220 mV/cmOe，有退磁場(chǎng)的實(shí)心碟片樣品在750 Oe 的偏置磁場(chǎng)下磁電電壓系數(shù)達(dá)到最大約62.5 mV/cmOe，因此，采用閉環(huán)的方式也可以提高磁電復(fù)合材料的磁電電壓系數(shù)。

Bian 等[16]設(shè)計(jì)了一種FeGa/石英音叉復(fù)合諧振式磁場(chǎng)傳感器，在一定的直流磁場(chǎng)下，磁致伸縮層產(chǎn)生的磁致伸縮力傳遞到雙端固定音叉，從而改變雙端固定音叉的諧振頻率，通過(guò)對(duì)諧振頻率進(jìn)行測(cè)量即可測(cè)量磁場(chǎng)，靈敏度為3.5 Hz/Oe。 本文采用退磁因子計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式與Maxwell 電磁仿真相結(jié)合，分析了不同長(zhǎng)度FeGa 磁致伸縮合金的退磁因子，并將退磁因子代入非線性磁致伸縮模型，預(yù)測(cè)了退磁場(chǎng)對(duì)FeGa 合金磁致伸縮性能和FeGa/石英音叉諧振器復(fù)合諧振式磁場(chǎng)傳感器靈敏度的影響。 利用多種不同長(zhǎng)度FeGa 合金與石英音叉諧振器復(fù)合制備諧振式磁場(chǎng)傳感器樣件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)結(jié)果基本吻合。

1 應(yīng)力耦合諧振式磁場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)及原理

設(shè)計(jì)的諧振式磁敏感單元的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由不同長(zhǎng)度的FeGa 合金片(10.6 mm×1.4 mm×0.6 mm、20 mm×1.4 mm×0.6 mm、30 mm×1.4 mm×0.6 mm)，兩個(gè)石英墊片以及一個(gè)雙端固定音叉(Double-ended tuning fork，DETF)諧振器復(fù)合組成。在長(zhǎng)度方向(縱向)磁場(chǎng)作用下，F(xiàn)eGa 合金由于磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生縱向磁致伸縮應(yīng)力，該應(yīng)力通過(guò)石英墊片傳遞到石英音叉諧振器縱向，導(dǎo)致音叉諧振器的諧振頻率發(fā)生改變。 DETF 石英音叉的兩根梁作180°反相、對(duì)稱的彎曲振動(dòng)，從而兩個(gè)梁在末端結(jié)合處所產(chǎn)生應(yīng)力和力矩相抵消，不會(huì)傳遞到音叉兩端的固定區(qū)域。 石英音叉諧振器的這個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也決定了復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)中磁致伸縮材料的磁機(jī)阻尼被隔離，不會(huì)傳遞到音叉諧振器，從而復(fù)合諧振式磁傳感器的Q 值主要取決于石英音叉諧振器。 采用傳統(tǒng)的四電極方法設(shè)計(jì)了音叉振梁的涂布電極，即可使音叉工作于所需要的彎曲振動(dòng)模態(tài)[16]。

圖1 諧振式磁敏感單元結(jié)構(gòu)

可以采用門振蕩電路激勵(lì)音叉諧振器產(chǎn)生振蕩信號(hào)輸出[17]，輸出信號(hào)為準(zhǔn)數(shù)字頻率信號(hào)(方波)，其頻率值由音叉諧振器決定。 雙端固定石英音叉諧振器的尺寸如表1 所示，具體的設(shè)計(jì)過(guò)程和制備工藝可參考Bian 等前期發(fā)表的論文[16]。

表1 DETF 諧振器尺寸

FeGa 合金具有非線性磁致伸縮特性，根據(jù)鄭曉靜等提出的非線性磁致伸縮本構(gòu)模型(Z-L 模型)[18]，得到僅考慮零預(yù)應(yīng)力(σ=0)時(shí)的磁致伸縮系數(shù)表達(dá)式:

在靜態(tài)磁場(chǎng)Hext作用下，磁致伸縮材料產(chǎn)生的磁致伸縮力為:

式中:Em和S分別為磁致伸縮材料在磁場(chǎng)H時(shí)的彈性模量和應(yīng)變，Am為磁致伸縮材料的橫截面積。 由于粘膠層的彈性模量遠(yuǎn)小于DETF 諧振器、石英墊片和FeGa 合金，所以磁致伸縮力Fm傳遞給DETF諧振器過(guò)程中，膠層不可避免發(fā)生剪切形變，故在傳遞過(guò)程中存在損失。 假設(shè)傳遞效率為β(0≤β≤1)，結(jié)合式(3)、式(4)，實(shí)際上作用到音叉諧振器縱向的力為:

雙端固定石英音叉諧振器的兩個(gè)梁工作在180°反相對(duì)稱的彎曲振動(dòng)模式。 對(duì)于一個(gè)彎曲振動(dòng)的梁，其諧振頻率fr與梁長(zhǎng)度方向所受力F的關(guān)系為[19]

式中:

Eb=86 GPa 和ρ=2 650 kg/m3分別為石英梁的楊氏模量和密度[16]；l，h和b分別為梁的長(zhǎng)度，厚度和寬度；αn、γn為常數(shù)，在基頻振動(dòng)模態(tài)下，α0和γ0分別為4.730 00 和0.294 93；f0為梁在長(zhǎng)度方向受力為零時(shí)的諧振頻率。

2 退磁場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)傳感器的影響分析

磁致伸縮材料FeGa 合金在外加磁場(chǎng)Hext中磁化時(shí)，在磁體內(nèi)部產(chǎn)生退磁場(chǎng)，其方向與磁化場(chǎng)方向相反，導(dǎo)致磁致伸縮材料內(nèi)部的實(shí)際磁場(chǎng)H與外加磁場(chǎng)Hext不相等，實(shí)際磁場(chǎng)H如下式所示:

H=Hext-NdM(8)

式中:M為磁化強(qiáng)度，Nd為退磁因子。

只有在磁體是橢球體時(shí)退磁因子才有唯一確定的值，在其他形狀下因退磁場(chǎng)不均勻分布，只能取近似值和平均值[20-21]。 根據(jù)B=μ0μH=μ0(H+M)和式(8)得:

Aharoni 和Prozorov 通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法[22-23]分別給出了長(zhǎng)方形磁體退磁因子跟形狀尺寸的近似公式，如式(10)所示:

式中:c為磁體的長(zhǎng)度，a、b分別為磁體的厚度和寬度所示。 實(shí)際應(yīng)用中，a、b比c小一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以式(10)分母中的4ab可忽略，并假設(shè)b=γa，即寬度為厚度的γ倍，可得:

由式(11)可知退磁因子的大小與磁體的長(zhǎng)度成反比，當(dāng)磁體截面積的寬度和厚度呈一定的比例關(guān)系時(shí)，與厚度和長(zhǎng)度的比值成正比。 Chen 等[24]不僅考慮了磁體形狀尺寸對(duì)退磁因子的影響，還研究了磁導(dǎo)率對(duì)磁體退磁因子的影響，即磁導(dǎo)率越大時(shí)退磁因子越小，通過(guò)查表的方式獲得退磁因子的近似值。

作為對(duì)比研究，使用Maxwell 電磁仿真軟件對(duì)FeGa 合金的磁化特性進(jìn)行仿真，以計(jì)算退磁因子。設(shè)計(jì)FeGa 合金的尺寸為10.6 mm×1.4 mm×0.6 mm、20 mm×1.4 mm×0.6 mm、30 mm×1.4 mm×0.6 mm，仿真取FeGa 合金得相對(duì)磁導(dǎo)率為120，施加150 Oe 的均勻磁場(chǎng)，得到不同長(zhǎng)度FeGa 合金內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度沿長(zhǎng)度方向的分布曲線如圖2 所示，可以看出，由于退磁場(chǎng)的作用，雖然外加磁場(chǎng)是均勻的，F(xiàn)eGa 合金內(nèi)部的實(shí)際磁感應(yīng)強(qiáng)度分布并不均勻，呈兩端磁感應(yīng)強(qiáng)度小、中間磁感應(yīng)強(qiáng)度大的分布趨勢(shì)，與退磁場(chǎng)兩端大中間小的分布趨勢(shì)對(duì)應(yīng)。 將內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B、μ=120 及Hext=150 Oe 代入式(9)，得到不同尺寸FeGa 的退磁因子如表2 所示。

圖2 不同尺寸FeGa 合金內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度沿長(zhǎng)度方向的分布

表2 仿真參數(shù)與仿真結(jié)果

考慮退磁場(chǎng)對(duì)不同長(zhǎng)度FeGa 合金內(nèi)部有效磁場(chǎng)的影響，將廠家提供的FeGa 合金材料參數(shù):Em=107 GPa、λS=280×10-6、χm=177 及Ms=1.45×106A/m代入式(3)，結(jié)合式(8)，得到磁致伸縮系數(shù)和壓磁系數(shù)隨磁場(chǎng)變化的曲線，如圖3 所示。 可以看出，對(duì)于長(zhǎng)度越長(zhǎng)的FeGa 合金，退磁因子越小，磁致伸縮系數(shù)隨磁場(chǎng)增大越快、曲線越陡峭，即壓磁系數(shù)越大，并且壓磁系數(shù)取得最大值時(shí)所需的磁場(chǎng)越小。對(duì)于10.6 mm 長(zhǎng)的FeGa 合金，壓磁系數(shù)在230 Oe時(shí)取得最大值0.73×10-6/Oe，磁致伸縮系數(shù)線性區(qū)范圍約為150 Oe～320 Oe；對(duì)于20 mm 長(zhǎng)的FeGa 合金，壓磁系數(shù)在120 Oe 時(shí)取得最大值1.16×10-6/Oe，磁致伸縮系數(shù)線性區(qū)范圍約為80 Oe ～200 Oe；對(duì)于30 mm 長(zhǎng)的FeGa 合金，壓磁系數(shù)在65 Oe 時(shí)取得最大值1.64×10-6/Oe，磁致伸縮系數(shù)線性區(qū)范圍約為40 Oe～110 Oe。

圖3 不同尺寸FeGa 合金的磁致伸縮系數(shù)和壓磁系數(shù)隨磁場(chǎng)變化曲線

在理想情況下β=1，即音叉應(yīng)變等于FeGa 合金產(chǎn)生的應(yīng)變，聯(lián)立式(5)、式(6)和式(8)，得到不同長(zhǎng)度磁致伸縮單元的傳感器輸出頻率及靈敏度隨磁場(chǎng)變化曲線，如圖4 所示。 可以看出，退磁因子越小(即長(zhǎng)度越長(zhǎng))，頻率隨磁場(chǎng)增大越快、曲線越陡峭，即靈敏度越大，并且靈敏度取得最大值時(shí)所需的磁場(chǎng)越小，對(duì)應(yīng)地，當(dāng)退磁因子越小，磁敏感單元的線性工作區(qū)范圍越小。 對(duì)于10.6 mm 長(zhǎng)的磁敏感單元，傳感器在230 Oe 時(shí)靈敏度取得最大值4.2 Hz/Oe，線性區(qū)范圍約為150 Oe ～320 Oe；對(duì)于20 mm 長(zhǎng)的磁敏感單元，傳感器在120 Oe 時(shí)的靈敏度取得最大值6.7 Hz/Oe，響應(yīng)線性區(qū)范圍約為80 Oe～200 Oe；對(duì)于30 mm 長(zhǎng)的磁敏感單元，傳感器在65 Oe時(shí)的靈敏度取得最大值9.5 Hz/Oe，響應(yīng)線性區(qū)范圍約為40 Oe～110 Oe。

圖4 不同尺寸磁敏感單元頻率和靈敏度對(duì)磁場(chǎng)的理論響應(yīng)曲線

3 器件制備及實(shí)驗(yàn)

首先準(zhǔn)備好傳感器制備所需的各個(gè)元件，主要包含:①通過(guò)光刻、濕法蝕刻等工藝在Z 切型石英晶體基片上制備的石英音叉諧振器，制作過(guò)程與文獻(xiàn)[16]類似；②從Z 切型石英片上切下尺寸為1.8 mm×1.4 mm×0.1 mm 的墊片；③采用線切割工藝從定向凝固制備的FeGa 合金塊體中切割出FeGa合金片，并對(duì)表面進(jìn)行磨拋處理。 因?yàn)樗檬⒁舨嬷C振器的長(zhǎng)度為10.6 mm、寬度為1.4 mm，厚度為0.1 mm， 因 此FeGa 合 金 的 最 短 長(zhǎng) 度 取 值 為10.6 mm，較長(zhǎng)的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為20 mm 和30 mm，寬度相同為1.4 mm，為了獲得較大的驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)eGa 合金的厚度取值0.6 mm，為被驅(qū)動(dòng)石英音叉諧振器厚度的6 倍。 在這樣的配置下，退磁因子分別為0.018、0.007、0.002，呈現(xiàn)較大的變化梯度。

對(duì)各組成部件清洗、烘干后，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠將兩個(gè)石英墊片分別粘貼在距FeGa 合金片中心5.3 mm 處(中心對(duì)稱，石英墊片距10.6 mm、20 mm、30 mm 長(zhǎng)度的FeGa 合金片兩端距離分別為0 mm、4.7 mm、9.7 mm)，之后放入烤箱中，緩慢升溫至60 ℃后恒溫烘烤1 h，然后緩慢降至室溫取出；再通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠將音叉固定端粘接在石英墊片上制成不同尺寸的復(fù)合諧振式磁敏感單元，再放入烤箱升至60 ℃保溫1 h 后取出，得到如圖5(a)所示的不同尺寸的磁傳感器敏感元件。 帶振蕩電路的磁傳感器敏感元件如圖5(b)所示。

圖5 不同尺寸的磁傳感器敏感元件和帶振蕩電路的磁傳感器敏感元件

諧振式磁傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)如圖6 所示，主要由亥姆霍茲線圈、F2030 程控電流源(北京樂(lè)真科技有限公司，60 V、10 A)、HSPY600 穩(wěn)壓源、振蕩電路、Agilent53210A 頻率計(jì)組成。 程控電流源輸出電流驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換系數(shù)為28 Oe/A 的亥姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，HSPY600 穩(wěn)壓源給振蕩電路供電，振蕩電路輸出信號(hào)的頻率值由Agilent53210A 頻率計(jì)測(cè)量，采用Labview 編制程序?qū)崿F(xiàn)電流源輸出電流控制和頻率計(jì)數(shù)據(jù)讀取。 測(cè)試時(shí)，首先控制電流源輸出電流按照從0→10 A→0→-10 A→0 的規(guī)律變化，測(cè)得±280 Oe 磁場(chǎng)范圍內(nèi)諧振頻率隨磁場(chǎng)變化的曲線。傳感器的靈敏度是諧振頻率對(duì)磁場(chǎng)的一階導(dǎo)數(shù)，通過(guò)測(cè)試曲線差分計(jì)算獲得。

圖6 諧振式磁傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)

4 結(jié)果及討論

首先采用示波器觀測(cè)門振蕩電路輸出的波形，如圖7 所示。 基于音叉諧振器的門振蕩電路能輸出穩(wěn)定的方波信號(hào)，其頻率值為37.34 kHz，主要取決于音叉諧振器的諧振頻率。

圖7 門振蕩電路輸出方波信號(hào)

其次，測(cè)得不同長(zhǎng)度的諧振磁傳感器的諧振頻率隨偏置磁場(chǎng)變化曲線，如圖8(a)所示，測(cè)試范圍為±280 Oe，間隔為10 Oe；進(jìn)一步計(jì)算得到傳感器靈敏度隨偏置磁場(chǎng)變化曲線，如圖8(b)所示。 可以觀察到，磁場(chǎng)較小時(shí)，諧振頻率隨磁場(chǎng)變化緩慢；磁場(chǎng)進(jìn)一步增大時(shí)，諧振頻率隨磁場(chǎng)變化的靈敏度增加，并且逐漸呈較佳的線性變化；磁場(chǎng)進(jìn)一步增大時(shí)，變化再次變緩，該過(guò)程與磁致伸縮系數(shù)隨磁場(chǎng)變化特性相吻合，這是因?yàn)樵诘痛艌?chǎng)時(shí)磁場(chǎng)導(dǎo)致的是磁疇壁緩慢增大的變化，磁場(chǎng)進(jìn)一步增大時(shí)發(fā)生的是磁疇旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而大磁場(chǎng)下逐漸趨于飽和磁化。對(duì)于尺寸為10.6 mm×1.4 mm×0.6 mm 的FeGa 合金片，其退磁因子為0.018，退磁場(chǎng)對(duì)靈敏度的影響最大，僅為3.7 Hz/Oe，靈敏度取得最大值時(shí)的磁場(chǎng)最大，為230 Oe，諧振頻率隨磁場(chǎng)變化的線性工作區(qū)約為90 Oe～260 Oe；對(duì)于尺寸為20 mm×1.4 mm×0.6 mm 的FeGa 合金片，其退磁因子為0.007，此時(shí)靈敏度增加到5.8 Hz/Oe，退磁場(chǎng)對(duì)靈敏度的影響更小，靈敏度取得最大值時(shí)的磁場(chǎng)也變小，為150 Oe，諧振頻率隨磁場(chǎng)變化的線性工作區(qū)為70 Oe ～190 Oe；對(duì)于尺寸30 mm×1.4 mm×0.6 mm 的FeGa合金片，其退磁因子為0.002，此時(shí)退磁場(chǎng)的影響最小，靈敏度為9 Hz/Oe，并且靈敏度取得最大值時(shí)的磁場(chǎng)最小，為60 Oe，諧振頻率隨磁場(chǎng)變化的線性工作區(qū)為變?yōu)?0 Oe ～90 Oe。 可以看出長(zhǎng)度越長(zhǎng)(即退磁因子越小)時(shí)，退磁場(chǎng)的影響越小，靈敏度越大，并且靈敏度取得最大值時(shí)所需的磁場(chǎng)越小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果較吻合。 從圖4(a)仿真的結(jié)果看，30 mm 長(zhǎng)度的磁致伸縮系數(shù)曲線已經(jīng)較為接近不考慮退磁影響的磁致伸縮系數(shù)曲線，繼續(xù)增加長(zhǎng)度降低退磁帶來(lái)的好處有限，因?yàn)閭鞲衅鞯男〕叽缫彩强紤]的重要因素。 從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看，退磁因子為0.002 時(shí)可以得到較好的靈敏度增強(qiáng)效果，后續(xù)的研究考慮盡量縮短磁致伸縮材料的長(zhǎng)度，優(yōu)化長(zhǎng)度和厚度之間的關(guān)系，使得在維持一定厚度以維持足夠驅(qū)動(dòng)力的前提下，退磁因子仍然保持在0.002 左右。

圖8 不同尺寸的磁傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線

表3 不同尺寸的磁傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 小結(jié)

研究了退磁場(chǎng)對(duì)FeGa 磁致伸縮應(yīng)力耦合諧振磁傳感器靈敏度的影響。 由于FeGa 合金在磁化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生與外加磁場(chǎng)方向相反的退磁場(chǎng)，F(xiàn)eGa 合金內(nèi)部的有效磁場(chǎng)小于外加磁場(chǎng)，減小的磁場(chǎng)大小即退磁場(chǎng)大小，與磁體的磁化強(qiáng)度、磁導(dǎo)率及尺寸比有關(guān)?；赯-L 模型建立磁致伸縮FeGa 合金的非線性模型，結(jié)合退磁因子計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式與Maxwell 電磁仿真分析不同尺寸FeGa 合金的退磁因子，分析并預(yù)測(cè)了退磁場(chǎng)對(duì)磁傳感器靈敏度的影響，發(fā)現(xiàn)傳感器靈敏度隨FeGa 合金長(zhǎng)度的增加而增加，最優(yōu)偏置點(diǎn)的靈敏度分別為3.7 Hz/Oe(L= 10.6 mm，退磁因子為0.018)、5.8 Hz/Oe(L=20 mm，退磁因子為0.007)和9 Hz/Oe(L=30 mm，退磁因子為0.002)。 制備不同長(zhǎng)度磁敏感單元的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析結(jié)果較為吻合。 雖然增加磁致伸縮敏感材料的長(zhǎng)度可以提高傳感器的靈敏度，但是FeGa 長(zhǎng)度的增加也帶來(lái)了傳感器體積的增加。 本文的研究結(jié)論為后續(xù)提高傳感器靈敏度并縮短磁致伸縮單元長(zhǎng)度，優(yōu)化傳感器尺寸提供了思路。