传感和致动装置/结构中的多物理量耦合问题

摘要

利用物理量耦合把一种物理量信号转换成另一种容易识别的信号或者把一种控制信号用另外的物理量信号表达出来是传感器/致动器的一个基本特征。而力/电耦合传感/致动效应和电/磁耦合传感效应是研究传感/致动效应的两个重要方面。本文的两个部分分别研究了一种力/电场量耦合传感/致动效应和一种电/磁场量耦合传感效应传感器。 在本文第一部分，作者首先建立了能够同时考虑压电层中横向和纵向电场，层间正应力和剪应力分布的弹性-压电结构单层模型。这一模型能够精确地分析压电层较薄时压电传感/致动效应，有效地弥补了通常薄膜/基体理论中无法确定层间正应力(造成分层起始的主要原因)的缺陷。 为了能够处理单层模型中的强奇异积分-高阶微分方程组，我们发展了一种包括了数值积分方法、有限差分方法及弱化强奇异方法的强奇异积分-微分方程组融合数值解法。 利用这一算法和力-电全耦合单层结构模型，对一种PZT-5H压屯传感/致动结构的电场和力场情况进行了分析。结果显示：无论压电陶瓷作为传感器还是致动器，在压电层的左右两边界附近，电场强度都有一个较严重的扰动。所以不能简单的假设压电材料层的电场强度为均匀的。在基体和压电陶瓷层间界面的项部附近，压电致动器的层间正应力和层间剪应力都有应力集中，但由于正应力的值远远大于剪应力，表明层间正应力是层间脱落发生的主要因素。当压电传感器厚度增加时，输出电压会有所增加。压电传感器长度增加，输出电压也会有所增加，并且这一变化会随压电片的厚度减少而减小。当压电片厚度为0.01mm时，长度几乎不对输出电压产生影响。由于压电片很难做到这样的厚度，因此实际应用时必须考虑压电片长度的影响。 为了进一步讨论压电层较厚的情况，作者把压电层分成多个厚度相同的细分子层，进一步导出了力电耦合多层结构的控制积分-微分方程。并再次用PZT-5H压电陶瓷为例，对压电传感器、致动器的电场，致动器的层间力场和传感器的输出电压进行了讨论。结果显示：对压电致动器，单位电压加载产生的电场值随压电层厚度增加而减少，边界的电场扰动范围随压电层厚度增加而增加；对压电传感器，单位应变加载产生的电场值随压电层厚度增加只略有减少，边界的电场扰动范围随压电层厚度增加而增加；随着压电致动器厚度增加，层间应力值有所下降。但层厚越大，层间正应力的影响就越大；相同比例的压电传感器输出电压随尺寸增加而增加，并且电压值与尺寸(长度或厚度)近似成线性关系。 在第二部分中，作者提出了一种新的磁场传感效应：磁频传感效应的原理。推导出传感器输出频率变化与穿过电感探头的磁场变化引起的磁芯磁通率成正比且传感灵敏度将随磁场频率的升高而增加的磁频传感效应，即△ω≈ω1/-2μ1△μ。用一个单摆实验和一个外加磁场检测试验验证了磁频传感效应传感器的灵敏度和传感特性。实验表明：磁频传感器至少能够检测到7.05×10-10Gauss的磁场；能够有效的反映磁场变化的速度；为标量传感器。并且相对于其它磁场传感器，这一传感器具有以下的特点：能够同时测量动态和静态磁场；精度高。在现有磁场传感器中，只有量子干涉传感器比之灵敏度高。而绝大多数磁场传感应用都没有必要达到超过10-8Gauss的灵敏度；价格便宜；体积小，使用方便。由于电路简单，且可以集成，加上屏蔽设备后甚至可以手持使用。 为了更进一步探讨磁频磁场传感效应的应用，我们分别探讨了利用磁频传感效应传感器探测心脏磁场、腹腔磁场引起的生物磁场变化的可行性。 结果表明：磁频传感器确实能够有效的检测到心脏和胃部磁场信号，正确的反映出这些部位磁场的变化；磁频传感器测出的心磁图信号与心电图信号及SQUID心磁图信号非常相似。但磁频传感器相对前面两种方法具有价格便宜和操作方便的优势；磁频传感器很有可能被用于这些方面的疾病诊断。但是否能够达到疾病诊断的效果，尚需进一步的临床验证。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：资助

1绪论

1.1引言

1.2弹性基传感/致动效应研究的意义和方法

1.3磁频检测磁场传感技术研究的意义和方法

1.4本文内容简介

2压电材料、结构研究的综合评述

2.1压电学

2.2压电陶瓷

2.3压电边界条件

2.4压电层合结构层间变形传递与应力分析

3弹性基压电致动/传感效应的力/电全耦合单层模型

3.1基本方程

3.2压电场量的展开

3.3基体的力场

3.4控制方程

3.5小结

4强奇异积分-高阶微分控制方程的合成数值解法

4.1对合成数值解法思路的思考

4.2强奇异积分-高阶微分方程的离散化

4.3合成后的方程形式

4.4合成算法的收敛性

4.5小结

5压电传感/致动器结构单层模型分析

5.1致动器场量分析

5.2传感器场量分析

5.3小结

6压电传感/致动器效应的力-电全耦合多层细分模型

6.1引言

6.2基本方程

6.3场量的展开

6.4基体的力场

6.5控制方程

7压电传感器/致动器结构多层细分模型分析

7.1收敛性

7.2压电致动器/传感器电场分析

7.3致动器层间力场

7.4传感器输出电压

7.5小结

8本文第一部分总结

9磁场传感器发展状况综述

9.1引言

9.2偏置磁场传感器

9.3地球磁场(中磁场)传感器

9.4微磁场传感器

9.5小结

10磁频传感效应

10.1原理

10.2磁频检测磁场传感器特性实验

10.3小结

11磁频传感效应用于生物磁场传感的可行性研究

11.1生物磁学

11.2心脏磁场检测

11.3胃部磁场测量

11.4小结

12本文第二部分总结

致谢

参考文献

1.作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

2.作者在攻读博士学位期间参与的课题

附录A压电双材料的Hellinger-Reissner变分原理

附录B：变分泛函中的积分

附录C控制方程中的常系数

附录D压电多材料的Hellinger-Reissner变分原理