具有气敏涂层的超磁致伸缩薄膜特性及其在气体检测中的应用

论文摘要

气敏传感器广泛地应用于有毒气体、可燃气体、温室效应气体、工业废气等气体浓度的监控与检测中。具有气敏涂层的超磁致伸缩薄膜(GMF)在低磁场的驱动下,显现出强磁致伸缩效应、高机电耦合系数、高响应速度、高灵敏度、非接触式驱动、易于集成化、微型化等优点,使其在检测复杂恶劣环境中的气体浓度时,不仅可以保证检测人员的安全,而且具有很高的精度和灵敏度,因而在气敏微传感器领域中显示出良好的应用前景。具有气敏涂层的GMF的动态特性、驱动方法及检测原理是其在气体检测传感器中应用的前提。本论文在设计了一套具有气敏涂层的GMF驱动系统的基础上,深入分析了具有气敏涂层的GMF静动态特性,探索性地研究了其在气体检测中的应用,为GMF微传感器的研究及气体浓度的检测提供了新的途径和思路。本文介绍了磁致伸缩现象与机理,分析了薄膜的性能、磁致伸缩的影响因素及悬臂梁式GMF的振动模型,为传感器设计提供了理论基础。并对制备的铜基正负超磁致伸缩复合薄膜的表面形貌和磁化性能进行了实验研究。针对具有气敏涂层的GMF对驱动磁场的要求,设计了一种赫姆霍茨线圈,并对该线圈进行了功率优化,对磁场轴向和径向的均匀度进行了理论计算和ANSYS仿真。经实验验证,该线圈提供的驱动磁场具有很高的轴向、径向均匀度和足够的强度。同时,分析了驱动磁场的中心磁感应强度与驱动电流之间的关系。在此基础上,研究比较了甩胶前后的超磁致伸缩薄膜的静动态特性,为进一步研究具有气敏涂层的GMF在气体检测中的应用奠定了基础。鉴于具有气敏涂层的GMF的诸多优点,将其应用到气体浓度的检测研究中。论文介绍了该气体的检测原理,并通过实验分析了具有气敏涂层的GMF对气体浓度的响应情况,得到了基于GMF的气体传感器的标准工作曲线。同时以乙酸气体浓度的检测为例,验证了该GMF气体传感器具有响应速度快、精度高等优点。研制的具有气敏涂层的GMF,在所设计的高均匀度、高强度的驱动磁场中表现了良好的静动态特性,应用其设计的气体传感器对气体浓度有很好的响应,研究结果为超磁致伸缩薄膜的应用提供了理论基础,为气体浓度的检测提供了一种新的思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 超磁致伸缩材料的研究与应用
• 1.2.1 超磁致伸缩材料的发展历史
• 1.2.2 超磁致伸缩薄膜的研究与发展
• 1.3 超磁致伸缩薄膜微传感器应用现状
• 1.3.1 在生物上的应用
• 1.3.2 在医学及其它方面上的应用
• 1.3.3 Metglas传感器及其在气体方面的应用
• 1.4 课题的研究目的和意义
• 1.5 论文的主要研究内容
• 2 正负超磁致伸缩薄膜的磁致伸缩机理及磁化特性的研究
• 2.1 磁致伸缩现象机理
• 2.2 超磁致伸缩薄膜的特性
• 2.2.1 超磁致伸缩薄膜的物理效应
• 2.2.2 超磁致伸缩薄膜的磁致伸缩特性
• 2.3 超磁致伸缩薄膜悬臂梁式振动模型
• 2.4 超磁致伸缩薄膜磁致伸缩性能的影响因素
• 2.4.1 材料成分对薄膜磁致伸缩性能的影响
• 2.4.2 基层厚度对薄膜磁致伸缩性能的影响
• 2.4.3 悬臂长度对薄膜磁致伸缩性能的影响
• 2.5 超磁致伸缩薄膜的制备
• 2.5.1 双层GMF制备方法
• 2.5.2 GMF的制备工艺参数
• 2.6 铜基超磁致伸缩薄膜的性能检测
• 2.6.1 铜基超磁致伸缩薄膜的表面形貌
• 2.6.2 铜基超磁致伸缩薄膜的磁化特性
• 2.7 小结
• 3 具有气敏涂层的GMF驱动磁场的设计方法及有限元仿真
• 3.1 驱动线圈设计方法及功率优化
• 3.1.1 单个空心圆柱线圈的中心磁感应强度的计算方法
• 3.1.2 单个空心圆柱线圈的磁场系数
• 3.1.3 赫姆霍茨线圈的几何参数确定
• 3.1.4 赫姆霍茨空心圆柱线圈的功率优化
• 3.2 赫姆霍茨线圈的均匀度分析
• 3.2.1 驱动磁场的轴向均匀度分析计算
• 3.2.2 驱动磁场的径向均匀度分析计算
• 3.3 赫姆霍茨线圈的设计方法及中心磁感应强度与驱动电流的关系
• 3.3.1 赫姆霍茨线圈的设计方法
• 3.3.2 中心磁感应强度与驱动电流的关系
• 3.4 具有气敏涂层的GMF的驱动磁场均匀度有限元仿真与实验分析
• 3.4.1 驱动磁场的均匀度有限元仿真
• 3.4.2 驱动磁场的实验分析
• 3.5 小结
• 4 具有气敏涂层的GMF静动态特性研究
• 4.1 具有气敏涂层的GMF静动态特性检测装置
• 4.1.1 检测装置的整体设计
• 4.1.2 夹持装置的设计
• 4.2 静态特性实验
• 4.2.1 GMF的磁致伸缩与驱动电压的关系
• 4.2.2 GMF的磁致伸缩与薄膜尺寸参数的关系
• 4.2.3 GMF的磁致伸缩与磁场强弱的关系
• 4.3 悬臂梁结构超磁致伸缩薄膜的振动特性实验
• 4.3.1 正负超磁致伸缩薄膜梁的力学分析
• 4.3.2 正负超磁致伸缩薄膜梁的振动分析
• 4.4 动态特性实验
• 4.4.1 甩胶对正负超磁致伸缩薄膜振动特性的影响
• 4.4.2 正负超磁致伸缩薄膜悬臂梁系统的振动频率
• 4.5 小结
• 5 具用气敏涂层的GMF在气体检测中的应用
• 5.1 具有气敏涂层的GMF检测气体的原理
• 5.2 气敏涂层的制备
• 5.3 具有气敏涂层的GMF对气体浓度的响应
• 5.4 具有气敏涂层的GMF气体传感器工作曲线标定
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢