声磁传感器及其频谱检测技术研究

的影响程度 。如表 1所示为振动元件设计长度 36 mm 的 声磁传感器 ,长度误差对共振频率的影响 。
3. 4 阻尼对声磁传感器共振频率的影响
对于声磁传感器的振动元件 ,其阻尼由 2 部分组成 : 一是振动元件的内阻尼 ,体现在振子片不与任何物体接 触时 ,其激振后的自由振荡也呈逐渐衰减趋势 ;二是振子 片与盒体接触产生的阻尼 ,由摩擦产生 。两者综合作用 就决定了振动元件自由振动时振幅衰减的速率 ,以及自 由振动时振动元件的实际振动频率 ω 。
d
3. 5 偏磁场对声磁传感器共振频率的影响
偏磁场的大小对声磁传感器谐振频率点及对应的振 幅有直接影响 ,偏磁场达到某一值时 ,其振幅达到最大 。 设计声磁传感器时 ,通常就是调整相关参数使传感器处 于谐振频率点时其振幅达到最大 ,这样灵敏度最高 。如 声磁防盗传感器 ,实验发现在偏磁场为 6 ～6. 5Oe时 ,振 动元件的谐振振幅达到最大 ,而此时谐振频率为 58 kHz。
磁传感器的谐振频率及其灵敏度情况 。对传感器实施激 振有 2种方法 :一种是以固定激振频率激励传感器 ,通过 检测接收装置输出信号的幅值可以判断传感器是否满足 使用要求 ;另一种是扫频激励 ,通过接收装置输出信号可 以得到扫频范围内的频谱 ,进而可以知道声磁传感器的 谐振频率和振幅大小 。
作为 该 技 术 的 典 型 代 表 产 品 声 磁 防 盗 传 感 器 ( acoustomagnetic surveillance marker) ,在零售业具有十分 庞大的市场 ,美国 Sensormatic公司已经产业化 ,但国内无
实际长度误差 、振动元件的材料组分以及偏磁场的大小 。
3. 3 振动元件长度对共振频率的影响
传感器的共振频率与振动元件的长度有直接关系 , 而且呈非线性关系 。振子片长度越长 ,传感器的共振频 率就越低 。振动元件不同的设计长度 ,同样微小长度的 变化 (主要由机械加工误差造成 )对传感器共振频率的 影响程度是不同的 ,图 3是振动元件长度误差为 0. 1 mm 时 ,不同长度的振动元件其共振频率误差的变化情况 。 对于振动元件设计长度为 36 mm 的声磁传感器 , 0. 1 mm 长度误差造成共振频率偏移 200 Hz。
第 29卷 第 5期 2008年 5月
仪器仪表学报
Chinese Journal of Scientific Instrument
Vol129 No15 M ay 2008
声磁传感器及其频谱检测技术研究 3
吴海彬
(福州大学机械工程及自动化学院 福州 350108)
摘 要 : 声磁传感器基于材料的磁致伸缩效应 ,当对其施加交变磁场激励信号 ,并且交变激振信号的频率与材料的固有频率相 等时 ,材料将产生磁力共振 。接收装置检测到材料由于共振而产生的声波信号 ,并经过处理得到声磁传感器的共振频率及响应 幅值 。由此 ,可以研制应用于物品识别 、电子防盗等领域各种不同功能的声磁传感器 。其基本结构组成包括偏磁元件 、振动元 件及壳体等 。影响该类传感器灵敏度与精度的主要因素有振动元件的结构参数 、偏磁元件的剩磁场 ,以及振动元件材料的物理 性质等 。 关键词 : 声磁 ; 传感器 ; 磁致伸缩 中图分类号 : TH39 文献标识码 : A 国家标准学科分类代码 : 460. 4033
4 声磁传感器的频谱检测
图 3 不同振子片长度时相同长度误差对共振频率的影响 Fig. 3 Influence on resonate frequency of same length error for different vibrating unit length
理想的声磁传感器通频带窄而高 。如果能测得声磁 传感器在不同激振频率下的响应 ,就可以判定该传感器 灵敏度及选频特性 。因此 ,检测传感器的频谱响是全面 认识和掌握传感器性能指标最基础最重要的工作 。实现 检测采取的方法是 ,对传感器施加按一定规律变化的激 振信号 ,同时检测传感器的振动响应 。频谱响应检测原 理如图 4所示 。
Research of acoustomagnetic sen sor and its frequency spectrum detection technology
W u Haibin
( College of M echan ica l Eng ineering and A u tom a tion, Fuzhou U n iversity, Fuzhou 350002, Ch ina)
信号 ,而该信号通常都在几十 kHz兹的超声波范围内 ,声 磁传感器因此得名 。
2 声磁传感器结构与应用系统组成
声磁传感器中的磁性元件在外部磁场的作用下能够 产生磁致伸缩效应 ,材料在外部磁场作用下体现为拉伸 还是收缩取决于材料本身的性质 ,而与外部磁场的极性 无关 。因此 ,当外部磁场产生过零交变时 ,磁性材料长度 的变化频率将是外部交变磁场频率的 2 倍 ,这里定义为 倍频效应 ,即激励与响应之间频率不再相等 ,而产生了倍 频 。为了消除倍频效应 ,可以考虑为振动元件提供一个 偏磁场 ,并且偏磁场大于交变激励磁场的最大值 ,两个磁 场叠加 ,使叠加后的磁场始终在一个方向上有大小变化 , 而不产生极性的变化 ,这样磁性材料的磁致伸缩频率就 与激励磁场的频率相同了 。由此可知 ,声磁传感器在结 构上 ,不仅要有能够产生磁致伸缩效应的振动元件 ,还要 有为该元件提供适当偏磁场的偏磁元件才能正常工作 。 由于偏磁场对共振频率有直接影响 ,因此确保偏磁元件 与磁性振动元件之间的相对位置关系至关重要 。
1 引 言
声磁传感技术在电子防盗 、物品与身份识别 、过滤等 领域有着广泛的应用前景 。声磁传感器是一种谐振传感 器 ,其本身的谐振频率值固定 ,当传感器受到外部交变磁 场激励时 ,如果交变磁场的激励频率与传感器谐振频率 相同 ,则传感器将产生磁力共振 ,其振幅大幅度增加 ,这 种振动信号 (声波 )诱发接收装置 ,使其产生与该声波相 对应的电信号 ,并经过放大 、整形等处理 ,就可以知道声
发射装置通常是由线圈和驱动电路组成 ,驱动电路 用于为线圈提供一个交变电流 ,这样线圈就产生了交变 磁场 。由于接收装置的作用是检测磁性材料的机械振动
图 2 声磁传感器的应用系统 Fig. 2 App lication system of acoustomagnetic sensor
3 声磁传感器数学建模
3. 1 声磁传感器的自由振动
声磁传感器在受到某一初始交变磁场激励后 ,其磁 性材料将产生自由振动响应 ,根据振动及控制理论可知 :
x ( t) = B + A ·e-ζ·ωn·t sin (ωn 1 - ζ2 t +φ)
式中
:
ζ为振动元件阻尼比
;
ω n
为振动元件无阻尼固有
角频率 , rad / s; φ为振动元件相位差 , rad; A 为振动元件
为了减小传感器的结构尺寸 ,振动元件可以采用轻 而薄的带材 ,偏磁元件紧贴于其附近 ,偏磁元件通常采用 半硬磁性材料 ,被磁化后具有一定的剩磁 。图 1 为一声 磁防盗传感器结构示意图 。
图 1 声磁传感器结构 Fig. 1 Acoustomagnetic sensor structure
声磁传感器通常就是利用其磁力共振原理工作的 。 在实际应用中 ,传感器固定于被检测的对象上 ,当该被测 对象经过特定区域时 ,声磁传感器发出磁力共振机械振 动信号 ,通过检测该信号的频率及信号幅度即可辨识被 测对象 。因此 ,在被测对象经过的特定区域 ,应该既有产 生交变磁场的发射装置 ,也有检测传感器机械振动振幅 的的接收装置 。如图 2所示 。
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仪 器 仪 表 学 报
第 2 9卷
度 、材料弹性模量及体密度等因素有关 ,因此有 :
dfg
1 = - 2L2
E ·dL + 1
D
4L
1 ·dE - 1
ED
4LD
E ·dDFra Baidu bibliotekD
式中 : dfg 为谐振频率的变化量 , Hz;其他参数同上 。 理论与实验发现 ,影响精度的主要因素是振动元件的
固有角频率为 :
ω n
π =
L
E D
式中 : L 为磁性材料的长度 , m; E 为磁性材料的弹性模
量 , Pa; D 为磁性材料的体密度 , kg /m3。
由此可知 ,传感器振动元件在自由振动时的无阻尼
自由振动频率为 :
fg
=1 2L
E D
式中 : fg 为磁性材料的固有振动频率 , Hz; 在外部交变磁场激励下 ,当磁性材料磁致伸缩效应
Abstract: B ased on magnetostrictive mechanism of magnetic m aterials, acoustom agnetic sensor w ill p resent magneto2 mechanic resonate phenomenon, when it is put on alternating m agnetic field, and the frequency of the alternating magnetic field is same to inherent frequency of sensor. The sound wave signal em itted by sensor because of magneto2 mechanic resonance is detected by receiving equipm ents, and the resonance frequency and corresponding sw ing peak value can be p icked up after p roper disposal. So, various different sensor can be developed to use such as for article identified, electronic surveillance, etc. The sensor is m ade u Pof bias unit, vibrating unit and carapace. The factors affecting sensitivity and p recision of sensor are mainly consist of structure param eters, physical characters of vibrating unit, remanence of bias unit, etc. Key words: acoustomagnetic; sensor; magnetostrictive
收稿日期 : 2007205 Received Data: 2007205 3 基金项目 :福建省自然科学基金 (2006J0025) 、福州大学科技发展 (XJJ20501)资助项目
第 5期
吴海彬 :声磁传感器及其频谱检测技术研究
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论从原材料 、制作工艺及制造设备等方面均未起步 ,也未 见相关研究报道 。本文分别从理论与实验研究出发 ,深 入研究声磁传感器工作机理 ,建立了其数学模型 ,详细阐 述了影响声磁传感器灵敏度的主要因素 ,研制开发了声 磁传感器频谱检测系统 ,最后给出了自制声磁传感器的 频谱响应曲线 。
的频率与其自身固有频率相等时 ,将产生机械共振 ,称之
磁力共振 。当达到磁力共振时 ,磁性材料的机械振荡振
幅大幅度加强 。
3. 2 影响传感器灵敏度与精度的主要因素 影响声磁传感器灵敏度和精度的因素很多 。以声磁
防盗传感器为例 ,其声磁共振频率要求为 58 kHz,允许的 共振 频 率 绝 对 误 差 范 围 为 ±0. 3 kHz, 相 对 误 差 只 有 0. 52% ,精度要求相当高 。因此必须加以严格控制 。根 据前面的公式可知 ,声磁传感器共振频率与振动元件长
无阻尼振幅 , m; B 为传感器在偏磁场中的长度变化量 ,
m; x ( t) 为振动元件振动响应值 , m。
可以看出 ,振子片自由振动的振幅按指数规律衰减 ,
衰减的速率取决于阻尼系数 ,振子片的实际共振频率为
ω d
=
ω n
1 - ζ2
比无阻尼共振频率低 , 偏低的程度也取决于阻尼 。
由声磁传感器结构特点可知 ,传感器振动元件的无阻尼