CN103678767B - 层状复合材料磁敏传感器等效电路宏模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及层状复合材料磁敏传感器等效电路宏模型建立方法，包括：由机电耦合原理得到磁致伸缩层关于激励电流I和所受合力的机电耦合关系；针对两磁致伸缩层及压电层分别构造等效电路单元；将等效电路单元连接，形成等效电路宏模型。有益效果为：通过该方法建立的等效电路宏模型能适用于大信号作用下的系统级模拟，同时也适用小信号的分析；能够通过电路的模拟仿真解决磁敏传感器最优参数的选取的问题；而且由于电路结构简单。

Description

层状复合材料磁敏传感器等效电路宏模型建立方法

技术领域

本发明涉及电路模拟仿真，尤其涉及一种层状复合材料磁敏传感器大信号等效电路宏模型建立方法。

背景技术

随着传感器领域的应用不断的扩大，磁敏传感器器件的电路设计也越来越多，而磁敏传感器的各项参数直接决定了传感器的性能，而对传感器参数的设定需要通过大量的实验才能总结出最优方案，由此而进行的系统级模拟对于传感器参数设定是迫切需要的。在系统级的模拟中，等效电路宏模型的建立是传感器模拟设计的关键问题，因此急需一种能应用于系统级模拟的大信号等效电路宏模型建立方法。

发明内容

本发明目的在于克服以上现有技术之不足，提供一种层状复合材料磁敏传感器大信号等效电路宏模型建立方法，具体有以下技术方案实现：

所述层状复合材料磁敏传感器的等效电路宏模型建立方法，所述磁敏传感器外加交变激励电流I_source，线圈匝数N，磁致伸缩层与中间压电层的长度均为l、宽度均为w，磁致伸缩层和压电层的厚度分别为d_p和d_m、截面积分别为A₁和A₂，所述方法包括，

由机电耦合原理得到磁致伸缩层关于激励电流I和所受合力F的下列机电耦合关系：

$I=j\mathrm{\ω}\frac{{\mathrm{lw\ϵ}}_{33}^T}{d_p}V+\frac{{\mathrm{wd}}_{31}^p}{S_{11}^E}{u}_x,---\left(1\right)$

$F=(\frac{{\mathrm{wA}}_1}{S_{11}^E}+\frac{{\mathrm{wA}}_2}{S_{33}^H}+\frac{{\mathrm{lwd}}_{33}^H{A}_2}{{\mathrm{\μ}}_{33}{S}_{33}^H})u_x-\frac{{\mathrm{lwd}}_{31}^p{A}_1}{S_{11}^E{d}_p}V-\frac{{\mathrm{lwd}}_{33}^H{A}_2{\mathrm{NI}}_{source}}{{\mathrm{\μ}}_{33}{S}_{33}^H},---\left(2\right)$

其中，V为压电层输出电压，u_x为磁致伸缩层末端和起始端的简谐激励速度差，为压电层材料的柔顺系数，为压电常数，为介电常数，为磁致伸缩层材料的柔顺系数，为动态磁致伸缩率，μ₃₃为磁导率；

由所述压电层受力状况得到下列受力关系：

$m\frac{du}{dt}+cu+k\∫udt+F_1+F_2=0---\left(3\right)$

其中，c为磁敏传感器的阻尼系数，k为压电层材料的弹性刚度系数，F₁和F₂为压电层受到的简谐运动力；

由所述伸缩层的所述机电耦合关系并结合力与电压或电流的类比方法，构造对应的第一等效电路单元，所述第一等效电路单元包括输入电路与输出电路两个部分，所述输入电路与输出电路的电路结构相同，输入电路与输出电路中，分别将磁敏传感器的激励电流I与受到合力F分别作为第一等效电路单元的输出电流和类比电流；将压电层输出电压V、简谐激励速度差u_x分别等效为第一等效电路的电压V与类比电压u_x，类比电流与输出电流均由电压V和类比电压u_x共同控制；

由所述中间压电层的所述受力关系并结合力与电压或电流的类比方法，构造第二等效电路单元；

由基尔霍夫电流定律，连接第二等效电路单元分别与第一等效电路单元的输入电路以及输出电路连接，形成等效电路宏模型。

所述层状复合材料磁敏传感器大信号等效电路宏模型建立方法的进一步设计在于，所述类比电流等效为由电压u_x控制的电流源G₂、电压V控制的G₃电流源以及电压源Y₁组成的支路控制输出而产生的电流，其中G₂的控制多项式的表达式为G₃的控制多项式的表达式为电压源Y₁的多项式表达式为

所述层状复合材料磁敏传感器大信号等效电路宏模型建立方法的进一步设计在于，所述输出电流等效为由类比电压u_x控制的电压控制电流源G₁、电压V控制的电压控制电压源E₁和无源器件单元组成的支路控制输出的的电流I，所述无源器件单元包括电阻R与电容C₀，其中G₁的控制多项式的表达式为E₁的表达式为1*V，电阻R的阻值为1，C₀的表达式为

所述层状复合材料磁敏传感器大信号等效电路宏模型建立方法的进一步设计在于，所述第二等效电路单元为电容m，电阻k以及电阻c并接而成的RLC并联电路结构。

本发明的优点如下：

1)通过该方法建立的等效电路宏模型能适用于大信号作用下的系统及模拟，同时也适用小信号的分析；

2)能够通过电路的模拟仿真解决磁敏传感器最优参数的选取的问题；

3)电路结构简单。

附图说明

图1为所述层状复合材料磁敏传感器的结构示意图。

图2为层状复合材料磁敏传感器大信号等效电路宏模型。

图中,1-磁致伸缩层，2-压电层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方案进行详细说明。

如图1，本实施例提供的磁敏传感器包括压电层与两磁致伸缩层。两磁致伸缩层关于压电层对称地设置于压电层的两端面。磁致伸缩层与中间压电层的长度均为l、宽度均为w，磁致伸缩层厚度d_p，压电层厚度d_m，压电层截面积A₁，磁致伸缩层截面积A₂，外加交变激励电流I_source，线圈匝数N。基于该磁敏传感器提供一种层状复合材料磁敏传感器大信号等效电路宏模型建立方法，该方法包括如下步骤：

根据机电耦合原理得到磁致伸缩层的机械耦合关系式：

$I=j\mathrm{\ω}\frac{{\mathrm{lw\ϵ}}_{33}^T}{d_p}V+\frac{{\mathrm{wd}}_{31}^p}{S_{11}^E}{u}_x---\left(1\right)$

$F=(\frac{{\mathrm{wA}}_1}{S_{11}^E}+\frac{{\mathrm{wA}}_2}{S_{33}^H}+\frac{{\mathrm{lwd}}_{33}^H{A}_2}{{\mathrm{\μ}}_{33}{S}_{33}^H})u_x-\frac{{\mathrm{lwd}}_{31}^p{A}_1}{S_{11}^E{d}_p}V-\frac{{\mathrm{lwd}}_{33}^H{A}_2{\mathrm{NI}}_{source}}{{\mathrm{\μ}}_{33}{S}_{33}^H}---\left(2\right)$

并对压电层进行力学分析得到式(3)：

$m\frac{du}{dt}+cu+k\∫udt+F_1+F_2=0---\left(3\right)$

其中，F₁和F₂为压电层受到的简谐运动力，I为磁敏传感器激励电流，V为压电层输出电压，u_x为磁致伸缩层末端和起始端的简谐激励速度差，为压电层材料的柔顺系数，为压电常数，为介电常数，为磁致伸缩层材料的柔顺系数，为动态磁致伸缩率，μ₃₃为磁导率，m为压电层材料的有效质量，c为磁敏传感器的阻尼系数，k为压电层材料的弹性刚度系数，F为压电层受到的简谐运动力。

针对磁致伸缩层建立第一等效电路单元：

由伸缩层的机电耦合关系并结合力与电压或电流的类比方法，本实施例通过F-I类比理论构造对应的第一等效电路单元。第一等效电路单元包括输入电路与输出电路两个部分，分别对应于两磁致伸缩层。由于两磁致伸缩层关于压电层对称分布，因此输入电路与输出电路的电路结构相同。输入电路与输出电路中分别将磁敏传感器的激励电流I与受到力F分别作为第一等效电路单元的输出电流和类比电流；将压电层输出电压V、简谐激励速度差u_x分别等效为第一等效电路的电压V与类比电压u_x，类比电流与输出电流均由电压V和类比电压u_x共同控制。

根据式1)将类比电流等效为由电压u_x控制的电流源G₂、电压V控制的G₃电流源以及电压源Y₁组成的支路控制输出，其中G₂的控制多项式的表达式为的控制多项式的表达式为电压源Y₁的多项式表达式为

根据式2)将输出电流等效为由类比电压u_x控制的电压控制电流源G₁，电压V控制的电压控制电压源E₁和无源器件单元组成的支路控制输出，即无源器件单元包括电阻R与电容C₀，其中G₁的控制多项式的表达式为E₁的表达式为1*V，电阻R的阻值为1，C₀的表达式为

由上述过程得到由电容C₀，电流源G₁、G₂、G₃，电压源E₁、Y₁以及电阻R₁组成的输入电路部分以及与之对称分布的电流源G₇、G₈、G₉，电压源E₂、Y₂以及电阻R₂组成的输出电路部分。

针对压电层建立第二等效电路单元：

针对中间压电层，根据式3)本实施例通过F-I类比理论构造第二等效电路单元，第二等效电路单元为电容m，电阻k以及电阻c并接而成的RLC电路并联结构。

再由基尔霍夫电流定律，将第二等效电路单元分别与第一等效单元的输入电路以及输出电路连接，形成等效电路宏模型，如图2。

Claims (4)

1.层状复合材料磁敏传感器的等效电路宏模型建立方法，所述磁敏传感器外加交变激励电流I_source，线圈匝数N，磁致伸缩层与中间压电层的长度均为l、宽度均为w，磁致伸缩层和压电层的厚度分别为d_p和d_m、截面积分别为A₁和A₂，其特征在于所述方法包括，

由机电耦合原理得到磁致伸缩层关于激励电流I和所受合力F的下列机电耦合关系：

$I=j\mathrm{\ω}\frac{{\mathrm{lw\ϵ}}_{33}^T}{d_p}V+\frac{{\mathrm{wd}}_{31}^p}{S_{11}^E}{u}_x,$

$F=\left(\frac{{\mathrm{wA}}_1}{S_{11}^E}+\frac{{\mathrm{wA}}_2}{S_{33}^H}+\frac{{\mathrm{lwd}}_{33}^H{A}_2}{{\mathrm{\μ}}_{33}{S}_{33}^H}\right)u_x-\frac{{\mathrm{lwd}}_{31}^p{A}_1}{S_{11}^E{d}_p}V-\frac{{\mathrm{lwd}}_{33}^H{A}_2{\mathrm{NI}}_{source}}{{\mathrm{\μ}}_{33}{S}_{33}^H},$

其中，V为压电层输出电压，u_x为磁致伸缩层末端和起始端的简谐激励速度差，为压电层材料的柔顺系数，为压电常数，为介电常数，为磁致伸缩层材料的柔顺系数，为动态磁致伸缩率，μ₃₃为磁导率；

由所述压电层受力状况得到下列受力关系：

$m\frac{du}{dt}+cu+k\∫udt+F_1+F_2=0$

其中，c为磁敏传感器的阻尼系数，k为压电层材料的弹性刚度系数，F1和F2为压电层受到的简谐运动力；

由所述伸缩层的所述机电耦合关系并结合力与电压或电流的类比方法，构造对应的第一等效电路单元，所述第一等效电路单元包括输入电路与输出电路两个部分，所述输入电路与输出电路的电路结构相同，输入电路与输出电路中，将磁敏传感器的激励电流I与受到合力F分别作为第一等效电路单元的输出电流和类比电流；将压电层输出电压V、简谐激励速度差u_x分别等效为第一等效电路的电压V与类比电压u_x，类比电流与输出电流均由电压V和类比电压u_x共同控制；

由所述中间压电层的所述受力关系并结合力与电压或电流的类比方法，构造第二等效电路单元；

由基尔霍夫电流定律，连接第一等效电路单元与第二等效电路单元，形成等效电路宏模型。

2.根据权利要求1所述的层状复合材料磁敏传感器的等效电路宏模型建立方法，其特征在于所述类比电流等效为由电压u_x控制的电流源G₂、电压V控制的G₃电流源以及电压源Y₁组成的支路控制输出而产生的电流，其中G₂的控制多项式的表达式为G₃的控制多项式的表达式为电压源Y₁的多项式表达式为

3.根据权利要求1所述的层状复合材料磁敏传感器的等效电路宏模型建立方法，其特征在于所述输出电流等效为由类比电压u_x控制的电压控制电流源G₁、电压V控制的电压控制电压源E₁和无源器件单元组成的支路控制输出的的电流I，所述无源器件单元包括电阻R与电容C₀，其中G₁的控制多项式的表达式为E₁的表达式为1*V，电阻R的阻值为1，C₀的表达式为

4.根据权利要求1所述的层状复合材料磁敏传感器的等效电路宏模型建立方法，其特征在于，所述第二等效电路单元为电容m，电阻k以及电阻c并接而成的RLC并联电路结构。