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基于非晶/纳米晶软磁合金流量传感器的设计及其特性分析

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 非晶合金磁性材料敏感机理及传感器应用

1.2.1 非晶合金敏感功能变换

1.2.2 非晶合金磁性传感器设计机理

1.2.3 非晶合金在传感器中的应用

1.3 流量传感器

1.3.1 传感器技术及其发展趋势

1.3.2 国内外各种流量传感器及其发展概况

1.4 本论文的研究内容和主要创新点

第二章 基于纳米晶合金的流量传感器的结构设计及其特性分析

2.1 流量测量系统总体设计

2.1.1 系统低功耗设计

2.1.2 系统构成

2.2 敏感材料的选择

2.3 流量测量传感器的结构及其工作原理

2.3.1 纳米晶磁性传感器的结构

2.3.2 流体传动机构的结构

2.4 流量传感器的工作特性分析

2.5 纳米晶磁性传感器的有限元仿真分析

2.5.1 有限元软件及其基本理论

2.5.2 有限元建模及仿真分析

2.6 本章小结

第三章 流量传感器的硬件电路及软件设计

3.1 信号调理电路设计

3.1.1 放大电路

3.1.2 滤波电路

3.1.3 整形电路

3.2 单片机硬件电路及其外围电路设计

3.2.1 单片机硬件电路的总体设计

3.2.2 微控制器的选择

3.2.3 键盘接口电路的设计

3.3 液晶显示电路设计

3.3.1 液晶显示模块LCM141

3.3.2 LCM141与单片机接口

3.3.3 单片机与LCM141通信

3.3.4 LCM141显示程序

3.4 通讯接口设计

3.4.1 RS232通信

3.4.2 USB接口电路的设计

3.5 系统软件设计

3.6 本章小结

第四章 流量数据的处理

4.1 脉冲数据采集

4.2 流量计算

4.2.1 非线性特性解决方案

4.2.2 仪表系数K的设定

4.2.3 流量计算

4.3 流量显示缓冲的数据处理

4.4 本章小结

第五章 基于纳米晶合金的传感器在流量检测中的应用研究

5.1 纳米晶磁性传感探头的调试

5.2 实验结果及其分析

5.3 实验测量误差分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢

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摘要

非晶/纳米晶软磁合金具有优良的综合磁性能,它的饱和磁感应强度高、起始磁导率高、矫顽力低、磁滞回线为矩形或扁平、在较宽频率范围内的有效磁导率高、铁芯损耗低、在工作温度范围内磁性稳定,是一类应用前景非常广泛的敏感材料。对于传感器技术的发展而言,敏感材料是关键问题之一。虽然流量传感器的研发和应用已经有很长的发展历史,但是,流体工质的复杂性、敏感材料和电子技术一直制约着流量传感器的进一步发展。
   本文从纳米晶软磁合金的敏感机理入手,分析了它应用在流量传感器上的物理基础。利用纳米晶软磁合金具有高磁导率、低矫顽力等特点,根据电磁感应原理,设计并制作了一种纳米晶磁性传感器,并通过建立模型,对探头结构进行了有限元分析;根据流体流动的特性,设计并制作了把流体流速转换成可测量信号的传动机构,并与纳米晶磁性传感探头构成流量传感器,实现流体流速信号到电信号的转变,从而实现了对流体流速的测量。设计了针对这种传感器输出信号特点的一套信号处理电路系统,对来自传感探头的信号进行变换和提取,并利用SST89E564RD芯片对提取的信号进行计算处理,并驱动显示装置把结果直观地显示出来。
   传感器及其信号处理系统经过运行和调试后性能良好,传动机构和传感探头组合能稳定而灵敏地实时输出包含流体介质运动情况的电压波形信号,经过信号处理系统处理后,直接显示输出流体的流速或流量。通水实验结果表明,该传感器的性能稳定,灵敏度高,具有一定的实用价值,较好地实现了纳米晶软磁合金在实际中的应用。

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