GMM和SAW谐振器复合磁传感器设计与分析

磁场测量在医学、军事、地质学等方面有广泛的应用，是现代测量领域的重要组成部分。随着材料技术的发展，磁致伸缩材料被用作磁场测量的敏感材料，成为磁传感领域的重要研究内容。B.Frank等人通过在光纤上蒸发一层磁致伸缩材料，由磁致伸缩引起光纤内光传播的光程发生变化，可以得到较高的磁场测量精度，但该结构极大地破坏了光纤干涉臂内光场偏振态的稳定性，从而使整个光纤弱磁场传感器的稳定性变差。2005年N.Yoshiza-wa等人研究了用非晶态铁磁薄带和石英/LiNbO3复合的磁传感结构，最高可达60 Hz/Oe的频率/磁场灵敏度，可用于地磁场测量。而Dong等人研究了用压电材料和磁致伸缩材料复合，利用磁电效应来测量磁场，可以达到10-9T以上的精度，但该磁电复合材料不适合测量静态的磁场。
本文将具有极高磁致伸缩效应的GMM和SAW谐振器复合，利用磁场影响GMM产生的大应力应变，作用于SAW谐振器上影响其谐振频率，从而进行磁场测量。该传感器结构简单、成本低，对磁场敏感，可用于静态和动态磁场测量。由于SAW谐振器本身可以用作无源无线传感，因此该复合传感器还可以作为无源、无线磁传感器使用。
2 复合传感结构
图1是SAW谐振器和GMM复合结构的示意图。在螺栓螺母的作用下GMM、SAW谐振器和硬质刚体材料框架紧密接触。框架同时起导轨作用，限制SAW谐振器和Terfenol-D只能在长度方向发生形变。调整螺栓的长度可调节施加在超磁致伸缩材料上的预应力，使其在磁场中获得较大的磁致伸缩。

GMM选用工作在33模式下的Terfenol-D(Tb0.37Dy0.63Fe2)，在沿长度方向磁场的作用下，在同方向产生伸缩。由于两端被紧固，Terfenol-D材料的应力和应变将导致SAW谐振器的谐振频率发生变化。通过检测SAW谐振器谐振频率的变化，可测得外部磁场大小。
3 理论分析
以GMM伸长时，其与SAW谐振器(SAWR)的接触面向右运动为例，得到受力分析如图2所示。F和F1是结构两端受到紧固结构和框架的反作用力;CT，vT，TT，AT分别代表GMM的力阻、振动速度、内部应力和横截面积;Cs，vs，Ts，As是SAW谐振器基片的力阻、振动速度、内部应力和横截面积;CTvT和Csvs是由于振动阻尼引起的材料内部的阻力。