[發(fā)明專利]一種新型各向同性磁電傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711160801.4
• 申請日: 2017-11-20
• 公開（公告）號: CN108037472B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王瑋琳;歐陽君;楊曉非;陳實(shí);游龍;朱本鵬;張悅;李鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G01R33/06
• 分類號: G01R33/06
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 張建偉;曹葆青

本發(fā)明公開了一種新型各向同性磁電傳感器結(jié)構(gòu)，該各向同性磁電傳感器由圓柱狀的磁致伸縮材料與圓環(huán)狀的壓電材料組成。各向同性磁電傳感器根據(jù)結(jié)構(gòu)上呈對稱狀態(tài)，因此對二維平面內(nèi)變換的磁場，無關(guān)傳感器與被測磁場方向的夾角為多少，其輸出是不會改變的。在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出一種各向同性磁電測量裝置，該裝置在所述傳感器正上方以及正下方放置對稱磁鐵，產(chǎn)生對稱發(fā)散的偏置磁場，從而實(shí)現(xiàn)不影響各向同性的同時(shí)，增大磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)。本發(fā)明中，兩個磁鐵與磁電傳感器完全同軸放置，根據(jù)有限元建模的理論分析結(jié)果顯示，本發(fā)明對磁場測量具有很好的各向同性。本發(fā)明還具有成型工裝結(jié)構(gòu)簡單，能實(shí)現(xiàn)動態(tài)場景下的磁場測量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新型磁電傳感器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種采用磁致伸縮材料結(jié)合壓電材料構(gòu)成的各向同性磁電傳感器。

背景技術(shù)

磁電效應(yīng)主要是指由磁場產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象。迄今為止，磁電效應(yīng)已經(jīng)在單相材料和復(fù)合多相材料中發(fā)現(xiàn)，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，單相材料中的磁電效應(yīng)非常小，相對來講，磁電復(fù)合多相材料中的磁電效應(yīng)非常大。磁電效應(yīng)的重要衡量目標(biāo)是其磁電響應(yīng)系數(shù)，磁電響應(yīng)系數(shù)越大，說明磁電傳感器的靈敏度越大，性能越好。因此，如何提高磁電響應(yīng)系數(shù)就成為近年來科學(xué)家們關(guān)注的重點(diǎn)。然而，在提高磁電響應(yīng)系數(shù)的同時(shí)，復(fù)合磁電材料對磁場方向的靈敏特性也成為影響傳感器精度的重要因素。

一般情況下，磁傳感器可分為矢量磁傳感器和標(biāo)量磁傳感器，其中矢量磁傳感器由三個單軸矢量磁傳感器兩兩正交組成，不僅可測量磁場的總強(qiáng)度，還能確定磁場的方向；標(biāo)量磁傳感器通常只有一個獨(dú)立的傳感單元，只能測量磁場的總強(qiáng)度，不能確定磁場的方向。按照上述分類，可將磁電傳感器分為矢量磁電傳感器和標(biāo)量磁電傳感器，評價(jià)指標(biāo)分別為磁各向異性和磁各向同性。

矢量磁電傳感器已被有關(guān)學(xué)者研究，對于矢量磁電傳感器(例如x軸)來講，理想情況下，除了在測量軸(例如x軸)上出現(xiàn)明顯的磁電響應(yīng)外，其他正交軸方向(例如y軸和z軸)的磁電響應(yīng)可以忽略不計(jì)。而對于空間某一點(diǎn)的磁場測量，通常情況下是由兩兩正交的三個單軸矢量傳感器組成，由于單軸間各向異性的影響，三軸傳感器中便存在交叉軸響應(yīng)，嚴(yán)重影響傳感器的測量精度。例如，在2006年發(fā)表的文獻(xiàn)《Near-ideal mag-netoelectricityin high-permeability magnetostrictive/piezofiber laminates with a(2-1)connectivity》中，Dong shuxiang等人研究了磁致伸縮和壓電纖維構(gòu)成的層狀磁電傳感器，其磁電響應(yīng)系數(shù)可達(dá)到22V/cm Oe(1Hz)，層狀復(fù)合材料的各向異性達(dá)到100～1000。

標(biāo)量磁電傳感器的研究思路與矢量磁電傳感器剛好相反，對于標(biāo)量磁電傳感器來講，理想情況下，除了在x軸上出現(xiàn)明顯的磁電響應(yīng)外，其他正交軸方向(例如y軸和z軸)均出現(xiàn)相同的磁電響應(yīng)。這意味著，提高交叉軸效應(yīng)會極大程度上提高傳感器的各向同性，對于結(jié)構(gòu)對稱的磁電傳感器來講，由于其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，能夠有效提高軸間的交叉響應(yīng)，極大程度能夠提高標(biāo)量磁電傳感器對磁場總強(qiáng)度的測量精度。

但是，迄今為止，尚未見到各向同性標(biāo)量磁電傳感器的相關(guān)研究報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷，本發(fā)明提出了一種各向同性磁電傳感器，其目的在于對二維平面內(nèi)的磁場實(shí)現(xiàn)各向同性測量，由此解決現(xiàn)有磁電傳感器存在的輸出電信號隨著被測磁場方向的不同而發(fā)生變化的技術(shù)問題。

本發(fā)明提出的一種新型各向同性磁電傳感器，包括一個圓形或環(huán)形壓電材料、電極和多個圓柱形磁致伸縮材料；其中：

所述多個圓柱形磁致伸縮材料均勻設(shè)在所述壓電材料上，各個磁致伸縮材料的一個底面與所述壓電材料緊密結(jié)合；各個磁致伸縮材料結(jié)構(gòu)和尺寸相同，各個磁致伸縮材料的圓心共圓；

所述電極分別設(shè)在所述壓電材料的上下兩個表面。