[發明專利]基于面內軸向逆磁電效應的多層復合材料電場測量傳感裝置

在審

• 申請號: 201910973887.5
• 申請日: 2019-10-14
• 公開（公告）號: CN110749780A
• 公開（公告）日: 2020-02-04
• 發明（設計）人: 何金良;胡軍;韓志飛;楊光照;薛芬;余占清;曾嶸;張波;李琦;莊池杰
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01R29/08
• 分類號: G01R29/08
• 代理公司: 12217 天津市尚儀知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 王山

一種基于面內軸向逆磁電效應的多層復合材料電場測量傳感裝置，包括鐵電材料相，鐵磁材料相，粘結層,所述鐵電材料相和鐵磁材料相之間通過粘結層相互耦合，所述粘接層起到界面連接及應變耦合作用，所述電材料相，鐵磁材料相，粘結層處于直流偏置磁場下，電場導致鐵電相材料產生形變，鐵電相材料的形變耦合至鐵磁材料相，利用磁場傳感器對材料附近磁場變化進行測量，優化偏置磁場可優化傳感裝置的靈敏度。其有益效果是：應用逆磁電效應實現磁能和電能的相互轉換，因此裝置可以測量的電場的帶寬很大，可方便地測量高強度、高頻率的電場，所測電場工作范圍可達100kV/cm以上。

技術領域

本發明涉及電場傳感領域，特別是一種電場測量范圍高、靈敏高的基于面內軸向逆磁電效應的微型多層復合材料電場測量傳感裝置。

背景技術

如今，能源問題已經成為全球各個國家地區所共同面臨的發展問題，我國人口眾多、疆域遼闊，能源需求量極大。電力能源是全球范圍內需求量最大的能源之一，與我們的生產生活密切相關。我國電力系統的發展已經取得了舉世矚目的成就，目前我國發電量已經位居世界第一，我們已經建立起電壓等級高、互聯范圍廣、復雜程度高的電力生產、輸送、分配、消費網絡。但是，我國電網仍然面臨著諸多困難和挑戰。因此，提高能源利用效率、加快電網智能化改造、進一步優化電能的生產輸送分配勢在必行。

隨著工業水平和互聯網技術的快速發展，穩定、安全、靈活、高效的新一代智能電網已經成為我國電力系統的發展方向。新一代智能電網將呈現出分布式可再生能源的大規模接入、高壓交直流互聯、儲能系統和電動汽車的大規模接入、用戶需求多樣化已經多種能源系統并入等特點。新一代智能電網將改變我們生產生活的方方面面。

智能電網的核心在于多端數據信息的實時反饋與多端設備的實時動態控制。實現實時動態控制的基礎是告知電網實時信息數據，因此，構建新一代電力系統信息網絡是智能電網的基礎工程，通過電力傳感器網絡的構建，可實現對電網任意節點的實時監測，進而實現對電網故障的快速精準地識別和定位、電網資源的優化配置、自診斷和自恢復能力的進一步提升，并為電力系統的調配和控制提供實時信息。最終實現能量系統與信息系統的深度融合。

電壓是電力系統中最基礎的電氣量，對整個電力系統起著至關重要的作用，因此，電壓/電場傳感器具有極大的市場需求。電力系統中電壓/電場具有測量環境復雜、幅值高、頻帶寬等特點，同時廣域實時監測的需求還要求傳感器具有低成本、小體積的特征。

目前電壓/電場傳感器主要應用的原理包括電光效應、靜電感應、壓電效應以及基于MEMS技術的傳感器。但目前已有的電壓/電場傳感器還不能滿足電力系統的需要。

具有非易失性和可逆敏感性的逆磁電效應復合材料在磁邏輯器件和電場調制磁微波領域發揮了重要作用。然而，逆磁電效應的應用不應局限于當代視野，線性度等性能的改善將有助于其他新領域的蓬勃發展。在電壓/電場傳感領域，逆磁電效應復合材料的線性性能也將在非接觸、寬范圍和芯片級電場傳感器中發揮非常重要的作用。

發明內容

本發明的目的為：

提出一種基于面內軸向逆磁電效應的微型多層復合材料電場測量傳感裝置，以此來實現寬頻帶、高精確度的電場測量。

設計思路為：

磁電效應是指物體由電場作用產生的磁化效應或由磁場作用產生的電極化效應，磁電效應可實現電場能量與磁場能量之間的相互轉換，利用磁電效應可實現通過磁場控制電極化或是通過磁場控制電極化。因此，磁電效應已經逐步開始運用于電場和磁場傳感器領域，并且在其他領域磁電效應也將發揮舉足輕重的作用。

本裝置利用鐵電材料的壓電效應和鐵磁材料的磁致伸縮效應相互耦合，并以過環氧薄膜將鐵電材料和鐵磁材料相互耦合。由此可將電場的信號轉化為應力信號進而又轉化為磁場信號，探測此磁場信號即可表征外電場。