CN101286728B - 磁电谐振换能器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁电谐振换能器。在换能领域，该换能器能高效的实现磁量到电能的转换，属于电工器件领域。本发明包括压电材料(1、3、4)，磁致伸缩材料(2)，导线(5)为用于连接压电材料1和4，6为导线(6)为用于连接3和4，电压输出端(7)连接压电材料3和4，公共地端(8)连接压电材料7和1。压电材料(1)、磁致伸缩材料(2)和压电材料(3)三层材料之间用导电胶粘接，三层材料的厚度比例优化为1∶0.5～0.8∶1。本发明能精确的实现磁场强度量向电压量的转换，在谐振频率下，磁电系数高达57.3V/Oe。

Description

磁电谐振换能器件

技术领域

本发明涉及一种高性能磁电谐振换能器件，属于压电器件领域。

背景技术

在磁场探测领域，弱磁场的测量具有非常广泛和重要的意义，主要应用于地磁场测量，月球、金星、火星等外层空间磁场的测量，海洋磁测量，地面磁法勘测，地磁脉动勘测，舰船磁性测量，石油钻井中的随钻测斜，人体磁场、人体心磁图、人体脑磁图等医学测量领域。

常用的弱磁场测量仪器有机械式磁力仪、磁通门磁力仪、质子旋进式磁力仪、光泵磁力仪、超导量子磁力仪等。但是这些弱磁测量仪器随着测量精度的提高，成本大幅度的提升，而且测量系统变的庞大，极大的限制了弱磁测量的广泛应用。

将磁致伸缩材料的磁致伸缩效应和压电材料的压电效应结合，为发明一种精度高、体积小、结构简单、成本低廉的新型弱磁测量仪器提供了新思路。

发明内容

本发明涉及的磁电谐振换能器件结构如图1所示，其中1、3、4为压电材料，2为磁致伸缩材料，5为导线用于连接压电材料1和4，6为导线用于连接3和4，7为电压输出端连接压电材料3和4，8为公共地端连接压电材料7和1。采用压电材料2实现电弹转换功能，采用磁致伸缩材料1和3实现磁弹转换功能，并且采用多层压电和磁致伸缩材料层叠来提高其电能到磁能的转换效率。

磁电谐振换能器件结构如图1所示，具有磁致伸缩材料1-压电材料2-磁致伸缩材料3-压电材料4的层状空间结构。

1、2、3三层材料之间用导电胶粘接，实现机械耦合。三层材料的厚度比例优化为1∶0.5～0.8∶1，优选的厚度比为1∶0.65～0.75∶1。从上下两层磁致伸缩材料1和3的外表面引出电极。

使用压电材料4实现对1和3两电极的输出电压进行放大的功能。

压电材料4的结构如图2所示，在图2中，1为驱动部分，2为输出部分，3为输入电极，4为公共地端，5为输出电极。将完整的一个压电材料分成两部分1和2，左半部分1的上下两面涂覆银电极，沿厚度方向极化，分别做为输入端3和地端4，右半部分2的右端也有银电极，沿长度方向极化，做为输出端5。当正弦交变电压加到3和4之间时，通过逆压电效应和压电效应，在输出端5和4之间产生高的电压，起到对输入电压放大的作用。例如，由新型压电材料铌镁酸铅-钛酸铅单晶制备的起放大作用的压电材料在谐振状态下有高达105的升压比。

磁电谐振换能器件结构如图1所示，使用导线5和6将1、2、3和4相连。为了电绝缘，在3与4之间用双面胶连接，并填充一层很薄的泡沫材料。薄层泡沫材料起到减小机械耦合干扰的作用。磁电谐振换能器件在谐振频率获得最大换能效率。

附图说明

图1出示了新型磁电谐振换能器的结构示意图，其中，1为压电材料，2为磁致伸缩材料，3为压电材料，4为压电材料，5为连接1和4的导线，6为连接3和4的导线，7为电压输出端，8为公共地端。

图2出示了具有放大功能的压电材料的结构示意图以及材料工作时的位移和应力分布示意图，1为驱动部分，2为输出部分，3为输入电极，4为公共地端，5为输出电极。

图3出示了具有放大功能的压电材料的升压比随频率变化的特性曲线。

图4出示了图1中1、2、3三片材料以5、6为电极的扫频特性曲线。

图5出示了磁电谐振换能器的磁电系数随频率变化的特性曲线。

具体实施方式

出示制备一个新型磁电谐振换能器件的完整过程，对换能器随信号频率变化特性进行测试，对具有放大功能的压电材料的升压比随频率变化特性进行测试，在以上结果的基础上完成最佳工作状态的调试和优化。

磁电谐振换能器件结构如图1所示，选择用改进的Bridgman方法生长的<001>或<110>取向、组分为0.20≤x≤0.34的(1-x)PMN-xPT晶体，制作压电材料2。Terfenol-D合金制作磁致伸缩材料1和3。PMN-PT的尺寸为22×2×1mm³，Terfenol-D尺寸为22×2×1mm³。从1和3的上下表面引出电极4和5。1、2、3之间的粘接采用导电的环氧树脂胶。使得从上下两层导电的磁致伸缩材料引出的电极上能有效地获得压电材料上下表面间的输出电压。

选择用改进的Bridgman方法生长的<001>或<110>取向、组分为0.20≤x≤0.34的(1-x)PMN-xPT晶体，制作压电材料4，尺寸为16*4*1mm³。具有放大功能的压电材料结构如图2所示，左半部分为驱动部分1，上下两面涂覆银电极，沿厚度方向极化，做为输入端3和公共地端4，右半部分的右端也有银电极，沿长度方向极化，做为输出端5。

测试的具有放大功能的压电材料的升压比随着频率的变化。信号发生器与输入端和地端相连接，示波器与输出端和地端相连接。由于示波器的阻抗很大，所以可以认为变压器在负载阻抗趋向无穷大。测试的结果如图3所示。在50kHz时候，升压比达到最大值约为105左右。

为了使整个磁电谐振换能器都工作在谐振频率下，以获得最大换能效率，必须对各个材料的谐振频率进行控制。

根据图1所示结构，最开始的时候，制备的压电材料2和磁致伸缩材料1和3的长度大约为22mm长，进行磁电扫频后，谐振频率在40KHz附近，然后根据谐振频率与尺寸的关系，把粘合在一起的1、2、3磨短一点，然后再进行磁电扫频；如此反复几次，直到样品的频率达到50kHz附近。

优化后的PMNT层和Terfenol-D层的尺寸相同，均为20*2*1mm³，扫频的结果如图4所示。最优的偏置磁场约为250Oe。谐振频率在50.2kHz。

1、2、3和4组合完毕后，测试其磁电系数，如图5所示。可见，在50KHz，粘合在一起的1、2、3工作在谐振频率，同时压电材料4也工作在最佳升压比状态，从而组合完毕后的磁电换能器有高达57.3V/Oe的磁电系数。

这种新型磁电换能器，结构设计简单，不需要供电，非常有利于主动式磁探测和大的磁电能量转换。同时，由于引入具有放大作用的压电材料，很有利于与前面的三层材料阻抗匹配。由于不需要外接前置放大电路，整个系统的响应时间很小。

Claims (2)

1.磁电谐振换能器件，具有第一磁致伸缩材料(1)-第一压电材料(2)-第二磁致伸缩材料(3)-第二压电材料(4)的层状空间结构，

第一磁致伸缩材料(1)、第一压电材料(2)、第二磁致伸缩材料(3)三层材料之间用导电胶粘接，实现机械耦合，采用Terfeno1-D合金制作第一磁致伸缩材料(1)和第二磁致伸缩材料(3)，选择用PMN-PT晶体制作第一压电材料和第二压电材料，作为第一压电材料和第二压电材料的PMN-PT尺寸为22×2×1mm³，作为第一磁致伸缩材料和第二磁致伸缩材料Terfenol-D尺寸为22×2×1 mm³，从第一磁致伸缩材料(1)和第二磁致伸缩材料(3)的外表面引出电极，

使用第二压电材料(4)实现对第一磁致伸缩材料(1)和第二磁致伸缩材料(3)两电极的输出电压进行放大的功能，

使用导线(5、6)将第一磁致伸缩材料(1)、第一压电材料(2)、第二磁致伸缩材料(3)、第二压电材料(4)相连，为了电绝缘，在第二磁致伸缩材料(3)与第二压电材料(4)之间用双面胶连接，并填充一层泡沫材料。

2.按权利要求1所述的磁电谐振换能器件，其特征在于所述的PMN-PT晶体的化学组成为(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃，0.20≤x≤0.34，晶体学方向为<001>和<110>方向。

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