CN106199462A - 一种降低振动噪声的磁电传感器敏感元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁电传感器中的敏感元件，包括磁致伸缩材料层，压电材料层，其中压电材料层包括柔性叉指电极，压电纤维，导线为用于连接叉指电极的正负极给压电纤维通电极化和输出电信号。压电材料层上下各有一层磁致伸缩材料层，三层之间用环氧树脂粘结构成空间三明治结构。磁电传感器中敏感元件的弯曲结构是通过环氧树脂在粘接过程中使用有一定半径的圆柱形模具，利用真空袋压缩的压力使该结构呈弯曲状态固化，在输出同样大小的磁电信号的情况下，降低了外界振动对传感器的影响，提高了实际应用环境中的磁场探测灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于多铁性磁电材料技术领域，具体涉及一种降低振动噪声的磁电传感器敏感元件。
背景技术
磁电型磁传感器是探测磁场的重要器件，随着传感器的发展，对于超灵敏可探测弱磁信号的传感器的需求日益增多，多重推拉模式的磁传感器在1Hz下最佳灵敏度可达5pT/√Hz。抑制环境振动是弱磁信号探测的关键，成为制作超灵敏磁传感器的技术难题之一，在实际应用中尤为突出，因为超低频弱磁探测的应用环境往往伴随着相近频率的振动噪声信号，真实低频磁场响应信号被低频的振动信号所淹没，难以实现对弱磁信号的探测。
为了降低环境振动对磁电传感器探测灵敏度的影响，采用差分补偿结构是目前使用的主要技术手段。采用四端输出，利用振动信号同相位、磁电信号反相位或者利用振动信号反相位、磁电信号同相位，然后利用差分的原理，消除振动信号而提高磁电有用信号。从以上技术手段的工作原理分析可知，这种差分原理对振动信号和磁电响应信号的相位要求非常严格，器件制作的可重复性不高，能够实现差分原理的器件成功率不高，因此制作成本较高，实际应用效果不明显。
发明内容
本发明的目的是针对传统平板三明治结构的磁传感器易被环境振动噪声影响问题，提供一种在不降低磁电信号的同时，简单有效的降低环境振动噪声对传感器灵敏度影响的传感器结构。
为了实现本发明的目的提供的解决方案如下：
该磁电复合材料结构敏感元件设置为用于降低外部振动，具体为：将依次设置的第一磁致伸缩材料层、压电材料层、第二磁致伸缩材料层弯曲为三明治空间层状的曲面结构。
该磁电传感器敏感元件还包括：压电纤维组成的压电材料层上下表面均粘有叉指电极柔性电路板，在上下表面叉指电极柔性电路板上引出用以给压电材料层通电极化和输出信号的两根导线。第一磁致伸缩材料层，压电材料层，第二磁致伸缩材料层各层之间通过环氧树脂粘结构成磁电复合材料结构。叉指电极柔性电路板通过环氧树脂粘接至压电纤维上。
优选地，所述磁致伸缩材料层用的材料为非晶态合金Metglas。
优选地，所述压电材料层用的压电纤维材料为PMN-PT、PZT、LiNbO3、BaTiO3等压电材料。
优选地，环氧树脂为室温固化的双组分胶粘剂。
优选地，环氧树脂粘结过程中通过圆柱体的模具固定，通过真空压缩机抽气封装固化。
本发明相对于现有技术相比，具有显著优点如下：
(1)该敏感原件结构简单，制作成本低，可批量生产且成功率高；
(2)该敏感原件通过改变结构形状在运用在磁电传感器中降低外部环境噪声方面有显著的效果；
(3)本发明中的敏感原件可保持传统平面结构磁电复合材料结构敏感元件的磁电系数。
附图说明
图1(a)是本发明中磁电传感器敏感元件、图1(b)是磁电传感器及压电材料层的结构示意图。
图2是本发明元件振动噪声电压信号的频谱图。
图3是本发明元件振动噪声电压信号的频谱图在100Hz左右频率范围内的放大图。
图4是本发明元件100Hz下的噪声波形图。
图5是本发明元件在准静态下磁电系数随偏置磁场的变化曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，特结合本实施例中的附图，对本发明中降低振动噪声磁电传感器敏感元件结构的技术方案进行清楚完整的描述：
该降低外部振动影响的磁电复合物弯曲结构如图1(a)所示及其压电材料层如图1(b)所示，
具体结构如下：
将依次设置的第一磁致伸缩材料层1、压电材料层2、第二磁致伸缩材料层3弯曲为三明治空间层状的曲面结构；
该磁电传感器敏感元件还包括：压电纤维5上下表面粘有叉指电极柔性电路板4，6，组成压电材料层2，从电极柔性电路板4，6上引出用以给压电材料层2通电极化和输出信号的两根导线7，8；
实施例1
基于上述的磁电传感器敏感元件结构制作曲率半径为5cm的磁电复合材料结构敏感元件，该磁电复合材料结构制备方法如下：
选用PbZrO3-(1-x)PbTiO3陶瓷制作压电纤维材料5，采用三层Metglas带状合金制作磁致伸缩材料层1和3。每根压电纤维的尺寸为40×2×0.2mm3，在本实施例中选取的是5根PZT压电纤维，1和3的尺寸为每层80×10×0.025mm3。5根PZT压电纤维上下表面都有一层柔性叉指电极4和6，之间用环氧树脂粘结。环氧固化过程中，利用真空袋提供的压力使压电复合材料固定在底面半径为5cm的圆柱体模板上，真空密封24小时后取出，便得到了曲率半径为5cm的压电复合材料，从叉指电极上引出正负极导线7和8，给压电材料极化，使其具有压电性。极化后，用环氧树脂在核心压电材料层上下表面粘结Metglas带状合金，与压电材料层和叉指电极粘结方式类似，利用真空袋提供的压力使Metglas以同样的方式弯曲并且固化，实现弯曲的多重推拉模式的磁电复合材料。
实施例2
用与实施例1中相同的制备方法使用底面半径为3cm的圆柱体模板制备曲率半径为3cm的磁电复合材料敏感元件。
对比例
用与实施例1中相同的制备方法使用平面模板制备传统的平面磁电复合材料敏感元件。
分别对比例中曲率半径为3cm，5cm以及平面结构的磁电复合材料敏感元件所制磁电传感器，将三种传感器置于激振台上，测试100Hz下的振动对它们的影响，将传感器连到动态信号分析仪上得出振动噪声电压信号的频谱图，如图2所示，可以看出在100Hz下，三种传感器由于振动产生的噪声电压的大小对比是V平面＞V曲面-1＞V曲面-2，得出磁电复合材料结构曲率半径越小，其由于振动产生的噪声越小。为了更明显的看到噪声的减小倍数，将100Hz左右的信号局部放大，如图3所示，可以看出曲面结构的磁电复合材料制成的传感器收到的噪声信号比传统的至少减小了600倍。
将在100Hz下振动的传感器连到示波器上，可以得出在100Hz下传感器由于振动产生的噪声电压信号随时间的变化波形图，如图4所示，由曲面结构的磁电复合材料制成的传感器产生的噪声信号波形幅度远小于平面结构磁电复合材料制成的传感器，可见传感器抗振动干扰的性能得到了大幅度的提升。
分别测试三个传感器在准静态(1kHz)下的磁电系数随偏置磁场的变化，如图5所示，可以看出在8Oe左右的偏置磁场下，它们的磁电系数都在16V/(cm×Oe)左右。可以得出结论，由曲面结构磁电复合材料制成的传感器与传统的平面结构磁电复合材料制成的传感器相比，在降低外部振动噪声影响的同时，其磁电系数并未降低，从而提高了信噪比和灵敏度。
Claims (8)
1.一种降低振动噪声的磁电传感器敏感元件，其特征在于，该敏感元件设置为用于降低外部振动的结构，具体为：将依次设置的第一磁致伸缩材料层(1)、压电材料层(2)、第二磁致伸缩材料层(3)为三明治层状空间曲面结构，且三层具有同样的弧度复合。
2.根据权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，由压电纤维(5)组成的压电材料层(2)上下表面粘有叉指电极柔性电路板(4，6)，从叉指电极柔性电路板(4，6)上引出用以给压电纤维(5)通电极化和输出信号的两根导线(7，8)。
3.根据权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，第一磁致伸缩材料层(1)，压电材料层(2)，第二磁致伸缩材料层(3)三层结构之间用环氧树脂连接构成磁电复合材料结构。
4.根据权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，所述的叉指电极柔性电路板(4，6)通过环氧树脂粘接至压电纤维(5)上。
5.根据权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，所述压电纤维(5)所用的压电材料包括PZT、PMN-PT、LiNbO3、BaTiO3。
6.根据权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，磁致伸缩材料层采用非晶态合金Metglas。
7.根据权利要求3所述的敏感元件，其特征在于，所述的环氧树脂为室温固化的双组分胶粘剂。
8.根据权利要求3所述的敏感元件，其特征在于，所述的环氧树脂粘结过程中通过圆柱体的模具固定，通过真空压缩机抽气封装固化。
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