CN108037472B - 一种新型各向同性磁电传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型各向同性磁电传感器结构，该各向同性磁电传感器由圆柱状的磁致伸缩材料与圆环状的压电材料组成。各向同性磁电传感器根据结构上呈对称状态，因此对二维平面内变换的磁场，无关传感器与被测磁场方向的夹角为多少，其输出是不会改变的。在此基础上，本发明提出一种各向同性磁电测量装置，该装置在所述传感器正上方以及正下方放置对称磁铁，产生对称发散的偏置磁场，从而实现不影响各向同性的同时，增大磁电转换系数。本发明中，两个磁铁与磁电传感器完全同轴放置，根据有限元建模的理论分析结果显示，本发明对磁场测量具有很好的各向同性。本发明还具有成型工装结构简单，能实现动态场景下的磁场测量。
Description
技术领域
本发明属于新型磁电传感器领域，更具体地，涉及一种采用磁致伸缩材料结合压电材料构成的各向同性磁电传感器。
背景技术
磁电效应主要是指由磁场产生的电极化现象。迄今为止，磁电效应已经在单相材料和复合多相材料中发现，据相关文献报道，单相材料中的磁电效应非常小，相对来讲，磁电复合多相材料中的磁电效应非常大。磁电效应的重要衡量目标是其磁电响应系数，磁电响应系数越大，说明磁电传感器的灵敏度越大，性能越好。因此，如何提高磁电响应系数就成为近年来科学家们关注的重点。然而，在提高磁电响应系数的同时，复合磁电材料对磁场方向的灵敏特性也成为影响传感器精度的重要因素。
一般情况下，磁传感器可分为矢量磁传感器和标量磁传感器，其中矢量磁传感器由三个单轴矢量磁传感器两两正交组成，不仅可测量磁场的总强度，还能确定磁场的方向；标量磁传感器通常只有一个独立的传感单元，只能测量磁场的总强度，不能确定磁场的方向。按照上述分类，可将磁电传感器分为矢量磁电传感器和标量磁电传感器，评价指标分别为磁各向异性和磁各向同性。
矢量磁电传感器已被有关学者研究，对于矢量磁电传感器(例如x轴)来讲，理想情况下，除了在测量轴(例如x轴)上出现明显的磁电响应外，其他正交轴方向(例如y轴和z轴)的磁电响应可以忽略不计。而对于空间某一点的磁场测量，通常情况下是由两两正交的三个单轴矢量传感器组成，由于单轴间各向异性的影响，三轴传感器中便存在交叉轴响应，严重影响传感器的测量精度。例如，在2006年发表的文献《Near-ideal mag-netoelectricityin high-permeability magnetostrictive/piezofiber laminates with a(2-1)connectivity》中，Dong shuxiang等人研究了磁致伸缩和压电纤维构成的层状磁电传感器，其磁电响应系数可达到22V/cm Oe(1Hz)，层状复合材料的各向异性达到100～1000。
标量磁电传感器的研究思路与矢量磁电传感器刚好相反，对于标量磁电传感器来讲，理想情况下，除了在x轴上出现明显的磁电响应外，其他正交轴方向(例如y轴和z轴)均出现相同的磁电响应。这意味着，提高交叉轴效应会极大程度上提高传感器的各向同性，对于结构对称的磁电传感器来讲，由于其结构优势，能够有效提高轴间的交叉响应，极大程度能够提高标量磁电传感器对磁场总强度的测量精度。
但是，迄今为止，尚未见到各向同性标量磁电传感器的相关研究报道。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷，本发明提出了一种各向同性磁电传感器，其目的在于对二维平面内的磁场实现各向同性测量，由此解决现有磁电传感器存在的输出电信号随着被测磁场方向的不同而发生变化的技术问题。
本发明提出的一种新型各向同性磁电传感器，包括一个圆形或环形压电材料、电极和多个圆柱形磁致伸缩材料；其中：
所述多个圆柱形磁致伸缩材料均匀设在所述压电材料上，各个磁致伸缩材料的一个底面与所述压电材料紧密结合；各个磁致伸缩材料结构和尺寸相同，各个磁致伸缩材料的圆心共圆；
所述电极分别设在所述压电材料的上下两个表面。
优选地，所述磁致伸缩材料为Terfenol-D、Metglas、Fe-Ga或NiFe2O4磁性材料，磁致伸缩效应更加明显。
优选地，所述压电材料为PZT-5、PZT-4、PMNPT、PZNPT、PVDF或BaTiO3，具有较强的压电性能。
优选地，所述磁致伸缩材料的直径与环形压电材料内外半径之差相等。
基于所述磁电传感器，本发明还提出一种各向同性磁电测量装置，包括底座、第一磁铁、导柱、载物板、磁电传感器、第二磁铁、顶座、固定螺母、压电材料PZT-5H、Terfenol-D块材、正电极、负电极、所述底座与顶座为上下平行两个平面结构，分别用于设置第一磁铁和第二磁铁；其中：
所述载物板为与所述底座平行的平面结构，用于设置各向同性磁电传感器；所述底座用于安放导柱和第一磁铁；
所述第一磁铁、第二磁铁为同磁极一侧相邻设置，均设在上下平面结构的内侧；所述第一磁铁、第二磁铁中心轴线均与所述磁电传感器中心轴线重合，形成由轴心对称发散的磁场。
优选的，所述的各向同性磁电测量装置中，所述底座与顶座之间的载物板，其上侧面通过若干个导柱与顶座相连，其下侧面通过若干个导柱与底座相连。
优选的，所述各向同性磁电测量装置中，所述底座、导柱、载物板、顶座、固定螺母为非磁性材料制成，可避免影响磁电传感器对磁场的测量；
优选的，所述各向同性磁电测量装置中，所述第一磁铁、第二磁铁结构和参数相同。
优选的，所述各向同性磁电测量装置中，所述各向同性磁电传感器设在第一磁铁和第二磁铁之间的中间位置。
本发明的构思是通过磁电传感器的结构对称设置，并附加一个对称的偏置磁场，使得处于外部磁场下的磁电传感器具有各向同性。
为了实现上述目的，本设计中首先选用了具有强磁致伸缩效应的磁致伸缩材料Terfenol-D块材，以及具有很好压电特性的PZT-5H。然后将多个圆柱型的磁致伸缩材料与压电材料相粘合，在结构上实现对称结构，为了获得较好的各向同性，圆柱状的磁致伸缩材料尽可能多的增加数量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够获得下列有益效果。
(1)首先，本发明提高了磁场测量精度。目前行业内的磁电传感器分为单轴磁电传感器与三轴磁电传感器。对于单轴磁电传感器来讲，测量外部磁场时不仅会在敏感轴方向上会有磁电输出，在其他方向上会出现相应的不期望的输出。对于三轴传感器来讲，由于其各向异性的存在，各轴之间会存在交叉轴响应。总之，由于各向异性的存在，无论单轴还是三轴传感器，其输出精度都严重降低。而各向同性磁电传感器由于其结构对称，并且置于由中心对称发散的偏置磁场中，提高了对外部磁场测量的精度。
(2)本发明的第二个特点是采用分立的圆柱型磁致伸缩材料。当本结构的圆柱型磁致伸缩材料的数量增加时，其极限情况就是一个圆环，但是圆环型的磁致伸缩材料在磁场中各方向上的退磁场是不同的，所以处于外磁场的圆环被磁化时磁化强度在各方向上差异很大。但是圆柱型磁致伸缩材料在磁场中在各方向上的磁化强度是均匀的，采用分离的圆柱型磁致伸缩材料可以增加输出电信号的大小。
(3)本发明的第三个特点是实现磁场的直接测量。对于传统的三轴磁电传感器来讲，要实现测量平面内的磁场大小，需要通过三轴测量的磁场矢量进行计算，计算出矢量和大小，从而得到被测磁场的大小。而各向同性磁电传感器无需通过计算，直接便可测得外部磁场大小，大大降低了磁场测量的数据处理，提高了测量精度。
(4)本发明的第四个特点是可以应用于空间磁场测量，海下磁信号测量等动态环境中的磁信号测量。当测量动态环境中的磁场时，该传感器十分有用。例如海下探测，由于海浪的作用，沉入海底的传感器不可避免会发生角度旋转，各向异性磁电传感器的输出会受到极大影响，而各向同性传感器的测量结果会在极小的范围内进行波动，只有当外来潜艇入侵时，其输出信号才发生极大的变化，因此各向同性磁电传感器很容易分辨出海底是否出现异常，极大的提高测量结果的准确性。
附图说明
图1为本发明中各向同性磁电传感器结构的工装示意图；
图2为各向同性磁电传感器的俯视图；
图3为各向同性磁电传感器的侧视图；
图4为各向同性磁电传感器的3D视图；
图5为对该磁电传感器进行有限元仿真测得结果图。
其中，1.底座；2.第一磁铁；3.导柱；4.载物板；5.磁电传感器；6.第二磁铁；7.顶座；8.固定螺母；9.PZT-5H；10.Terfenol-D块材(9个)；11.正电极；12.负电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明设计的一种新型的各向同性磁电传感器，对于该各向同性磁电传感器由磁致伸缩材料与压电材料组成，磁致伸缩材料具有磁致伸缩性，压电材料具有压电性。磁致伸缩材料在外部磁场作用下，产生相应大小的形变量，因为磁致伸缩材料与压电材料通过胶等物理方法耦合在一起，磁致伸缩的形变量会在通过力学的作用传递给压电材料，压电材料因其具有压电性，会在压电材料的表面产生相应的感应电荷，从而在压电材料的上下表面会产生电势差，即可以通过测量输出电压的大小得到外部磁场的大小。本发明通过对称的磁电传感器结构，并外加对称发散的偏置磁场，解决了水平面内，磁电传感器的输出对磁场与传感器角度的依赖。
图1为各向同性磁电传感器结构示意图，由图可知，各向同性测量平台由底座1以及顶座7以及导柱8构成整个框架，螺丝8对顶座7具有固定作用，在结构框架上增加载物板4，仍用螺柱8固定，载物板4中心放置传感器5，为了使传感器能够处于对称发散的偏置磁场中，在磁电传感器的上下方向对称放置同等规格的磁铁2与磁铁6。为了避免外界因素对磁场的影响，本实施例中，底座1，导柱3，顶座7，固定螺母8都采用塑料结构；载物板4采用玻璃结构构成整个测量结构。
图2为本实施例中磁电传感器5的俯视图，可以看出，磁电传感器5有9个具有磁致伸缩性的Terfenol-D块材材料10以及同心圆柱的压电材料PZT-5H 9构成。其中压电材料9的内环直径为10mm,外环直径为20mm。9个磁致伸缩材料Terfenol-D 10与PZT同心构成对称结构，其直径为5mm,与PZT-5H壁厚一致，放置最大个数的磁致伸缩材料Terfenol-D 10。
图3为本实施例中磁电传感器5的侧视图，由图可得，Terfenol-D材料10的厚度与压电材料9的厚度一致，均为2mm。
图4为本实施例中磁电传感器5的3D视图，其中PZT 9是压电材料，由PZT-5H构成；9个磁致伸缩材料10为由terfenol-D构成的磁致伸缩块材材料。
图5为有限元仿真对各向同性磁电传感器施加不同角度的外部磁场得到的电压输出结果。将传感器5至于磁场中，改变被测磁场与传感器的夹角，获得其不同的电压输出，验证该传感器的各向同性。
该结构中的关键技术要求产生偏置磁场的磁铁2与磁铁6上下严格对称，并且与传感器5严格处于同轴位置。工作台4处于水平状态，测量磁场处于传感器5的径向水平面内；对于传感器5，其压电材料PZT-5H 9的内外圆环严格同轴。9个磁致伸缩材料Terfenol-D 10在360平面内均匀布局，其直径与压电圆环pzt-5H 9严格相等，且关于PZT-5H同心呈圆周对称结构。对于上述传感器设计，对该结构采用有限元方法进行仿真，获得其最终电压输出验证该传感器的各向同性。
将图1所示的各向同性磁电传感器置于的大a*a m2的正方体空气中心，在空气表面添加变化的磁标势，使得传感器处于±1Oe(正负1奥斯特)变化范围内的磁场中，将压电材料的下端接地，上端设置为输出终端,通过测量输出电压的大小分析该结构的各向同性。
由于各向同性传感器是对称结构，其相邻的磁电传感器圆心角度通过用整个圆周角(360°)除以磁致伸缩材料的个数得到，将传感器放置在将传感器在某一固定大小，固定方向的磁场中进行θ角度范围内的旋转，测量其输出电压的大小，分析其最大最小值，其值若接近于1:1，则证明该结构具有各向同性。
本仿真实施例中，传感器所在环境空气大小为100mm*100mm，在正方体空气表面设置磁标势大小为±0.8A范围内变化的磁标势，使得磁电传感器位于±1Oe(正负1奥斯特)变化的磁场环境中。由于其磁致伸缩材料的个数为9，因此相邻磁致伸缩材料间圆心角度θ为40°，所以使得磁电传感器在某一固定磁场大小与固定磁场方向在0°-36°范围内进行转动测量其输出电压大小；其结果分别取0°，4°，8°，16°，24°，28°，36°，如图5展示。
由图5可知：其输出最大值与最小值相差在0.01V之内，在各方向上输出电压值几乎接近于1:1，与文中提到的各向异性磁电传感器相比，具有很好的各向同性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种新型各向同性磁电传感器，其特征在于，包括一个圆形或环形压电材料、电极和多个圆柱形磁致伸缩材料；其中：
所述多个圆柱形磁致伸缩材料均匀设在所述压电材料上，各个磁致伸缩材料的一个底面与所述压电材料紧密结合；各个磁致伸缩材料结构和尺寸相同，各个磁致伸缩材料的圆心共圆；
所述电极分别设在所述压电材料的上下两个表面。
2.根据权利要求1所述的磁电传感器，其特征在于，所述磁致伸缩材料为Terfenol-D、Metglas、Fe-Ga或NiFe2O4磁性材料。
3.根据权利要求1所述的磁电传感器，其特征在于，所述压电材料为PZT-5、PZT-4、PMNPT、PZNPT、PVDF或BaTiO3。
4.根据权利要求1所述的磁电传感器，其特征在于，所述磁致伸缩材料的直径与环形压电材料内外半径之差相等。
5.一种基于权利要求1-4所述任一磁电传感器的各向同性磁电测量装置，其特征在于，包括底座(1)、第一磁铁(2)、导柱(3)、载物板(4)、第二磁铁(6)、顶座(7)、固定螺母(8)、各向同性磁电传感器(5)及其引出的正电极(11)、负电极(12)；
所述底座(1)与顶座(7)为上下平行两个平面结构，分别用于设置第一磁铁和第二磁铁；其中：
所述载物板(4)为与所述底座(1)平行的平面结构，用于设置各向同性磁电传感器；所述底座(1)用于安放导柱(3)和第一磁铁(2)；
所述第一磁铁(2)、第二磁铁(6)为同磁极一侧相邻设置，均设在上下平面结构的内侧；所述第一磁铁(2)、第二磁铁(6)中心轴线均与所述各向同性磁电传感器中心轴线重合，形成由轴心对称发散的磁场。
6.根据权利要求5所述的各向同性磁电测量装置，其特征在于，所述底座(1)与顶座(7)之间的载物板(4)，其上侧面通过若干个导柱与顶座相连，其下侧面通过若干个导柱与底座相连。
7.根据权利要求5所述的各向同性磁电测量装置，其特征在于，所述底座(1)、导柱(3)、载物板(4)、顶座(7)、固定螺母(8)为非磁性材料制成。
8.根据权利要求5所述的各向同性磁电测量装置，其特征在于所述第一磁铁、第二磁铁结构和参数相同。
9.根据权利要求5所述的各向同性磁电测量装置，其特征在于，所述各向同性磁电传感器设在第一磁铁和第二磁铁之间的中间位置。
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