CN110793510B - 一种测量面内交流磁场的磁电罗盘及其制造方法 - Google Patents

一种测量面内交流磁场的磁电罗盘及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种测量面内交流磁场的磁电罗盘及其制造方法，包括压电材料，杆状弹性材料，永磁体材料，柔性电极片，绝缘材料，法兰盘压力传递装置，末端质量块；永磁体材料在外磁场的作用下产生扭矩，并对压电材料产生压应力的作用，压电材料产生电信号输出，继而实现对外界交流磁场的传感。本发明的磁场传感器，相比于常见的磁电传感器，无需偏置磁场，驱动简单，能耗低，可以作为无源器件使用，基于磁扭电的悬臂梁结构也大大提高了传感器的使用寿命。本发明的磁场传感器，可以用于面内交流磁场大小和方向的测试，在工业设备的磁场测定中具有重大的应用前景。

Description

一种测量面内交流磁场的磁电罗盘及其制造方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种测量面内交流磁场的磁电罗盘及其制造方法。
背景技术
通常的磁电传感器主要由磁致伸缩材料和压电/铁电材料构成，磁致伸缩材料和压电/铁电材料通过“磁-弹-电”耦合理论进行相互作用，实现电极化强度到磁化强度的相互转换。基于这种原理的磁电传感器，由于其应变为媒介的“磁-弹-电”耦合作用，往往只对某个特定方向的直流磁场或者交流磁场有响应，同时工作频率往往高达几千Hz甚至几万Hz，这极大地限制了其作为磁电罗盘在低频工业设备中的应用。另外，该种方式的磁电传感器还有以下的缺陷：第一，需要外接亥姆霍兹线圈为其提供直流偏置磁场，这使其无法成为无源器件，不利于其广泛应用；第二，所需要的直流偏置磁场往往很高，比如，Terfenol-D磁致伸缩材料的直流偏置磁场高达几百到几千Oe，Metglas磁致伸缩材料的直流偏置磁场高达几个Oe，这些材料在使用时需要对亥姆霍兹线圈输入很高的电流来维持直流偏置磁场，大大增加了器件的能耗以及系统的发热。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量面内交流磁场的磁电罗盘及其制造方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种测量面内交流磁场的磁电罗盘，包括压电材料、杆状弹性材料、永磁体材料、柔性电极片、绝缘材料、法兰盘压力传递装置和末端质量块；压电材料为环状结构，以多层结构叠加形成压电堆，压电材料的表面设置有电极；杆状弹性材料为两端带有螺纹的杆状结构，杆状弹性材料的一端连接两个法兰盘压力传递装置，压电堆套设在两个法兰盘之间的杆状弹性材料上；两个法兰盘压力传递装置相对的两个面上均设置有绝缘材料，柔性电极片贴合于压电堆和绝缘材料之间；杆状弹性材料的另一端通过螺纹连接末端质量块，末端质量块为“T”字形结构，两侧的端面上设置有有方形或者圆形的槽，永磁体材料安装在槽内，该磁电罗盘器件整体呈现为杠铃结构。
进一步的，压电材料为单晶或者多晶陶瓷材料，具体为AlN、石英、LiNbO3、BaTiO3、ZnO、Pb(Zr,Ti)O3、Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3、Pb(Zn,Nb)O3-PbTiO3、Pb(Ni,Nb)O3-Pb(Zr,Ti)O3或BiScO3-PbTiO3中的一种；杆状弹性材料为Cu、Fe、Ni、Ti或Al中的一种；永磁体材料为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体或稀土永磁材料中的一种。
进一步的，压电材料上的电极等分成两个半圆环，所用的材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Fe、Co、Ni或Ti中的一种。
进一步的，柔性电极片为圆环状薄片结构，基底材料为苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC或聚丙烯PP中的一种，柔性电极片中的导电材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt或Ni中的一种；压电材料为圆环结构，绝缘材料为圆环状结构，尺寸与压电材料制成的圆环相当，材料为氧化铝、氧化锆、碳化硅或者工程塑料；柔性电极片包括两种结构，一种为表面有两个半圆形电极，另一种为表面有一个圆环电极。
进一步的，法兰盘压力传递装置为圆环状结构，尺寸与压电材料相匹配；末端质量块的材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt、Fe或Ni中的一种。
进一步的，压电材料的圆环结构外直径为2-20mm，内直径为0.5-2mm，厚度为0.1-5mm；杆状弹性材料的长度为1-100mm，直径为0.5-2mm；永磁体材料为圆柱状或者长方体状、正方体状的块体，底面积与“T”字形末端质量块侧面的圆形、或方形槽的面积相当，永磁体材料为圆柱状时磁化方向为沿圆柱体的轴向方向，永磁体材料为长方体状或正方体状时磁化方向为长方体状或正方体状的厚度方向。
进一步的，杆状弹性材料上设置有用于压紧法兰盘压力传递装置的螺母和弹性垫片。
进一步的，一种测量面内交流磁场的磁电罗盘的制造方法，包括以下步骤：
步骤1，提供一个压电材料，将压电材料加工成所需要的尺寸及形状，并用超纯水超声清洗干净；
步骤2，压电材料表面的上、下端通过银浆退火、蒸镀或者磁控溅射的方式镀上电极，表面电极的形状为两个相同的半圆环形；
步骤3，压电材料在做好电极后沿厚度方向极化，多个压电材料通过极化方向相同的串联方式构成压电堆结构，每个压电片之间需要定位，使其半圆环形的电极对齐重合；
步骤4，两片柔性电极片贴合于压电堆的两个端面，用于传导电信号，贴好柔性电极片的压电堆两端再贴合两片圆环状的绝缘材料；
步骤5，在贴合好柔性电极片和绝缘材料的压电堆的中心孔中插入杆状弹性材料，并通过螺母和弹性垫片将其与两片压力传递装置固定于一个基座上，压力传递装置为法兰盘结构，通过弹性垫片和螺母施加沿轴向的预紧力，使压电堆处于压缩工作模式；
步骤6，末端质量块固定在上述结构的杆状弹性材料的自由端，两个大小相同的永磁体材料用环氧树脂粘接在末端质量块侧面的槽结构上，在室温下固化24小时；
步骤7，在柔性电极片的输出端焊接导线便于引出信号。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明的基于磁扭电效应的磁电传感器，不需要外接直流偏置磁场，即可使用，大大降低了器件的能耗，扩展了器件使用范围。同时该发明的悬臂梁结构，也不同于传统的悬臂梁结构，传统的悬臂梁结构中压电材料的激励以应变为媒介，由于压电材料脆性的存在，其使用寿命不长。而在本发明的悬臂梁结构中，压电材料的激励以应力为媒介，压电材料工作在压缩模式，使用寿命大大延长。传统的磁电传感器，由于以应变为媒介，只对某个方向的磁场敏感，同时工作频率高达几千Hz甚至几万Hz，不适合于低频的工业应用。本发明可以在低频下使用，对交流磁场的方向和大小有较好的响应，可以为工业应用中的面内交流磁场大小和方向的探测提供解决方案。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明压电材料横截面图；
图3为本发明柔性电极片横截面图；
图4为为本发明柔性电极片横截面图；
图5为永磁体材料的磁化方向示意图。
图6为本发明的实验测试结果图。
其中：1、压电材料；2、杆状弹性材料；3、永磁体材料；4、柔性电极片(包括4-1、4-2)；5、绝缘材料；6、法兰盘压力传递装置；7、末端质量块；8、压电材料上半边的半圆环形电极；9、压电材料下半边的半圆环形电极。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图3，一种测量面内交流磁场的磁电罗盘，包括压电材料1、杆状弹性材料2、永磁体材料3、柔性电极片4、绝缘材料5、法兰盘压力传递装置6和末端质量块7；压电材料1为环状结构，以多层结构叠加形成压电堆，压电材料的表面设置有电极；杆状弹性材料2为两端带有螺纹的杆状结构，杆状弹性材料2的一端连接两个法兰盘压力传递装置，压电堆套设在两个法兰盘之间的杆状弹性材料2上；两个法兰盘压力传递装置相对的两个面上均设置有绝缘材料5，柔性电极片4贴合于压电堆和绝缘材料5之间；杆状弹性材料2的另一端通过螺纹连接末端质量块7，末端质量块为“T”字形结构，两侧的端面上设置有有方形或者圆形的槽，永磁体材料3安装在槽内，该磁电罗盘器件整体呈现为杠铃结构。
压电材料1为单晶或者多晶陶瓷材料，具体为AlN、石英、LiNbO3、BaTiO3、ZnO、Pb(Zr,Ti)O3、Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3、Pb(Zn,Nb)O3-PbTiO3、Pb(Ni,Nb)O3-Pb(Zr,Ti)O3或BiScO3-PbTiO3中的一种；杆状弹性材料2为Cu、Fe、Ni、Ti或Al中的一种；永磁体材料3为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体或稀土永磁材料中的一种。
压电材料1上的电极等分成两个半圆环，所用的材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Fe、Co、Ni或Ti中的一种。
柔性电极片4为圆环状薄片结构，基底材料为苯二甲酸乙二醇酯PET、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC或聚丙烯PP中的一种，柔性电极片4中的导电材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt或Ni中的一种；压电材料1为圆环结构，绝缘材料5为圆环状结构，尺寸与压电材料1制成的圆环相当，材料为氧化铝、氧化锆、碳化硅或者工程塑料；柔性电极片4包括两种结构，一种为表面有两个半圆形电极，另一种为表面有一个圆环电极。
法兰盘压力传递装置6为圆环状结构，尺寸与压电材料1相匹配；末端质量块7的材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt、Fe或Ni中的一种。
压电材料1的圆环结构外直径为2-20mm，内直径为0.5-2mm，厚度为0.1-5mm；杆状弹性材料2的长度为1-100mm，直径为0.5-2mm；永磁体材料3为圆柱状或者长方体状、正方体状的块体，底面积与“T”字形末端质量块侧面的圆形、或方形槽的面积相当，永磁体材料3的磁化方向为其厚度或者长度方向。
传感器工作时，一端被夹持，在力学上可以看作悬臂梁，谐振频率可以根据EIβ3(1+cos(βl)cosh(βl))＝ω2m[sin(βl)cosh(βl)-cos(βl)sinh(βl)]进行调整，其中E为杆状弹性材料2的弹性模量，I为转动惯量，
Figure GDA0002539538470000051
r为杆状弹性材料2的横截面半径，
Figure GDA0002539538470000052
Figure GDA0002539538470000053
ρ为杆状弹性材料2的密度，A为杆状弹性材料2的横截面积，ω＝2πfr，fr为谐振频率，l为悬臂梁结构的有效长度，m为末端质量块的质量包含永磁体的质量。
传感器的压电材料工作在压缩模式，材料受到压应力的作用，d33压电系数对传感器的输出起主导作用，压电材料选用d33压电系数较高的压电多晶陶瓷材料或者单晶材料。压电材料选用压电单晶时，可以对晶体的切向进行优化，达到d33最大的效果。
杆状弹性材料2上设置有用于压紧法兰盘压力传递装置6的螺母和弹性垫片。
一种测量面内交流磁场的磁电罗盘的制造方法，包括以下步骤：
步骤1，提供一个压电材料1，将压电材料加工成所需要的尺寸及形状，并用超纯水超声清洗干净；
步骤2，压电材料1表面的上、下端通过银浆退火、蒸镀或者磁控溅射的方式镀上电极，表面电极的形状为两个相同的半圆环形；
步骤3，压电材料1在做好电极后沿厚度方向极化，多个压电材料1通过极化方向相同的串联方式构成压电堆结构，每个压电片之间需要定位，使其半圆环形的电极对齐重合；
步骤4，两片柔性电极片4贴合于压电堆的两个端面，用于传导电信号，贴好柔性电极片4的压电堆两端再贴合两片圆环状的绝缘材料5；
步骤5，在贴合好柔性电极片4和绝缘材料5的压电堆的中心孔中插入杆状弹性材料2，并通过螺母和弹性垫片将其与两片压力传递装置6固定于一个基座上，压力传递装置6为法兰盘结构，通过弹性垫片和螺母施加沿轴向的预紧力，使压电堆处于压缩工作模式；
步骤6，末端质量块7固定在上述结构的杆状弹性材料2的自由端，两个大小相同的永磁体材料3用环氧树脂粘接在末端质量块7侧面的槽结构上，在室温下固化24小时；
步骤7，在柔性电极片4的输出端焊接导线便于引出信号。
图3为本发明的实验测试结果：a所发明的磁电罗盘的工作原理，使用时将该器件在磁场环境中旋转一周；b谐振频率下，器件在沿水平方向、大小为2Oe的交流磁场下的输出电压信号；c磁场大小固定为2Oe，当磁场方向在面内任意取向时，器件读出的磁场大小情况；d器件在1Hz、10Hz、100Hz的交流磁场下，磁场强度的灵敏度测试结果，器件的强度精度为0.01Oe1*10-6T；e器件通过确定交流磁场的垂直方向来精确测量交流磁场的实际取向，谐振频率下器件测试得到的交流磁场的角度灵敏度，角度精度为±0.2°；f非谐振频率30Hz下，器件测试得到的交流磁场的角度灵敏度，角度精度为±0.2°。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种测量面内交流磁场的磁电罗盘，其特征在于，包括压电材料(1)、杆状弹性材料(2)、永磁体材料(3)、柔性电极片(4)、绝缘材料(5)、法兰盘压力传递装置(6)和末端质量块(7)；压电材料(1)为环状结构，以多层结构叠加形成压电堆，压电材料的表面设置有电极；杆状弹性材料(2)为两端带有螺纹的杆状结构，杆状弹性材料(2)的一端连接两个法兰盘压力传递装置，压电堆套设在两个法兰盘之间的杆状弹性材料(2)上；两个法兰盘压力传递装置相对的两个面上均设置有绝缘材料(5)，柔性电极片(4)贴合于压电堆和绝缘材料(5)之间；杆状弹性材料(2)的另一端通过螺纹连接末端质量块(7)，末端质量块为“T”字形结构，两侧的端面上设置有有方形或者圆形的槽，永磁体材料(3)安装在槽内，该磁电罗盘器件整体呈现为杠铃结构。
2.根据权利要求1所述的一种测量面内交流磁场的磁电罗盘，其特征在于，压电材料(1)为单晶或者多晶陶瓷材料，具体为AlN、石英、LiNbO3、BaTiO3、ZnO、Pb(Zr,Ti)O3、Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3、Pb(Zn,Nb)O3-PbTiO3、Pb(Ni,Nb)O3-Pb(Zr,Ti)O3或BiScO3-PbTiO3中的一种；杆状弹性材料(2)为Cu、Fe、Ni、Ti或Al中的一种；永磁体材料(3)为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体或稀土永磁材料中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种测量面内交流磁场的磁电罗盘，其特征在于，压电材料(1)上的电极等分成两个半圆环，所用的材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Fe、Co、Ni或Ti中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种测量面内交流磁场的磁电罗盘，其特征在于，柔性电极片(4)为圆环状薄片结构，基底材料为苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC或聚丙烯PP中的一种，柔性电极片(4)中的导电材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt或Ni中的一种；压电材料(1)为圆环结构，绝缘材料(5)为圆环状结构，尺寸与压电材料(1)制成的圆环相当，材料为氧化铝、氧化锆、碳化硅或者工程塑料；柔性电极片(4)包括两种结构，一种为表面有两个半圆形电极，另一种为表面有一个圆环电极。
5.根据权利要求1所述的一种测量面内交流磁场的磁电罗盘，其特征在于，法兰盘压力传递装置(6)为圆环状结构，尺寸与压电材料(1)相匹配；末端质量块(7)的材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt、Fe或Ni中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种测量面内交流磁场的磁电罗盘，其特征在于，压电材料(1)的圆环结构外直径为2-20mm，内直径为0.5-2mm，厚度为0.1-5mm；杆状弹性材料(2)的长度为1-100mm，直径为0.5-2mm；永磁体材料(3)为圆柱状或者长方体状、正方体状的块体，底面积与“T”字形末端质量块侧面的圆形、或方形槽的面积相当，永磁体材料(3)为圆柱状时磁化方向为沿圆柱体的轴向方向，永磁体材料(3)为长方体状或正方体状时磁化方向为长方体状或正方体状的厚度方向。
7.根据权利要求1所述的一种测量面内交流磁场的磁电罗盘，其特征在于，杆状弹性材料(2)上设置有用于压紧法兰盘压力传递装置(6)的螺母和弹性垫片。
8.一种测量面内交流磁场的磁电罗盘的制造方法，其特征在于，基于权利要求1至7任意一项所述的一种测量面内交流磁场的磁电罗盘，包括以下步骤：
步骤1，提供一个压电材料(1)，将压电材料加工成所需要的尺寸及形状，并用超纯水超声清洗干净；
步骤2，压电材料(1)表面的上、下端通过银浆退火、蒸镀或者磁控溅射的方式镀上电极，表面电极的形状为两个相同的半圆环形；
步骤3，压电材料(1)在做好电极后沿厚度方向极化，多个压电材料(1)通过极化方向相同的串联方式构成压电堆结构，每个压电片之间需要定位，使其半圆环形的电极对齐重合；
步骤4，两片柔性电极片(4)贴合于压电堆的两个端面，用于传导电信号，贴好柔性电极片(4)的压电堆两端再贴合两片圆环状的绝缘材料(5)；
步骤5，在贴合好柔性电极片(4)和绝缘材料(5)的压电堆的中心孔中插入杆状弹性材料(2)，并通过螺母和弹性垫片将其与两片压力传递装置(6)固定于一个基座上，压力传递装置(6)为法兰盘结构，通过弹性垫片和螺母施加沿轴向的预紧力，使压电堆处于压缩工作模式；
步骤6，末端质量块(7)固定在步骤5得到的结构的杆状弹性材料(2)的自由端，两个大小相同的永磁体材料(3)用环氧树脂粘接在末端质量块(7)侧面的槽结构上，在室温下固化24小时；
步骤7，在柔性电极片(4)的输出端焊接导线便于引出信号。
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