CN113281402B - 一种基于f-p的广义磁电效应测量探头及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于F‑P的广义磁电效应测量探头，包括圆柱模具，圆柱模具上表面以悬臂方式固定有压电陶瓷，压电陶瓷的非固定端对应的圆柱模具上开设有沿圆柱模具高度方向延伸的通孔，通孔内设置有陶瓷插针，陶瓷插针下方伸出通孔并通过接头连接有单模光纤，压电陶瓷上表面还设置有金属电极镀层。本发明利用压电陶瓷金属电极表面在交流磁场下产生的涡旋电流，在直流磁场作用下产生洛伦兹力作用于压电陶瓷，然后测量压电陶瓷振动信号，通过光纤解调仪将光信号转换为电信号，最后实现磁场测量和磁电能量的转换，具有无源、高灵敏度、抗干扰能力强的良好性能。本发明还公开了一种基于F‑P的广义磁电效应测量探头的测量方法。
Description
技术领域
本发明属于光纤测量和磁电传感技术领域，涉及一种基于F-P的广义磁电效应测量探头，本发明还涉及一种基于F-P的广义磁电效应测量探头的测量方法。
背景技术
目前，随着人工智能与电子信息化的飞速发展，用于能量信息检测和转换的传感技术领域受到极大的关注。传感器的技术研究发展，可将各种能量信息进行快速检测处理，转换成可与计算机相兼容的讯号，极大促进了人类智能化、信息化的科技发展。例如，当前的磁传感技术已广泛用于智能电网、自然灾害预测、生物医学、军事对抗等各个领域。同样在磁电传感技术研究中，出现人体磁电纳米机器人靶向药运输、心脏病磁电检测系统、利用磁电传感进行药物降解等高精尖研究成果。在目前磁场传感器研究中，磁电转换方法主要基于霍尔效应、法拉第效应、磁通门传感技术、复合层状结构材料的磁致伸缩效应与压电效应的整体耦合等。但是，基于上述效应的磁电转换不足之处主要体现于灵敏度低、结构复杂、制作成本昂贵、受外界干扰强等方面。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于F-P的广义磁电效应测量探头，利用压电陶瓷金属电极表面在交流磁场下产生的涡旋电流，在直流磁场作用下产生洛伦兹力作用于压电陶瓷，然后测量压电陶瓷振动信号，通过光纤解调仪将光信号转换为电信号，最后实现磁场测量和磁电能量的转换，具有无源、高灵敏度、抗干扰能力强的良好性能。
本发明的另一目的是提供一种基于F-P的广义磁电效应测量探头的测量方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于F-P的广义磁电效应测量探头，包括圆柱模具，圆柱模具上表面以悬臂方式固定有压电陶瓷，压电陶瓷的非固定端对应的圆柱模具上开设有沿圆柱模具高度方向延伸的通孔，通孔内设置有陶瓷插针，陶瓷插针下方伸出通孔并通过接头连接有单模光纤，压电陶瓷上表面还设置有金属电极镀层。
本发明的特征还在于，
圆柱模具上表面设置有凹槽，压电陶瓷一端固定在圆柱模具上表面，另一端伸向凹槽的上方。
凹槽的深度为0.5mm±0.1mm，即就是压电陶瓷下表面据陶瓷插针和通孔上端的距离为0.5mm±0.1mm。
接头为不锈钢材质。
金属电极镀层的厚度为0.02mm±0.01mm。
圆柱模具的材质为橡胶纤维。
本发明采用的另一种技术方案是，一种基于F-P的广义磁电效应测量探头的测量方法，采用上述一种基于F-P的广义磁电效应测量探头，具体按照如下步骤实施：
步骤1，将两个相互平行且水平上下放置亥姆霍兹线圈采用连接杆支撑连接，两个亥姆霍兹线圈中心上下对应，然后将组合好的亥姆霍兹线圈放置在实验台上，将一种基于F-P的广义磁电效应测量探头放入亥姆霍兹线圈中心，使得亥姆霍兹线圈中心线与柱模具中心线重合，然后在实验台上给亥姆霍兹线圈两侧呈对称放置电磁铁，使得交流磁场与直流磁场方向相互垂直；
步骤2，将单模光纤与光纤解调仪连接，光纤解调仪还电信号连接有计算机；
步骤3，两个亥姆霍兹线圈均通过线缆依次电连接有功率放大器以及波形信号发生器，通过设置波形信号发生器得到正弦信号经过功率放大器的信号处理后连接至亥姆霍兹线圈，亥姆霍兹线圈产生幅值频率可调的交流磁场；将程控直流电源与电磁铁电信号相连接，通过设置程控直流电源的电源参数使电磁铁11成为直流磁场发生器；
步骤4，压电陶瓷在直流与交流磁场的共同作用下，受到洛伦兹力沿厚度方向的作用力，基于F-P的广义磁电效应测量探头底部的陶瓷插针将产生的机械能通过F-P光纤法珀传感原理转换光信号；
步骤5，将光信号通过光纤解调仪解调为电信号，通过在计算机采集的波形变化分析磁电电压响应大小。
本发明的有益效果是：
本发明基于压电材料在涡流产生的洛伦兹力作用下产生电荷，实现磁电能量转换，不需要外加激励电源，从而达到无缘检测的目的。
本发明采用光纤F-P传感原理将机械能转换光信号，通过光纤解调仪进而分析变化波形，方法极大提升了检测的灵敏度、抗干扰能力，同样加强了检测探头的准确性。
附图说明
图1是本发明一种基于F-P的广义磁电效应测量探头的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明一种基于F-P的广义磁电效应测量探头的测量方法中的结构连接示意图；
图4是本发明一种基于F-P的广义磁电效应测量探头的测量方法中交流磁场的生成结构示意图；
图5是本发明一种基于F-P的广义磁电效应测量探头的测量方法中交流磁场的生成结构示意图；
图6是本发明一种基于F-P的广义磁电效应测量探头的测量方法的广义磁电效应的磁电耦合原理示意图。
图7是本发明实一种基于F-P的广义磁电效应测量探头的测量方法的基于F-P广义磁电效应的能量转换过程示意图。
图中，1.金属电极镀层，2.压电陶瓷，3.通孔，4.圆柱模具，4-1.凹槽，5.陶瓷插针，6.接头，7.单模光纤，8.连接杆，9.亥姆霍兹线圈，10.基于F-P的广义磁电效应测量探头，11.电磁铁，12.实验台，13.光纤解调仪，14.计算机，15.功率放大器，16.波形信号发生器，17.程控直流电源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于F-P的广义磁电效应测量探头，其结构如图1-2所示，包括圆柱模具4，圆柱模具4上表面以悬臂方式固定有压电陶瓷2，压电陶瓷2的非固定端对应的圆柱模具4上开设有沿圆柱模具4高度方向延伸的通孔3，通孔3内设置有陶瓷插针5，陶瓷插针5下方伸出通孔3并通过接头6连接有单模光纤7，压电陶瓷2上表面还设置有金属电极镀层1。
圆柱模具4上表面设置有凹槽4-1，压电陶瓷2一端固定在圆柱模具4上表面，另一端伸向凹槽4-1的上方。
凹槽4-1的深度为0.5mm±0.1mm，即就是压电陶瓷2下表面据陶瓷插针5和通孔3上端的距离为0.5mm±0.1mm。
接头6为不锈钢材质。
金属电极镀层1的厚度为0.02mm±0.01mm。
圆柱模具4的材质为橡胶纤维。
本发明一种基于F-P的广义磁电效应测量探头的测量方法，采用上述一种基于F-P的广义磁电效应测量探头，具体按照如下步骤实施：
步骤1，如图3所示，将两个相互平行且水平上下放置亥姆霍兹线圈9采用连接杆8支撑连接，两个亥姆霍兹线圈9中心上下对应，然后将组合好的亥姆霍兹线圈9放置在实验台12上，将一种基于F-P的广义磁电效应测量探头放入亥姆霍兹线圈9中心，使得亥姆霍兹线圈9中心线与柱模具4中心线重合，然后在实验台12上给亥姆霍兹线圈9两侧呈对称放置电磁铁11，使得交流磁场与直流磁场方向相互垂直；
步骤2，将单模光纤7与光纤解调仪13连接，光纤解调仪13还电信号连接有计算机14；
步骤3，如图4所示，两个亥姆霍兹线圈9均通过线缆依次电连接有功率放大器15以及波形信号发生器16，通过设置波形信号发生器16得到正弦信号经过功率放大器15的信号处理后连接至亥姆霍兹线圈9，亥姆霍兹线圈9产生幅值频率可调的交流磁场；如图5所示，将程控直流电源17与电磁铁11电信号相连接，通过设置程控直流电源17的电源参数使电磁铁11成为直流磁场发生器；
步骤4，压电陶瓷2在直流与交流磁场的共同作用下，受到洛伦兹力沿厚度方向的作用力，基于F-P的广义磁电效应测量探头10底部的陶瓷插针5将产生的机械能通过F-P光纤法珀传感原理转换光信号；
步骤5，将光信号通过光纤解调仪13解调为电信号，通过在计算机14采集的波形变化分析磁电电压响应大小。
本发明解决磁电传感灵敏度、抗干扰能力和制作工艺方面等的技术难题，可用于制作高灵敏的磁场传感器；该测量探头装置原理利用压电陶瓷金属电极表面在交流磁场下产生的涡旋电流，在直流磁场作用下产生洛伦兹力作用于压电陶瓷，基于F-P光纤法珀传感技术测量压电陶瓷振动信号，通过光纤解调仪将光信号转换为电信号，最后实现磁场测量和磁电能量的转换，具有无源、高灵敏度、抗干扰能力强等良好性能。
本发明的压电陶瓷样品以悬臂梁固定于圆柱模具的顶端，压电陶瓷样品尺寸厚度为0.1mm，长度为10mm，宽度为5mm，压电陶瓷2表面金属电极镀层1厚度为0.02mm，固定样品的圆柱模具尺寸底面直径为15mm，高度为10mm，以橡胶纤维为材料通过3D打印技术可制的，单模光纤顶端所连接的陶瓷插针放置尺寸底面直径为2mm，高度为10mm的通孔3中，凹槽4-1的深度为0.5mm，即就是压电陶瓷2下表面据陶瓷插针5和通孔3上端的距离为0.5mm，放置悬臂梁非固定端处底部，光纤尾端所连接至光纤解调仪；将测量探头与亥姆霍兹线圈平行放置，垂直于电磁铁两极；波形信号发生器与功率放大器连接置线圈，利用线圈提供交流磁场；电磁铁两极与程控直流电流源连接，作为直流磁场发生器。实验中，通过高斯计在电磁铁两极之间中测量交直流磁场的大小。交流磁场作用于测量探头顶端压电陶瓷样品，导致样品电极表面产生涡流；在直流磁场作用下，以悬臂梁结构固定的压电陶瓷在涡流产生洛伦兹力作用下，沿厚度方向与非固定端上下震动。通过光纤陶瓷插针将样品机械振动信号采集为光信号，通过光纤解调仪解调为计算机所兼容的电信号，通过采集波形变化反映出磁场变化强度。
如图6所示，为本发明实施例提供的广义磁电效应的磁电耦合原理示意图：压电陶瓷表面金属镀层1在交流磁场作用下，金属薄层表面产生涡流，在垂直方向的直流磁场作用下，压电陶瓷电极表面1涡流中产生洛伦兹力作用，沿厚度方向、非固定端处产生机械振动。
如图7所示，为本发明实施例提供的基于F-P广义磁电效应的能量转换过程示意图：在交流磁场的作用下，压电材料样品表面电极会产生涡旋电流，同时在垂直方向施加直流磁场，在直流磁场作用下会产生洛伦兹力，作用于压电陶瓷的非固定端，产生沿厚度方向的机械振动。通过F-P光纤法珀传感原理，通过振动改变空气腔长，导致光的折射发生变化，从而作用于光纤顶端所连接的陶瓷插针，将机械能转化为光信号，最终通过光纤解调仪转化为电信号传递至计算机。通过计算机呈现出波形变化进行分析，基于广义磁电效应产生的磁电电压响应程度。
Claims (5)
1.一种基于F-P的广义磁电效应测量探头的测量方法，其特征在于，采用一种基于F-P的广义磁电效应测量探头，包括圆柱模具(4)，所述圆柱模具(4)上表面以悬臂方式固定有压电陶瓷(2)，所述压电陶瓷(2)的非固定端对应的圆柱模具(4)上开设有沿所述圆柱模具(4)高度方向延伸的通孔(3)，所述通孔(3)内设置有陶瓷插针(5)，所述陶瓷插针(5)下方伸出所述通孔(3)并通过接头(6)连接有单模光纤(7)，所述压电陶瓷(2)上表面还设置有金属电极镀层(1)；
所述圆柱模具(4)上表面设置有凹槽(4-1)，所述压电陶瓷(2)一端固定在所述圆柱模具(4)上表面，另一端伸向所述凹槽(4-1)的上方；
具体按照如下步骤实施：
步骤1，将两个相互平行且水平上下放置亥姆霍兹线圈(9)采用连接杆(8)支撑连接，两个亥姆霍兹线圈(9)中心上下对应，然后将组合好的亥姆霍兹线圈(9)放置在实验台(12)上，将一种基于F-P的广义磁电效应测量探头放入亥姆霍兹线圈(9)中心，使得亥姆霍兹线圈(9)中心线与柱模具(4)中心线重合，然后在实验台(12)上给亥姆霍兹线圈(9)两侧呈对称放置电磁铁(11)，使得交流磁场与直流磁场方向相互垂直；
步骤2，将所述单模光纤(7)与光纤解调仪(13)连接，所述光纤解调仪(13)还电信号连接有计算机(14)；
步骤3，两个亥姆霍兹线圈(9)均通过线缆依次电连接有功率放大器(15)以及波形信号发生器(16)，通过设置波形信号发生器(16)得到正弦信号经过功率放大器(15)的信号处理后连接至亥姆霍兹线圈(9)，亥姆霍兹线圈(9)产生幅值频率可调的交流磁场；将程控直流电源(17)与电磁铁(11)电信号相连接，通过设置程控直流电源(17)的电源参数使电磁铁11成为直流磁场发生器；
步骤4，压电陶瓷(2)在直流与交流磁场的共同作用下，受到洛伦兹力沿厚度方向的作用力，基于F-P的广义磁电效应测量探头(10)底部的陶瓷插针(5)将产生的机械能通过F-P光纤法珀传感原理转换光信号；
步骤5，将光信号通过光纤解调仪(13)解调为电信号，通过在计算机(14)采集的波形变化分析磁电电压响应大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于F-P的广义磁电效应测量探头的测量方法，其特征在于，所述凹槽(4-1)的深度为0.5mm±0.1mm，即就是压电陶瓷(2)下表面据所述陶瓷插针(5)和通孔(3)上端的距离为0.5mm±0.1mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于F-P的广义磁电效应测量探头的测量方法，其特征在于，所述接头(6)为不锈钢材质。
4.根据权利要求1所述的一种基于F-P的广义磁电效应测量探头的测量方法，其特征在于，所述金属电极镀层(1)的厚度为0.02mm±0.01mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于F-P的广义磁电效应测量探头的测量方法，其特征在于，所述圆柱模具(4)的材质为橡胶纤维。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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