CN113639732A - 一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘及其应用 - Google Patents

Abstract

一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘及其应用，包括压电材料、磁致伸缩材料、柔性电极片、胶黏剂、线圈、旋转平台、校准算法；磁致伸缩材料在外磁场的作用下产生长度方向的应变，并通过胶黏剂传递给压电材料，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，相比于常见的磁场传感器，具有价格低廉、性能稳定等优点，细长型的器件结构与校准算法的数据处理大大提高了传感器对磁场方向的探测灵敏度。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

一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘及其应用

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘及其应用。

背景技术

至今已经有多种磁场探测传感器，包括磁通门、探测线圈、霍尔传感器、磁敏二极管、超导量子干涉仪、各向异性磁阻传感器、巨磁阻传感器、巨磁阻抗传感器、隧穿磁阻传感器、磁电传感器等。在这些传感器中，由磁致伸缩材料和压电/铁电材料复合而成的磁电传感器，具有性能可靠、价格低廉、设计灵活、易于制造等优点，具有重大的应用潜力。磁电传感器基于磁电耦合效应实现对磁场的传感，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，若要将其用于探测任意方向的磁场，还需要对磁电复合材料的结构进行优化改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘及其应用，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：

一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘，包括压电材料、磁致伸缩材料、柔性电极片、胶黏剂、线圈和旋转平台；压电材料为长条矩形薄片结构，压电材料的表面设置有电极；磁致伸缩材料为长条矩形薄片结构，长度大于压电材料长度，压电材料位于两层磁致伸缩材料之间，形成磁电复合材料；柔性电极片位于压电材料和磁致伸缩材料之间；线圈围绕在磁电复合材料上；磁电复合材料和线圈固定在旋转平台上。

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。

进一步的，压电材料上的电极覆盖在厚度方向的两个面上，电极材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Fe、Co、Ni或Ti中的一种。

进一步的，磁致伸缩材料是具有磁致伸缩效应的合金或氧化物或者它们与聚合物复合形成的磁致伸缩复合材料；具体是Metglas、铽镝铁合金[Terfenol-D(Tb_{0.27- 0.30}Dy_0.73-0.70Fe_1.90-1.95)]、镍铁氧化物NiFe₂O₄、钴铁氧化CoFe₂O₄、镍锰镓合金Ni₂MnGa，或者上述磁致伸缩材料与聚合物复合形成的磁致伸缩复合材料；胶黏剂为环氧树脂。

进一步的，柔性电极片为长条矩形薄片结构，尺寸与压电材料相匹配，导电材料为Au、 Ag、Al、Cu、Pt或Ni中的一种，柔性电极片的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。

进一步的，压电材料的长条矩形薄片结构长度为10-30mm，宽度为1-4mm，厚度为0.1-0.5mm，其极化方向为厚度方向；磁致伸缩材料的长条矩形薄片结构长度为80-120mm，宽度为1-4mm，厚度为0.1-0.5mm。

一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘的应用，包括以下步骤：

步骤1，对得到的磁电罗盘进行测试数据采集；

步骤2，当得到一组测试数据时，通过响应电压最低值对应的θ₀来确定实际磁场方向的范围：(θ₀-Δθ，θ₀+Δθ)，Δθ是实际磁场方向与测试得到的磁场方向的偏差；在这个范围内选取尽可能多的角度，分别以每个角度为磁场方向计算一组磁场强度数据，将所对应的磁场角度和磁场强度数据绘制于极坐标系中，最接近圆的曲线所对应的磁场方向的角度即为实际磁场的方向；

进一步的，每一次测量会产生两个数据：磁电复合材料长度方向与磁场方向的夹角和响应电压；磁场强度的计算公式:H_ac＝V_ME/(α_ME·t_p·|cosθ|)，各测量点满足：

计算磁场强度时所用角度为：θ₁，θ₂，…，θ_n，所用的响应电压为V_ME,1，V_ME,2，…，V_ME,n；基于θ₁，θ₂，…，θ_n和V_ME,1，V_ME,2，…， V_ME,n计算得到的各测试点的磁场强度相等且为实际磁场强度；当磁场方向由于误差而偏移Δθ时，计算磁场强度所用的角度为：θ₁+Δθ，θ₂+Δθ，…，θ_n+Δθ，计算得到的磁场强度分别为：

随着Δθ的增大，计算得到的磁场强度的偏差会明显增大，反之，如果Δθ越小，磁场强度的偏差越小。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明是基于层状磁电复合材料的磁电罗盘器件，在最大限度提高性能的同时减少了材料的使用量，具有价格低廉、性能稳定等优点。本发明将磁电复合材料与旋转平台相结合，弥补了磁电复合材料只对某个方向的磁场有响应的缺陷，使其能够同时探测面内交流磁场的大小与方向。另外，由于本发明的磁电复合材料为细长型结构，具有较强的束磁作用，其对磁场方向非常敏感，通过与旋转平台的配合，可以实现对磁场强度和磁场方向的高灵敏度探测。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的磁电复合材料的结构示意图；

图3为本发明的实验测试结果图。

图4(a)-图4(e)为本发明的实验测试结果；

图5(a)-图5(b)为本发明的校准算法的实验测试结果。

其中：1、压电材料；2、磁致伸缩材料；3、柔性电极片；4、胶黏剂；5、线圈；6、旋转平台；7、校准算法。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

请参阅图1至图2，一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘，包括压电材料1、磁致伸缩材料2、柔性电极片3、胶黏剂4、线圈5和旋转平台6；压电材料1为长条矩形薄片结构，压电材料的上、下表面设置有电极；磁致伸缩材料2为长条矩形薄片结构，长度大于压电材料长度，贴好柔性电极片3的压电材料1位于两层磁致伸缩材料2之间，形成磁电复合材料；线圈5围绕在磁电复合材料上；磁电复合材料和线圈5被固定在旋转平台 6上。

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。

压电材料1为长条矩形薄片结构，压电材料1上的电极覆盖在厚度方向相对的两个面，所用的材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Fe、Co、Ni或Ti中的一种。

磁致伸缩材料2是具有磁致伸缩效应的合金或氧化物或者它们与聚合物复合形成的磁致伸缩复合材料。它们可以是Metglas、铽镝铁合金[Terfenol-D(Tb_0.27-0.30Dy_{0.73- 0.70}Fe_1.90-1.95)]、镍铁氧化物(NiFe₂O₄)、钴铁氧化物(CoFe₂O₄)、镍锰镓合金(Ni₂MnGa)等，或者上述磁致伸缩材料与聚合物复合形成的磁致伸缩复合材料，磁致伸缩材料2为长条矩形薄片结构，长度大于压电材料1的长度。

柔性电极片3为长条矩形薄片结构，尺寸与压电材料1相匹配，导电材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt或Ni中的一种，柔性电极片3的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。

胶黏剂4为强度高，粘连性能优异，稳定性好的材料，可以使用环氧树脂等。

压电材料1的长条矩形薄片结构长度为10-30mm，宽度为1-4mm，厚度为0.1-0.5mm，其极化方向为厚度方向；磁致伸缩材料2的长条矩形薄片结构长度为80-120mm，宽度为1-4mm，厚度为0.1-0.5mm。

线圈5可以为漆包线，或者带塑料外皮的导线，导电部分的直径0.05-5mm。线圈5围绕在由压电材料1、磁致伸缩材料2、柔性电极片3构成的磁电复合材料上，形成螺线管，其轴向为磁电复合材料的长度方向，其长度大于磁电复合材料的长度。

磁电罗盘的核心是磁电复合材料(磁电传感器)，线圈5通上直流电后，为其提供长度方向上的直流偏置磁场。由于磁电复合材料细长型的结构设计，磁电复合材料宽度方向上的磁场响应信号可以忽略不计，磁电复合材料只对沿着其长度方向的磁场有响应信号。因此，外界交流磁场的强度可以通过H_AC,‖＝V_ME/(α_ME·t_p)进行计算，其中V_ME为磁电复合材料的响应电压，α_ME为磁电复合材料的磁电电场系数，t_p为压电材料1的厚度。磁电复合材料的磁电电压系数可以根据

进行调整，其中n为磁致伸缩材料的厚度占总厚度的百分比，t为磁电复合材料总厚度，d_33,m和s_33,m分别为磁致伸缩材料的压磁系数和弹性柔顺常数，d_31,p和s_11,p分别为压电材料的压电常数和弹性柔顺常数，k_co为界面耦合系数，即磁致伸缩层的应变传递给压电层的百分比。

磁电罗盘工作时，磁电复合材料和线圈在旋转平台的作用下，在待测交流磁场的平面内旋转一圈。磁电复合材料的响应电压与磁场夹角的关系为V_ME＝α_ME·t_p·H_AC·|cosθ|，其中θ为磁电复合材料的长度方向与交流磁场方向的夹角。通过这个关系式可以根据磁电复合材料旋转一圈收集到的响应电压数据分析得到交流磁场的强度和方向，探测精度与旋转平台的步进角度精度有关。

校准算法7可以进一步提升磁场角度的探测精度，其原理如下：在平面内旋转时，相邻两次测量的角度之间总存在一个间隙，导致磁场方向存在误差，而误差大小由这个间隙决定。为了消除这个间隙引起的误差，一方面可以直接减小这个间隙角度，但这对仪器的精度会有要求，并且会大大增加测量所耗时间；另一方面，可以加入一些校准算法来处理测量数据。每一次测量会产生两个数据：磁电复合材料长度方向与磁场方向的夹角和响应电压。磁场强度的计算公式:H_ac＝V_ME/(α_ME·t_p·|cosθ|)，由于磁电复合材料旋转时磁场强度始终未发生改变，所以理论上各测量点应满足：

计算磁场强度时所用角度为：θ₁，θ₂，…，θ_n，所用的响应电压为V_ME,1，V_ME,2，…，V_ME,n。理论上，基于θ₁，θ₂，…，θ_n和V_ME,1，V_ME,2，…，V_ME,n计算得到的各测试点的磁场强度相等且为实际磁场强度。当磁场方向由于误差而偏移Δθ时，计算磁场强度所用的角度为：θ₁+Δθ，θ₂+Δθ，…，θ_n+Δθ，计算得到的磁场强度分别为：

由于Δθ的存在，每个测试点计算得到的磁场强度不再相等，而且随着Δθ的增大，计算得到的磁场强度的偏差会明显增大。反之，如果Δθ越小，磁场强度的偏差越小。利用这个原理，可以进一步提高磁场方向的测量精度。当得到一组测试数据时，首先可以通过响应电压最低值对应的θ₀来确定实际磁场方向的范围：(θ₀-Δθ，θ₀+Δθ)(Δθ是实际磁场方向与测试得到的磁场方向的偏差)。在这个范围内选取尽可能多的角度，分别以每个角度为磁场方向计算一组磁场强度数据，将所对应的磁场角度和磁场强度数据绘制于极坐标系中，最接近圆的曲线所对应的磁场方向的角度即为实际磁场的方向。

一种基于层状磁电复合材料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的上、下表面通过银浆退火、蒸镀或者磁控溅射等方式镀上电极；

步骤3，压电材料1在做好电极后沿厚度方向极化；

步骤4，两片柔性电极片3贴合于压电材料1的两个上、下端面，用于传导电信号；

步骤5，提供一个磁致伸缩材料2，将磁致伸缩材料加工成所需要的尺寸及形状，并用酒精清洗干净；

步骤6，用胶黏剂4将贴合好柔性电极片3的压电材料1粘接在两层磁致伸缩材料之间，压电材料1位于磁致伸缩材料2长度方向的中心位置；

步骤7，在柔性电极片3的输出端焊接导线便于引出信号；

步骤8，将线圈5围绕在磁电复合材料上，形成螺线管，磁电复合材料的长度方向与线圈的轴向重合；

步骤9，将磁电复合材料和线圈5固定在旋转平台6上，固定位置为磁电复合材料的中心位置。

步骤10，将校准算法7与数据处理相结合。

图4为本发明的实验测试结果：(a)为所发明的磁电罗盘器件的工作原理，磁电复合材料在磁场所在平面内旋转一周；(b)偏置直流磁场为8Oe时，不同频率交流磁场下的磁电复合材料的磁电系数；(c)器件在10Hz、100Hz、1kHz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0.001Oe；(d)器件在沿水平方向、大小为3.1Oe、频率为100Hz的交流磁场下的输出电压信号；(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方向，100Hz交流磁场下器件直接测试得到的交流磁场的角度灵敏度，角度精度为±0.1°。

图5为本发明的校准算法的实验测试结果：(a)为所发明的磁电罗盘测试数据处理示例，根据测量的磁场角度反推磁场强度得到的计算结果；(b)为计算得到的磁场强度的标准差与磁场角度精度的关系，100Hz交流磁场下经校准，交流磁场的角度精度为±0.02°。

本发明的上述实施仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非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 (10)

1.一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘，其特征在于，包括压电材料(1)、磁致伸缩材料(2)、柔性电极片(3)、胶黏剂(4)、线圈(5)和旋转平台(6)；压电材料(1)为长条矩形薄片结构，压电材料的表面设置有电极；磁致伸缩材料(2)为长条矩形薄片结构，长度大于压电材料长度，压电材料(1)位于两层磁致伸缩材料(2)之间，形成磁电复合材料；柔性电极片(3)位于压电材料(1)和磁致伸缩材料(2)之间；线圈(5)围绕在磁电复合材料上；磁电复合材料和线圈(5)固定在旋转平台(6)上。

2.根据权利要求1所述的一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘，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。

3.根据权利要求1所述的一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘，其特征在于，压电材料(1)上的电极覆盖在厚度方向的两个面上，电极材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Fe、Co、Ni或Ti中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘，其特征在于，磁致伸缩材料(2)是具有磁致伸缩效应的合金或氧化物或者它们与聚合物复合形成的磁致伸缩复合材料；具体是Metglas、铽镝铁合金[Terfenol-D(Tb_0.27-0.30Dy_0.73-0.70Fe_1.90-1.95)]、镍铁氧化物NiFe₂O₄、钴铁氧化CoFe₂O₄、镍锰镓合金Ni₂MnGa，或者上述磁致伸缩材料与聚合物复合形成的磁致伸缩复合材料；胶黏剂(4)为环氧树脂。

5.根据权利要求1所述的一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘，其特征在于，柔性电极片(3)为长条矩形薄片结构，尺寸与压电材料(1)相匹配，导电材料为Au、Ag、Al、Cu、Pt或Ni中的一种，柔性电极片(3)的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。

6.根据权利要求1所述的一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘，其特征在于，压电材料(1)的长条矩形薄片结构长度为10-30mm，宽度为1-4mm，厚度为0.1-0.5mm，其极化方向为厚度方向；磁致伸缩材料(2)的长条矩形薄片结构长度为80-120mm，宽度为1-4mm，厚度为0.1-0.5mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘，其特征在于，线圈(5)围绕在由压电材料(1)、磁致伸缩材料(2)和柔性电极片(3)构成的磁电复合材料上，其轴向为磁电复合材料长度方向，其长度大于磁电复合材料长度。

8.根据权利要求1所述的一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘，其特征在于，磁电复合材料和线圈(5)被固定在旋转平台(6)上，旋转平台(6)由步进电机控制。

9.一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘的应用，其特征在于，基于权利要求1至9任意一项所述的一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘，包括以下步骤：

步骤1，对得到的磁电罗盘进行测试数据采集；

步骤2，当得到一组测试数据时，通过响应电压最低值对应的θ₀来确定实际磁场方向的范围：(θ₀-Δθ，θ₀+Δθ)，Δθ是实际磁场方向与测试得到的磁场方向的偏差；在这个范围内选取尽可能多的角度，分别以每个角度为磁场方向计算出一组磁场强度数据，将所对应的磁场角度和磁场强度数据绘制于极坐标系中，最接近圆的曲线所对应的磁场方向的角度即为实际磁场的方向。

10.根据权利要求9所述的一种基于层状磁电复合材料的磁电罗盘的应用，其特征在于，每一次测量会产生两个数据：磁电复合材料长度方向与磁场方向的夹角和响应电压；磁场强度的计算公式：H_ac＝V_ME/(α_ME·t_p·|cosθ|)，各测量点满足：

计算磁场强度时所用角度为：θ₁，θ₂，…，θ_n，所用的响应电压为V_ME，1，V_ME，2，…，V_ME，n；基于θ₁，θ₂，…，θ_n和V_ME，1，V_ME，2，…，V_ME，n计算得到的各测试点的磁场强度相等且为实际磁场强度；当磁场方向由于误差而偏移Δθ时，计算磁场强度所用的角度为：θ₁+Δθ，θ₂+Δθ，…，θ_n+Δθ，计算得到的磁场强度分别为：

随着Δθ的增大，计算得到的磁场强度的偏差会明显增大，反之，如果Δθ越小，磁场强度的偏差越小。

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