CN113851291A - 一种自偏磁电电流传感装置及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自偏磁电电流传感装置及其制作方法，包括外层磁致伸缩筒体紧固件、压电圆环和内层磁致伸缩筒体紧固件，通过环氧树脂粘合在一起；内、外层磁致伸缩筒体紧固件分别通过磁致伸缩片和永磁体间隔式排布粘合在一起；空心圆柱形的压电圆环的上下表面镀有电极层，电极层引出有导线；外层磁致伸缩筒体紧固件和内层磁致伸缩筒体紧固件分别采用负磁致伸缩材料和正磁致伸缩材料。本发明能够实现自偏磁电传感，增强压电圆环的应变状态，提高磁电耦合的强度，可以有效避免界面层胶体脱落的问题。

Description

一种自偏磁电电流传感装置及其制作方法
技术领域
本发明属于磁电传感器件技术领域，涉及一种自偏磁电电流传感装置及其制作方法。
背景技术
磁电复合材料能够同时展现出铁电性、铁磁性和铁弹性，因而在外磁场的作用下可以产生极化电场，将磁信号转化为电信号。在众多的磁电复合材料中，层状磁电复合材料因容易制作且具有相对较高的磁电转换系数而得到广泛的应用。例如，采用层状磁电复合材料的耦合装置，可以将载流导体附近的交变磁场转化为电信号，从而实现非接触式电流检测。这种装置即能实现远程操作，又可避免在高压电线等附近作业时的潜在危险。
传统的层状磁电复合材料由压电材料和磁致伸缩材料复合而成，通过两相材料间界面耦合将磁致伸缩层中由磁场引起的应变传递到压电圆环中，由压电效应诱发极化电场，实现磁电耦合。磁电耦合强度主要取决于压电材料的压电效应和磁致伸缩材料的压磁效应。然而，大多数磁致伸缩材料只有在直流偏磁场作用下才具有压磁效应。因此，基于层状磁电复合材料的电流传感装置需要直流电磁铁来提供偏磁场，以驱动磁致伸缩材料的有效压磁效应。这种操作一方面会增加器件的体积，另一方面会产生额外信号干扰，使微型高灵敏度磁电器件的研发面临着新的挑战。
在公开号为CN103105591A的发明创造中公开了一种零偏置磁传感器探头，基于不同磁性材料的磁化梯度在结构内部获得内部静磁场，从而外加偏磁场为零时实现强磁电耦合，有效缩减了器件尺寸，具有很好的创新性和使用价值。然而，磁场传感器探头采用层合板结构，对环境中的横向振动相对敏感，会降低器件的信噪比。
在公开号为CN108963068A的发明创造中公开了基于韦德曼效应的扭振磁电耦合器件及其制作方法。该耦合器件采基于磁电柱壳结构的韦德曼效应和剪切压电效应提高了磁电耦合强度，同时具有能有效避免环境中的横向振动。然而，以上两种磁电耦合器件都通过不同材料层之间的剪切应力来实现机械耦合，并采用典型的正磁致伸缩材料来感应磁场信号。一般来讲，界面处剪切应力传递模式存在以下不足之处：一方面，剪应力过大容易导致各层间的胶体脱落，直接影响器件寿命；另一方面，界面处采用正应力传递，效率要远高于剪应力传递。此外，有效利用正磁致伸缩和负磁致伸缩材料，在结构中产生机械应变的叠加效应，将会进一步提高磁电耦合强度。
发明内容
为克服现有技术中存在的易受环境噪声干扰、易发生层间脱落等不足，且有效采用更优的工作模式提高磁电耦合强度，本发明提出了一种自偏磁电电流传感装置及其制作方法。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明提供了一种自偏磁电电流传感装置，包括外层磁致伸缩筒体紧固件、压电圆环和内层磁致伸缩筒体紧固件；外层磁致伸缩筒体紧固件、压电圆环和内层磁致伸缩筒体紧固件通过环氧树脂粘合在一起；
内层磁致伸缩筒体紧固件和外层磁致伸缩筒体紧固件分别通过磁致伸缩片和永磁体间隔式排布粘合在一起；
空心圆柱形的压电圆环的上下表面镀有电极层，电极层引出有导线；
内层磁致伸缩筒体紧固件和外层磁致伸缩筒体紧固件分别采用正、负磁致伸缩材料。
优选的，磁致伸缩片采用1/4圆弧结构，永磁体采用条形结构，4片圆弧结构磁致伸缩片与4条永磁体间隔式排布粘合在一起；内、外层磁致伸缩筒体紧固件中的条形永磁体在同一直径线上。
优选的，所述内层磁致伸缩筒体紧固件和外层磁致伸缩筒体的磁致伸缩片、永磁体和压电圆环高度相等。
优选的，所述压电圆环的体积与外层磁致伸缩筒体紧固件和内层磁致伸缩筒体紧固件的体积之和的比值为45～55％。
本发明进一步提供了一种自偏磁电电流传感装置的制备方法，包括：
步骤1，制作永磁体、磁致伸缩片：
制作永磁体：
将钕铁硼合金破碎成合金粉末颗粒；将粉末颗粒分别装入条形模具中，施加外磁场；向着竖直的条形模具的水平方向进行取向，对粉末采用等静压工艺进行初步压型；将生坯加热到粉末温度，烧结处理得到磁粉坯；将烧结好的磁粉坯冷却，再次加热升温，回火处理，得到永磁体；
制作磁致伸缩片：
用球磨法将Ni合金制成粉末；按照质量比为1:3-5将粘结剂与粉末在丙酮中均匀混合，烘干脱气；将混合物倒入模具中，对整个模具施加外磁场，压制成磁致伸缩片，向着竖直的模具的水平方向进行取向，脱模得到磁致伸缩片；
步骤2，制作内、外层磁致伸缩筒体紧固件：
将制备好的磁致伸缩片和永磁体间隔式排布，并通过环氧树脂结合在一起，构成内、外层磁致伸缩筒体紧固件；
步骤3，制作压电圆环：
按照质量比分别将为55-60％、25-30％和15-20％的PbO、ZrO2和TiO2混合均匀，得到混合料；采用球磨法将得到的混合料研磨至颗粒；干燥箱中预烧，得到压电陶瓷颗粒；对得到的压电陶瓷颗粒进行二次细磨，得到压电陶瓷粉末；
向压电陶瓷粉末中加入粘接剂，搅拌均匀，并进行喷雾造粒得到均匀球状颗粒；将均匀球状颗粒置于模具中压结成压电圆环毛坯，在高温下密封烧结；沿着该压电陶瓷圆环的旋转中心方向施加电场极化，再在室温下固化后打磨处理；
将电极材料Cu浆、Au浆或Ag浆涂覆在压电陶瓷圆环的上下两个表面；将涂覆有电极材料的压电陶瓷圆保温固化，自然冷却使电极材料在压电陶瓷圆环的上下表面形成厚度≤0.3mm的电极层；
步骤4，组装自偏磁电电流传感装置
将内层磁致伸缩紧固件、压电圆环和外层磁致伸缩筒体紧固件从内到外依次装在一起，每两层材料之间留有间隙，向间隙中浇筑环氧树脂胶，并真空固化，自然冷却，形成自偏磁电电流传感装置。
优选的，所述步骤1，钕铁硼合金破碎成3-4μm合金粉末，粉末颗粒呈球状或近似球状；对装有粉末颗粒的条形模具施加1.0-1.5T的外磁场。
优选的，所述步骤1，将生坯加热到粉末900-1100℃的温度，烧结处理3-5h得到磁粉坯；将烧结好的磁粉坯冷却到60-90℃，再次加热升温至900-1100℃，进行回火处理2-5h，得到永磁体。
优选的，所述步骤1，在5-20MPa压强下压制成磁致伸缩片，对整个模具施加1.0-1.5T的外磁场；
将研磨至小于0.2μm的颗粒置于温度为100-130℃的电热式干燥箱中预烧3-6h。
优选的，所述步骤3，在100-120℃温度下，施加1.6-2.0kV的电场极化10-20min，在室温下固化1-2h；
将涂覆有电极材料的压电陶瓷圆环放置于温度为600-1000℃的保温箱固化30-40min。
优选的，所述步骤4，在温度为600-900℃的真空烘箱中固化8-10h。
本发明针对现有技术中存在的问题，利用永磁体I和永磁体II分别在外层磁致伸缩紧筒体固件和内层磁致伸缩紧筒体固件中产生自偏直流磁场，在外加交流电形成的交流磁场的作用下，外层磁致伸缩筒体紧固件由于负磁致伸缩效应产生面内收缩，而内层磁致伸缩筒体紧固件由于正磁致伸缩效应产生面内扩张，使中间的压电圆环在受到面内机械力的作用后由于压电效应而输出极化电压，从而实现对外加交流电的检测。现有技术未能在磁电电流检测装置中实现自偏直流磁场，是因为尚未考虑到具有磁化梯度的结构可以产生静磁场的原理，因而仍采用额外的电磁体或者螺线管提供直流磁场。此外，现有技术一般采用压电和压磁层合板来设计磁电耦合器件，其中压电和压磁材料由环氧树脂胶粘接在一起。在外磁场作用下，这类磁电结构发生拉伸或者压缩或者弯曲变形，各层材料间会形成剪切作用，容易导致界面层的胶体脱落，使器件功能失效。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
本发明提出的一种自偏磁电电流传感装置有以下优点：
1.本发明提出的自偏磁电电流传感装置中内外的磁致伸缩紧固件中的永磁体在磁致伸缩材料中形成直流静磁场，能够代替传统磁电电流传感装置产生直流磁场的电磁铁，实现自偏磁电传感。
2.本发明提出的自偏磁电电流传感装置，外层磁致伸缩筒体紧固件和内层磁致伸缩筒体紧固件分别采用负磁致伸缩材料和正磁致伸缩材料。在交流磁场作用下，两类材料中分别产生正、负应力实现对压电圆环的挤压作用，能够增强压电圆环的应变状态，提高磁电耦合的强度。
3.本发明提出的自偏磁电电流传感装置，在不同的材料界面处通过正应力传递机械应变，相对采用剪应力传递模式的传统磁电器件，这种界面耦合不会使不同材料层之间形成沿着轴向的相对运动，各层之间的应变传递效率会更高，且不易发生界面胶体脱落问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是自偏磁电电流传感装置的轴测图；
图2是自偏磁电电流传感装置的上视图；
图3是自偏磁电电流传感装置的轴向剖视图；
图中：1.压电圆环；2.磁致伸缩片Ⅰ；3.永磁体Ⅰ；4.永磁体Ⅱ；5.磁致伸缩片Ⅱ。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明提出的自偏磁电电流传感装置，包括外层磁致伸缩筒体紧固件、中间的压电圆环1和内层磁致伸缩筒体紧固件三层结构。最外层是外层磁致伸缩筒体紧固件，中间层是压电圆环1，最里层是内层磁致伸缩筒体紧固件，外层磁致伸缩筒体紧固件、压电圆环和内层磁致伸缩筒体紧固件通过环氧树脂结合在一起组成自偏磁电电流传感装置。
外层磁致伸缩筒体紧固件包括4片磁致伸缩片Ⅱ5和4条永磁体Ⅱ4，磁致伸缩片Ⅰ为1/4圆弧结构，与条形的永磁体Ⅱ间隔式排布并通过环氧树脂结合在一起，构成外层磁致伸缩筒体紧固件；其中，磁致伸缩片Ⅱ由正磁致伸缩材料组成。
压电圆环1为空心圆柱形结构，空心圆柱形的压电圆环的上下表面镀有电极层，电极层原材料可以选用Cu或者Au或者Ag。电极层上分别引出导线，用来传输电信号。压电圆环1由压电复合材料组成，沿着旋转中心方向极化。
内层磁致伸缩筒体紧固件包括4片磁致伸缩片Ⅰ和4条永磁体Ⅰ，磁致伸缩片Ⅰ为1/4圆弧结构，与条形的永磁体Ⅰ间隔式排布并通过环氧树脂结合在一起组成内层磁致伸缩筒体紧固件，其中磁致伸缩片Ⅰ由负磁致伸缩材料组成。
其中，内、外层磁致伸缩筒体紧固件中的条形的永磁体Ⅰ与条形的永磁体Ⅱ在同一直径线上。永磁体I、永磁体II、磁致伸缩片Ⅰ和磁致伸缩片II高度相等；内层磁致伸缩筒体紧固件和外层磁致伸缩筒体紧固件的和压电圆环的高度相等。压电圆环的体积与外层磁致伸缩筒体紧固件和内层磁致伸缩筒体紧固件的体积和的比值为45～55％。其中，外层磁致伸缩筒体紧固件的内半径比压电圆环的外半径大0.5mm，压电圆环的内半径比内层磁致伸缩筒体紧固件的外半径大0.5mm。
下面给出本发明的自偏磁电电流传感装置的制作方法。
实施例1
步骤1，制作永磁体I、永磁体II、磁致伸缩片Ⅰ和磁致伸缩片Ⅱ：
1)制作永磁体Ⅰ和永磁体Ⅱ：
11)选用钕铁硼合金作为原材料。将钕铁硼合金破碎成合金粉末，粒径小于1mm，再经过气流磨制成粉，粉末颗粒尺寸分布集中在3-4μm，粉末颗粒呈球状或近似球状；
12)将得到的粉末分别装入制作永磁体I、永磁体II的条形模具中，然后对整个条形模具施加1.0T的外磁场；
13)向着竖直的条形模具的水平方向进行取向，取向后对粉末进行初步压型，再采用等静压工艺来提高成型生坯的密度；
14)将生坯加热到粉末1000℃的温度，烧结处理4h得到磁粉坯；将烧结好的磁粉坯冷却到70℃，再次加热升温至1000℃，进行回火处理3h，最后分别得到永磁体I和永磁体II。
2)制作磁致伸缩片Ⅱ：
21)采用负磁致伸缩材料Ni合金作为原材料。用球磨法将Ni合金制成粉末，在粉末中加入1wt％的硅烷偶联剂(KH-550)处理，充分搅拌0.5h；
22)用聚酰亚胺树脂(C35H28N2O7)作为粘结剂与粉末按照质量比为1:3的比例在丙酮中均匀混合，之后烘干并脱气；
23)将混合物倒入模具中，在10MPa压强下压制成磁致伸缩片Ⅱ，在压制过程中，对整个模具施加1.5T的外磁场，向着竖直的模具的水平方向进行取向；脱模得到磁致伸缩片Ⅱ。
在材料压制固化前应将混合物进行充分的脱气，尽量减少材料内的气孔，因为气孔的存在会导致材料密度降低，使材料磁致伸缩性能受到影响。
3)制作磁致伸缩片Ⅰ：采用正磁致伸缩材料TbDyFe合金作为原材料。制作磁致伸缩片Ⅰ的工艺与制作磁致伸缩片Ⅱ的工艺相同，区别在于使用的模具不同以及取向时外加磁场的方向相反。
步骤2，制作外层磁致伸缩筒体紧固件和内层磁致伸缩筒体紧固件：
将制备好的4片磁致伸缩片Ⅱ和4条永磁体Ⅱ间隔式排布，并通过环氧树脂结合在一起，组成外层磁致伸缩筒体紧固件。
将4片磁致伸缩片Ⅰ和4条永磁体Ⅰ间隔式排布，并通过环氧树脂结合在一起，组成内层磁致伸缩筒体紧固件。
步骤3，制作压电圆环：
31)按照质量比分别将为60％、30％和10％的PbO、ZrO2和TiO2混合均匀，得到混合料；
32)采用球磨法将得到的混合料研磨至小于0.2μm的颗粒；将颗粒置于温度为120℃的电热式干燥箱中预烧5h，使颗粒进行固相反应，得到压电陶瓷颗粒；
33)对得到的压电陶瓷颗粒进行二次细磨，得到压电陶瓷粉末；
34)向压电陶瓷粉末中加入粘接剂，搅拌均匀，并进行喷雾造粒得到均匀球状颗粒；
35)将均匀球状颗粒置于模具中压结成压电圆环毛坯，然后将毛坯在高温下密封烧结，得到压电陶瓷圆环；
36)在100℃温度下沿着该压电陶瓷圆环的旋转中心方向施加1.6kV的电场极化15min，再在室温下固化2h后进行打磨处理，以去除压电陶瓷圆环表面的毛刺使压电陶瓷圆环表面更加光滑便于组装以及镀上电极层；
37)将电极材料Cu浆、Au浆或Ag浆涂覆在压电陶瓷圆环的上下两个表面；将涂覆有电极材料的压电陶瓷圆环放置于温度为800℃的保温箱固化40min后，自然冷却使电极材料在压电陶瓷圆环的上下表面形成厚度≤0.3mm的电极层，得到压电圆环。
步骤4，组装自偏磁电电流传感装置
将内层磁致伸缩紧固件、压电圆环和外层磁致伸缩筒体紧固件从内到外依次装在一起，使每两层材料之间留有0.5mm的间隙，向间隙中浇筑环氧树脂胶，并在温度为600℃的真空烘箱中固化10h，自然冷却后，形成自偏磁电电流传感装置。
实施例2
步骤1，制作永磁体I、永磁体II、磁致伸缩片Ⅰ和磁致伸缩片Ⅱ：
1)制作永磁体I和永磁体II：
11)选用钕铁硼合金作为原材料。将钕铁硼合金破碎成合金粉末，粒径小于1mm，再经过气流磨制成粉，粉末颗粒尺寸分布集中在3-4μm，粉末颗粒呈球状或近似球状；
12)将得到的粉末分别装入制作永磁体I和永磁体II的条形模具中，然后对整个条形模具施加1.2T的外磁场；
13)向着竖直的条形模具的水平方向进行取向，取向后对粉末进行初步压型，再采用等静压工艺来提高成型生坯的密度；
14)将生坯加热到粉末1100℃的温度，烧结处理3h得到磁粉坯；将烧结好的磁粉坯冷却到60℃，再次加热升温至1100℃，进行回火处理2h，最后分别得到永磁体I和永磁体II。
2)制作磁致伸缩片Ⅱ：
21)采用负磁致伸缩材料Ni合金作为原材料。用球磨法将Ni合金制成粉末，在粉末中加入1wt％的硅烷偶联剂(KH-550)处理,，充分搅拌0.5h；
22)用聚酰亚胺树脂(C35H28N2O7)作为粘结剂与粉末按照质量比为1:4的比例在丙酮中均匀混合，之后烘干并脱气；
23)将混合物倒入模具中，在20MPa压强下压制成磁致伸缩片Ⅱ，在压制过程中，对整个模具施加1.3T的外磁场，向着竖直的模具的水平方向进行取向；脱模得到磁致伸缩片Ⅱ。
在材料压制固化前应将混合物进行充分的脱气，尽量减少材料内的气孔，因为气孔的存在会导致材料密度降低，使材料磁致伸缩性能受到影响。
3)制作磁致伸缩片Ⅰ：采用正磁致伸缩材料TbDyFe合金作为原材料。制作磁致伸缩片Ⅰ的工艺与制作磁致伸缩片Ⅱ的工艺相同，区别在于使用的模具不同以及取向时外加磁场的方向相反。
步骤2，制作外层磁致伸缩筒体紧固件和内层磁致伸缩筒体紧固件：
将制备好的4片磁致伸缩片Ⅱ和4条永磁体Ⅱ间隔式排布，并通过环氧树脂结合在一起，组成外层磁致伸缩筒体紧固件。
将4片磁致伸缩片Ⅰ和4条永磁体Ⅰ间隔式排布，并通过环氧树脂结合在一起，组成内层磁致伸缩筒体紧固件。
步骤3，制作压电圆环：
31)按照质量比分别将为55％、25％和20％的PbO、ZrO2和TiO2混合均匀，得到混合料；
32)采用球磨法将得到的混合料研磨至小于0.2μm的颗粒；将颗粒置于温度为100℃的电热式干燥箱中预烧6h，使颗粒进行固相反应，得到压电陶瓷颗粒；
33)对得到的压电陶瓷颗粒进行二次细磨，得到压电陶瓷粉末；
34)向压电陶瓷粉末中加入粘接剂，搅拌均匀，并进行喷雾造粒得到均匀球状颗粒；
35)将均匀球状颗粒置于模具中压结成压电圆环毛坯，然后将毛坯在高温下密封烧结，得到压电陶瓷圆环；
36)在120℃温度下沿着该压电陶瓷圆环的旋转中心方向施加1.8kV的电场极化10min，再在室温下固化1h后进行打磨处理，以去除压电陶瓷圆环表面的毛刺使压电陶瓷圆环表面更加光滑便于组装以及镀上电极层；
37)将电极材料Cu浆、Au浆或Ag浆涂覆在压电陶瓷圆环的上下两个表面；将涂覆有电极材料的压电陶瓷圆环放置于温度为600℃的保温箱固化40min后，自然冷却使电极材料在压电陶瓷圆环的上下表面形成厚度≤0.3mm的电极层，得到压电圆环。
步骤4，组装自偏磁电电流传感装置
将内层磁致伸缩紧固件、压电圆环和外层磁致伸缩筒体紧固件从内到外依次装在一起，使每两层材料之间留有0.5mm的间隙，向间隙中浇筑环氧树脂胶，并在温度为900℃的真空烘箱中固化8h，自然冷却后，形成自偏磁电电流传感装置。
实施例3
步骤1，制作永磁体I、永磁体II、磁致伸缩片Ⅰ和磁致伸缩片Ⅱ：
1)制作永磁体I和永磁体II：
11)选用钕铁硼合金作为原材料。将钕铁硼合金破碎成合金粉末，粒径小于1mm，再经过气流磨制成粉，粉末颗粒尺寸分布集中在3-4μm，粉末颗粒呈球状或近似球状；
12)将得到的粉末分别装入制作永磁体I、永磁体II的条形模具中，然后对整个条形模具施加1.5T的外磁场；
13)向着竖直的条形模具的水平方向进行取向，取向后对粉末进行初步压型，再采用等静压工艺来提高成型生坯的密度；
14)将生坯加热到粉末900℃的温度，烧结处理5h得到磁粉坯；将烧结好的磁粉坯冷却到90℃，再次加热升温至900℃，进行回火处理5h，最后分别得到永磁体I、永磁体II。
2)制作磁致伸缩片Ⅱ：
21)采用负磁致伸缩材料Ni合金作为原材料。用球磨法将Ni合金制成粉末，在粉末中加入1wt％的硅烷偶联剂(KH-550)处理，充分搅拌0.5h；
22)用环氧树脂(C11H12O3)n作为粘结剂与粉末按照质量比为1:5的比例在丙酮中均匀混合，之后烘干并脱气；
23)将混合物倒入模具中，在5MPa压强下压制成磁致伸缩片Ⅱ，在压制过程中，对整个模具施加1.0T的外磁场，向着竖直的模具的水平方向进行取向；脱模得到磁致伸缩片Ⅱ。
在材料压制固化前应将混合物进行充分的脱气，尽量减少材料内的气孔，因为气孔的存在会导致材料密度降低，使材料磁致伸缩性能受到影响。
3)制作磁致伸缩片Ⅰ：采用正磁致伸缩材料TbDyFe合金作为原材料。制作磁致伸缩片Ⅰ的工艺与制作磁致伸缩片Ⅱ的工艺相同，区别在于使用的模具不同以及取向时外加磁场的方向相反。
步骤2，制作外层磁致伸缩筒体紧固件和内层磁致伸缩筒体紧固件：
步骤2，制作外层磁致伸缩筒体紧固件和内层磁致伸缩筒体紧固件：
将制备好的4片磁致伸缩片Ⅱ和4条永磁体Ⅱ间隔式排布，并通过环氧树脂结合在一起，组成外层磁致伸缩筒体紧固件。
将4片磁致伸缩片Ⅰ和4条永磁体Ⅰ间隔式排布，并通过环氧树脂结合在一起，组成内层磁致伸缩筒体紧固件。
步骤3，制作压电圆环：
31)按照质量比分别将为58％、27％和15％的PbO、ZrO2和TiO2混合均匀，得到混合料；
32)采用球磨法将得到的混合料研磨至小于0.2μm的颗粒；将颗粒置于温度为130℃的电热式干燥箱中预烧3h，使颗粒进行固相反应，得到压电陶瓷颗粒；
33)对得到的压电陶瓷颗粒进行二次细磨，得到压电陶瓷粉末；
34)向压电陶瓷粉末中加入粘接剂，搅拌均匀，并进行喷雾造粒得到均匀球状颗粒；
35)将均匀球状颗粒置于模具中压结成压电圆环毛坯，然后将毛坯在高温下密封烧结，得到压电陶瓷圆环；
36)在110℃温度下沿着该压电陶瓷圆环的旋转中心方向施加2.0kV的电场极化20min，再在室温下固化1.5h后进行打磨处理，以去除压电陶瓷圆环表面的毛刺使压电陶瓷圆环表面更加光滑便于组装以及镀上电极层；
37)将电极材料Cu浆、Au浆或Ag浆涂覆在压电陶瓷圆环的上下两个表面；将涂覆有电极材料的压电陶瓷圆环放置于温度为1000℃的保温箱固化30min后，自然冷却使电极材料在压电陶瓷圆环的上下表面形成厚度≤0.3mm的电极层，得到压电圆环。
步骤4，组装自偏磁电电流传感装置
将内层磁致伸缩紧固件、压电圆环和外层磁致伸缩筒体紧固件从内到外依次装在一起，使每两层材料之间留有0.5mm的间隙，向间隙中浇筑环氧树脂胶，并在温度为700℃的真空烘箱中固化9h，自然冷却后，形成自偏磁电电流传感装置。
本发明利用永磁体和筒体结构设计磁电电流检测装置，可以实现无外加直流磁场的条件下实现自偏磁电耦合效应，并避免各层材料间的剪切作用，永磁体具有相对较高的磁导率，跟磁致伸缩材料复合在一起后，形成了磁化梯度，进而在磁致伸缩结构中产生有效的直流静磁场；外层磁致伸缩筒体紧固件和内层磁致伸缩筒体紧固件在面内交流磁场作用下和直流静磁场的共同作用下，产生面内作用，对压电圆环施加了面内的挤压或者拉伸，因此各层材料间通过正应力相互作用，可以有效避免界面层胶体脱落的问题。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自偏磁电电流传感装置，其特征在于，包括外层磁致伸缩筒体紧固件、压电圆环和内层磁致伸缩筒体紧固件；外层磁致伸缩筒体紧固件、压电圆环和内层磁致伸缩筒体紧固件通过环氧树脂粘合在一起；
内层磁致伸缩筒体紧固件和外层磁致伸缩筒体紧固件分别通过磁致伸缩片和永磁体间隔式排布粘合在一起；
空心圆柱形的压电圆环的上下表面镀有电极层，电极层引出有导线；
内层磁致伸缩筒体紧固件和外层磁致伸缩筒体紧固件分别采用正、负磁致伸缩材料。
2.根据权利要求1所述的一种自偏磁电电流传感装置，其特征在于，磁致伸缩片采用1/4圆弧结构，永磁体采用条形结构，4片圆弧结构磁致伸缩片与4条永磁体间隔式排布粘合在一起；内、外层磁致伸缩筒体紧固件中的条形永磁体在同一直径线上。
3.根据权利要求1所述的一种自偏磁电电流传感装置，其特征在于，所述内层磁致伸缩筒体紧固件和外层磁致伸缩筒体的磁致伸缩片、永磁体和压电圆环高度相等。
4.根据权利要求1所述的一种自偏磁电电流传感装置，其特征在于，所述压电圆环的体积与外层磁致伸缩筒体紧固件和内层磁致伸缩筒体紧固件的体积之和的比值为45～55％。
5.一种权利要求1-4任一项所述的自偏磁电电流传感装置的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1，制作永磁体、磁致伸缩片：
制作永磁体：
将钕铁硼合金破碎成合金粉末颗粒；将粉末颗粒分别装入条形模具中，施加外磁场；向着竖直的条形模具的水平方向进行取向，对粉末采用等静压工艺进行初步压型；将生坯加热到粉末温度，烧结处理得到磁粉坯；将烧结好的磁粉坯冷却，再次加热升温，回火处理，得到永磁体；
制作磁致伸缩片：
用球磨法将Ni合金制成粉末；按照质量比为1:3-5将粘结剂与粉末在丙酮中均匀混合，烘干脱气；将混合物倒入模具中，对整个模具施加外磁场，压制成磁致伸缩片，向着竖直的模具的水平方向进行取向，脱模得到磁致伸缩片；
步骤2，制作内、外层磁致伸缩筒体紧固件：
将制备好的磁致伸缩片和永磁体间隔式排布，并通过环氧树脂结合在一起，构成内、外层磁致伸缩筒体紧固件；
步骤3，制作压电圆环：
按照质量比分别将为55-60％、25-30％和15-20％的PbO、ZrO2和TiO2混合均匀，得到混合料；采用球磨法将得到的混合料研磨至颗粒；干燥箱中预烧，得到压电陶瓷颗粒；对得到的压电陶瓷颗粒进行二次细磨，得到压电陶瓷粉末；
向压电陶瓷粉末中加入粘接剂，搅拌均匀，并进行喷雾造粒得到均匀球状颗粒；将均匀球状颗粒置于模具中压结成压电圆环毛坯，在高温下密封烧结；沿着该压电陶瓷圆环的旋转中心方向施加电场极化，再在室温下固化后打磨处理；
将电极材料Cu浆、Au浆或Ag浆涂覆在压电陶瓷圆环的上下两个表面；将涂覆有电极材料的压电陶瓷圆保温固化，自然冷却使电极材料在压电陶瓷圆环的上下表面形成厚度≤0.3mm的电极层；
步骤4，组装自偏磁电电流传感装置
将内层磁致伸缩紧固件、压电圆环和外层磁致伸缩筒体紧固件从内到外依次装在一起，每两层材料之间留有间隙，向间隙中浇筑环氧树脂胶，并真空固化，自然冷却，形成自偏磁电电流传感装置。
6.根据权利要求5所述的自偏磁电电流传感装置的制备方法，其特征在于，所述步骤1，钕铁硼合金破碎成3-4μm合金粉末，粉末颗粒呈球状或近似球状；对装有粉末颗粒的条形模具施加1.0-1.5T的外磁场。
7.根据权利要求5所述的自偏磁电电流传感装置的制备方法，其特征在于，所述步骤1，将生坯加热到粉末900-1100℃的温度，烧结处理3-5h得到磁粉坯；将烧结好的磁粉坯冷却到60-90℃，再次加热升温至900-1100℃，进行回火处理2-5h，得到永磁体。
8.根据权利要求5所述的自偏磁电电流传感装置的制备方法，其特征在于，所述步骤1，在5-20MPa压强下压制成磁致伸缩片，对整个模具施加1.0-1.5T的外磁场；
将研磨至小于0.2μm的颗粒置于温度为100-130℃的电热式干燥箱中预烧3-6h。
9.根据权利要求5所述的自偏磁电电流传感装置的制备方法，其特征在于，所述步骤3，在100-120℃温度下，施加1.6-2.0kV的电场极化10-20min，在室温下固化1-2h；
将涂覆有电极材料的压电陶瓷圆环放置于温度为600-1000℃的保温箱固化30-40min。
10.根据权利要求5所述的自偏磁电电流传感装置的制备方法，其特征在于，所述步骤4，在温度为600-900℃的真空烘箱中固化8-10h。
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