CN114251336A - 悬臂梁结构磁电天线的制备方法、检测方法及磁电天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种悬臂梁结构磁电天线的制备方法、检测方法及磁电天线，制备方法包括：将两份压磁材料分别粘合在压电材料的两面，形成双面粘合完成的磁电复合材料；在磁电复合材料的自由端放置磁铁块，形成悬臂梁结构磁电天线。本发明的磁电复合材料通过在磁磁电复合材料的自由端放置磁铁块形成悬臂梁结构磁电材料，它具有较低的谐振频率，并且在距离谐振频率不远的频带处发现第二个幅值较小的谐振峰，实现多谐振峰FSK(Frequency‑shiftkeying，移频键控)通信。
Description
技术领域
本发明涉及磁电天线制备领域，更具体地，涉及一种悬臂梁结构磁电天线的制备方法、检测方法及磁电天线。
背景技术
在水下通信环境中，电磁波是横波，海水是一种电导率远高于空气的良导体，趋肤效应会影响电磁波在水中的传输距离。海水的电导率越高，高频电磁波在水中衰减越快。一般来说，射频电磁波(300kHz～300GHz)最大穿透水深不足一米。因此，降低频率可提高水下通信距离。
另外，应急矿井通信中也应用了低频通信，超低频信号能够直接穿透2km深的花岗岩地形。井下人员遇险时，地面人员可以通过大功率超低频电台直接向井下人员发送信息。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种悬臂梁结构磁电天线的制备方法、检测方法及磁电天线。
根据本发明的第一方面，提供了一种悬臂梁结构磁电天线的制备方法，包括：将两份压磁材料分别粘合在压电材料的两面，形成双面粘合完成的磁电复合材料；在所述磁电复合材料的自由端放置磁铁块，形成悬臂梁结构磁电天线。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
可选的，所述将两份压磁材料分别粘合在压电材料的两面，形成双面粘合完成的磁电复合材料，包括：在洁净干燥的工作台上放置干净的滤纸，将用酒精清洁过的压磁材料和压电材料放置在滤纸上；在另一张洁净的滤纸上按照1:1的比例混合Devcon粘合剂，用小刷子将混合均匀后的粘合剂涂抹在PZT纤维的一面；然后将待粘接的压磁材料迅速贴合在涂抹好粘合剂的压电材料的一面，一边轻轻均匀挤压一边用无尘纸拭去溢出的粘合剂；基于同样的方法在压电材料的另一面贴合另一份压磁材料，形成双面粘合完成的磁电复合材料。
可选的，所述将两份压磁材料分别粘合在压电材料的两面，形成双面粘合完成的磁电复合材料，包括：将双面粘合完成的磁电复合材料分别置入干燥洁净的真空袋中，使用真空包装机抽取真空袋中的空气并对真空袋进行热封口，在真空包装机工作的同时挤压真空袋；将真空袋放置在无磁性并且表面平坦的两个铜块之间，用两个铜块挤压真空袋，挤压过程中在真空袋与各铜块之间放入薄海绵；将铜块与真空袋一同放置入真空储存柜中静态固化，以使得压磁材料与压电材料之间的环氧树脂胶在真空条件下紧密粘合。
可选的，所述压磁材料为铁基非晶带材，其厚度为25μm、磁致伸缩系数为27ppm，所述压电材料为MFC压电材料，压电相体积为40×10×0.3mm3、压电系数约为460pC/N，原料为PZT-5A，封装材料为聚酰亚胺薄膜，所述粘合剂为环氧树脂胶，所述磁电复合材料的结构为三明治层状结构。
可选的，在所述磁电复合材料的自由端放置的磁铁块的数量为多个。
可选的，每一个所述磁铁块为圆形钕铁硼磁铁，其半径为3mm，厚度为1mm。
根据本发明的第二方面，提供一种悬臂梁结构磁电天线的检测方法，所述悬臂梁结构磁电天线为基于所述悬臂梁结构磁电天线的制备方法制备的，包括：当所述磁电复合材料的压磁相长度为75mm，其自由端的磁铁块数量为4个时，测量所述悬臂梁结构电磁天线的频率响应曲线，其中，所述频率响应曲线具有4个谐振频率。
可选的，还包括：当所述磁电复合材料的压磁相长度为75mm，其自由端的磁铁块数量为4个时，测量所述悬臂梁结构电磁天线在4个谐振频率处分别对应的最低检测限，所述最低检测限与所述悬臂梁结构电磁天线的极限接收距离具有对应关系。
可选的，还包括：基于信号发生器产生频率不断切换的信号，采用数据采集卡分别采集所述信号发射器的发射线圈的电压信号和磁电天线的输出信号；通过对比所述电压信号和输出信号的波形来判断磁电天线是否接收到完整的信号。
根据本发明的第三方面，提供了一种悬臂梁结构磁电天线，所述悬臂梁结构磁电天线基于悬臂梁结构磁电天线的制备方法制备而成。
本发明提供的一种悬臂梁结构磁电天线的制备方法、检测方法及磁电天线，磁电复合天线通过在磁磁电复合材料的自由端放置磁铁块形成悬臂梁结构磁电材料，它具有较低的谐振频率，并且在距离谐振频率不远的频带处发现第二个幅值较小的谐振峰，实现多谐振峰FSK通信。
附图说明
图1为本发明提供的一种悬臂梁结构磁电天线的制备方法流程图；
图2为本发明提供的一种悬臂梁结构磁电天线结构示意图；
图3为悬臂梁结构磁电材料的频率响应曲线的示意图；
图4为悬臂梁磁电复合材料的最低检测限的示意图；
图5(a)为其中一组谐振频率下，信号发生器发射线圈的电压信号示意图；
图5(b)为与图5(a)对应的磁电天线输出信号示意图；
图6(a)为其中另一组谐振频率下，信号发生器发射线圈的电压信号示意图；
图6(b)为与图6(a)对应的磁电天线输出信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明提供的一种悬臂梁结构磁电天线的制备方法流程图，如图1所示，方法包括：101、将两份压磁材料分别粘合在压电材料的两面，形成双面粘合完成的磁电复合材料；102、在磁电复合材料的自由端放置磁铁块，形成悬臂梁结构磁电天线。
可以理解的是，基于背景技术中的缺陷，本发明实施例提出了一种悬臂梁结构磁电天线的制备方法，制备方法主要包括在压电材料的两面分别贴合压磁材料，形成磁电复合材料，在磁电复合材料的自由端放置质量块(磁铁块)，形成悬臂梁结构磁电天线。
本发明磁电复合天线通过在磁磁电复合材料的自由端放置磁铁块形成悬臂梁结构磁电材料，它具有较低的谐振频率，并且在距离谐振频率不远的频带处发现第二个幅值较小的谐振峰，实现多谐振峰FSK通信。
在一种可能的实施例方式中，将两份压磁材料分别粘合在压电材料的两面，形成双面粘合完成的磁电复合材料的步骤主要包括：在洁净干燥的工作台上放置干净的滤纸，将用酒精清洁过的压磁材料和压电材料放置在滤纸上；在另一张洁净的滤纸上按照1:1的比例混合Devcon粘合剂，用小刷子将混合均匀后的粘合剂涂抹在PZT纤维的一面；然后将待粘接的压磁材料迅速贴合在涂抹好粘合剂的压电材料的一面，一边轻轻均匀挤压一边用无尘纸拭去溢出的粘合剂；基于同样的方法在压电材料的另一面贴合另一份压磁材料，形成双面粘合完成的磁电复合材料。粘合剂在混合后5分钟才开始初步固化，因此有充分的时间进行压磁材料与压电材料的粘接。
随后，将双面粘合完成的磁电复合材料置入干燥洁净的真空袋中，使用真空包装机抽取袋子中的空气并对真空袋进行热封口。在真空包装机工作的时候应同时挤压真空袋，以提高抽真空效果。一般来说，当真空袋内气压下降至0.3个大气压时，粘合剂内部的气泡便会开始破裂使得气泡内的空气连同粘合剂溢出。并且气压越低，气泡爆裂得越充分，粘接的效果越好。接下来将真空袋放置在无磁性并且表面平坦的铜块中间，通过铜块的压力使粘合效果更加牢固并进一步挤压出粘合剂中的气泡。为了使挤压过程中磁电材料受力更加均匀，可以在真空袋和铜块之间放入薄海绵。但由于真空袋气密性不佳，在长达24小时的固化时间中会有空气渗入，所以真空袋也需要在真空环境中保存。最后将铜块与真空袋一同放置入真空储存柜中静态固化，使得压磁层与压电层之间的环氧树脂胶在真空条件下紧密粘合。这样就完成了一层的粘合，如果需要粘合多层则需要重复进行上述步骤。
在一种可能的实施例方式中，压磁材料为铁基非晶带材，其厚度为25μm、磁致伸缩系数为27ppm，所述压电材料为MFC压电材料。压电相体积为40×10×0.3mm3、压电系数约为460pC/N，原料为PZT-5A，封装材料为聚酰亚胺薄膜，粘合剂为环氧树脂胶。磁电复合材料的结构为三明治层状结构。
其中，最终制备好的悬臂梁结构磁电复合材料如图2所示，其中，在磁电复合材料的自由端放置的磁铁块的数量为一个多个。比如，每一个磁铁块可以为圆形钕铁硼磁铁，其半径为3mm，厚度为1mm。
上述各实施例介绍了悬臂梁结构磁电天线的制备方法，需要对制备的磁电天线的性能进行检测，具体的，主要是检测磁电天线的频率响应曲线、最低检测限以及是否能够完整的接收信号。
其中，测量了压磁相长度为75mm的磁电材料自由端小磁铁数量为4个(上下分别为2个)时的频率响应曲线。测量结果如图3所示。由图3可以看出，磁电天线由4和谐振频率。
最低检测限是磁电接收天线的一个重要指标，随着传输距离的增加，信号强度逐渐减弱，检测限越低的接收天线越能够探测传播距离更远的信号，也就是最低检测限与接收天线的极限接收距离息息相关。此处测量了压磁相长度为75mm、自由端放置4个小磁铁时四个谐振频率处对应的最低检测限(LOD)，检测结果的示意图请参见图4。
最后验证了多谐振峰磁电天线的接收信号能力。测试方法为使用信号发生器产生频率不断切换的信号，然后通过数据采集卡分别采集发射线圈的电压信号和磁电接收天线的输出信号，最后通过对比两种信号的波形来判断磁电天线是否接收到完整的信号。由于悬臂梁结构磁电天线具有四个谐振峰，因此分为两组测试。将谐振频率为20Hz和90Hz的谐振峰分为一组，谐振频率为350Hz和650Hz的谐振峰分为另一组进行测试。首先为20/90Hz信号接收测试结果，如图5所示，其中，图5(a)为信号发生器发射线圈的电压信号示意图，图5(b)为与图5(a)对应的磁电天线输出信号示意图。接下来展示350/650Hz信号接收测试结果，如图6所示，其中，图6(a)为信号发生器发射线圈的电压信号示意图，图6(b)为与图6(a)对应的磁电天线输出信号示意图。
本发明实施例提供的一种悬臂梁结构磁电天线的制备方法、检测方法及磁电天线，磁电复合天线通过在磁磁电复合材料的自由端放置磁铁块形成悬臂梁结构磁电材料，它具有较低的谐振频率，并且在距离谐振频率不远的频带处发现第二个幅值较小的谐振峰，实现多谐振峰FSK通信。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种悬臂梁结构磁电天线的制备方法，其特征在于，包括：
将两份压磁材料分别粘合在压电材料的两面，形成双面粘合完成的磁电复合材料；
在所述磁电复合材料的自由端放置磁铁块，形成悬臂梁结构磁电天线。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述将两份压磁材料分别粘合在压电材料的两面，形成双面粘合完成的磁电复合材料，包括：
在洁净干燥的工作台上放置干净的滤纸，将用酒精清洁过的压磁材料和压电材料放置在滤纸上；
在另一张洁净的滤纸上按照1:1的比例混合Devcon粘合剂，用小刷子将混合均匀后的粘合剂涂抹在PZT纤维的一面；
然后将待粘接的压磁材料迅速贴合在涂抹好粘合剂的压电材料的一面，一边轻轻均匀挤压一边用无尘纸拭去溢出的粘合剂；
基于同样的方法在压电材料的另一面贴合另一份压磁材料，形成双面粘合完成的磁电复合材料。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述将两份压磁材料分别粘合在压电材料的两面，形成双面粘合完成的磁电复合材料，包括：
将双面粘合完成的磁电复合材料分别置入干燥洁净的真空袋中，使用真空包装机抽取真空袋中的空气并对真空袋进行热封口，在真空包装机工作的同时挤压真空袋；
将真空袋放置在无磁性并且表面平坦的两个铜块之间，用两个铜块挤压真空袋，挤压过程中在真空袋与各铜块之间放入薄海绵；
将铜块与真空袋一同放置入真空储存柜中静态固化，以使得压磁材料与压电材料之间的环氧树脂胶在真空条件下紧密粘合。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述压磁材料为铁基非晶带材，其厚度为25μm、磁致伸缩系数为27ppm，所述压电材料为MFC压电材料，压电相体积为40×10×0.3mm3、压电系数约为460pC/N，原料为PZT-5A，封装材料为聚酰亚胺薄膜，所述粘合剂为环氧树脂胶，所述磁电复合材料的结构为三明治层状结构。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述磁电复合材料的自由端放置的磁铁块的数量为多个。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，每一个所述磁铁块为圆形钕铁硼磁铁，其半径为3mm，厚度为1mm。
7.一种悬臂梁结构磁电天线的检测方法，其特征在于，所述悬臂梁结构磁电天线为基于权利要求1-6任一项所述悬臂梁结构磁电天线的制备方法制备的，包括：
当所述磁电复合材料的压磁相长度为75mm，其自由端的磁铁块数量为4个时，测量所述悬臂梁结构电磁天线的频率响应曲线，其中，所述频率响应曲线具有4个谐振频率。
8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，还包括：
当所述磁电复合材料的压磁相长度为75mm，其自由端的磁铁块数量为4个时，测量所述悬臂梁结构电磁天线在4个谐振频率处分别对应的最低检测限，所述最低检测限与所述悬臂梁结构电磁天线的极限接收距离具有对应关系。
9.根据权利要求7或8所述的检测方法，其特征在于，还包括：
基于信号发生器产生频率不断切换的信号，采用数据采集卡分别采集所述信号发射器的发射线圈的电压信号和磁电天线的输出信号；
通过对比所述电压信号和输出信号的波形来判断磁电天线是否接收到完整的信号。
10.一种悬臂梁结构磁电天线，其特征在于，所述悬臂梁结构磁电天线基于权利要求1-6任一项所述的悬臂梁结构磁电天线的制备方法制备而成。
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