CN116840529A - 一种多频段低频磁信号发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种多频段低频磁信号发生器，包括永磁体、驱动部及应变部；驱动部为压电纤维复合材料制成，驱动部设置在两个永磁体之间且两端沿永磁体的极性方向延伸，驱动部能够在外部交变电场作用下产生周期性的机械变形或者机械压力；应变部为磁致伸缩材料制成，应变部设置在两个永磁体之间且两端沿永磁体的极性方向延伸，应变部随驱动部同步发生周期性的应变；通过将压电纤维复合材料的驱动部与磁致伸缩材料的应变部以非对称模式进行结合，当对驱动部施加外部交变电场时会使应变部随驱动部同步发生机械形变，并通过两个永磁体之间的静态偏置磁场使磁致伸缩材料内的磁偶极子发生定向偏转，在同一装置上产生了多个频段频率的低频磁信号。
Description
技术领域
本发明涉及磁信号发生器技术领域，尤其涉及一种多频段低频磁信号发生器。
背景技术
无线电磁频谱频率根据国际标准可以分为：超低频(30-300Hz)、甚低频(3kHz-30KHz)以及低频(30kHz-300kHz)等。低频电磁波具有极低的衰减率和穿透能力强等优势，可应用于地下，水下等特殊环境的通信。但在电天线上实现低频磁信号发射需要的尺寸巨大，辐射效率很低。为了满足低频通信要求，采用新的辐射机制尤为关键。通过采用机械运动驱动电偶极子或磁偶极子的机制，从而产生低频电磁波的方式，可实现低频通信的便携性和灵活性。
现有的机械天线方案主要有磁电天线、压电天线及旋转永磁体。
磁电天线技术通过施加外部电场来激励压电陶瓷产生周期性振动，造成磁致伸缩材料的周期振荡，从而引起其磁偶极子发生周期性偏转，进而产生磁信号。该设备在压电机电谐振频率下工作，产生该谐振频率下的磁信号。该设备的缺陷在于，工作频率高，主要集中在甚低频范围，同时，不具备产生多频率、多频段磁信号的能力。
压电天线技术在对压电陶瓷施加交变电场时，促使压电陶瓷内部的电偶极子发生周期性振荡，从而产生磁信号。该设备需要在压电机电谐振频率下工作，才能产生该谐振频率下的磁信号。该方案的缺陷在于工作频率太高，工作频段主要在低频频段，并且不具备产生多频率、多频段磁信号的能力。
旋转永磁体技术通过外部电机来驱动永磁体发生旋转，从而产生对应于旋转频率的磁信号。这种通过外部电机旋转永磁体的方式来产生磁信号的技术，由于工作频率是由电机旋转转速来决定的，因此无法避免电机高速旋转以及制动时发热严重，转动惯性大，加载信号难等问题，不具备产生多频段磁信号的能力。
综上所述，压电陶瓷与磁致伸缩材料复合的磁信号发生器，缺陷在于工作频率高，主要集中在甚低频范围，只能在单一的频率下工作；压电式磁信号发生器缺陷在于工作频率太高，通常在低频段工作；旋转永磁体式磁信号发生器由于必须采用外部电机驱动，无法避免电机高速旋转、频繁制动，因而发热严重，转动惯性大，加载信号难。可见，现有技术的磁信号发生装置均无法实现通过同一设备产生多个频段下的低频率磁信号的目的。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种多频段低频磁信号发生器，用于解决利用使用同一个设备产生多个频段下的低频率磁信号的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种多频段低频磁信号发生器，包括永磁体、驱动部及应变部；两个永磁体以极性相反的方式间隔设置；驱动部为压电纤维复合材料制成，驱动部设置在两个永磁体之间且两端沿永磁体的极性方向延伸，驱动部能够在外部交变电场作用下产生周期性的机械变形或者机械压力；应变部为磁致伸缩材料制成，应变部设置在两个永磁体之间且两端沿永磁体的极性方向延伸，应变部紧贴设置在驱动部上，应变部随驱动部同步发生周期性的应变。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括交变电源；交变电源具有正极和负极，交变电源的正极电性连接驱动部，交变电源的负极电性连接应变部。
更进一步优选的，交变电源的电压范围为1-1500V，频率为100Hz-20kHz。
在以上技术方案的基础上，优选的，驱动部与应变部相紧贴的端面为结合面，驱动部沿结合面垂直方向的厚度大于应变部沿结合面垂直方向的厚度。
更进一步优选的，驱动部与应变部延伸方向的长度相同。
在以上技术方案的基础上，优选的，驱动部与应变部通过环氧树脂粘接在一起。
在以上技术方案的基础上，优选的，两个永磁体能够沿永磁体的极性方向同时朝向或者远离应变部移动。
更进一步优选的，两个永磁体与应变部几何中心的间距相同。
更进一步优选的，永磁体与应变部几何中心的间距为3-50cm。
更进一步优选的，两个永磁体之间的磁感应强度为0.01-3mT。
本发明的一种多频段低频磁信号发生器相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明通过将压电纤维复合材料的驱动部与磁致伸缩材料的应变部以非对称模式进行结合，当对驱动部施加外部交变电场时会使应变部随驱动部同步发生机械形变，并通过两个永磁体之间的静态偏置磁场使磁致伸缩材料内的磁偶极子发生定向偏转，从而在同一装置上产生了多个频段频率的低频磁信号。
(2)本发明通过调整永磁体与应变部的间距，从而调控偏置磁场大小，进而实现对磁信号强度的控制。
(3)本发明设置交变电源电性连接驱动部与应变部，通过调控交变电源产生的激励电压，实现对磁信号强度的控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的非对称式结构磁信号发生器的结构及工作机理示意图；
图2为本发明的应变部发生应变状态的结构及工作机理示意图；
图3为本发明的多频段特征峰的磁感应强度频率响应图；
图4为本发明的永磁体与应变部几何中心间距为50cm时的磁感应强度频率响应图；
图5为本发明的永磁体与应变部几何中心间距为6cm时的磁感应强度频率响应图；
图6为本发明的永磁体与应变部几何中心间距为5cm时的磁感应强度频率响应图；
图7为本发明的永磁体与应变部几何中心间距为3cm时的磁感应强度频率响应图；
图8为本发明的不同激励电压的磁感应强度频率响应图；
图9为对称式结构磁信号发生器的结构示意图；
图10为对称式结构的磁信号发生器的磁感应强度频率响应图。
图中：1、永磁体；2、驱动部；201、结合面；3、应变部；4、交变电源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，结合图2，本发明的一种多频段低频磁信号发生器，包括永磁体1、驱动部2、应变部3及交变电源4。
其中，两个永磁体1以极性相反的方式间隔设置。永磁体1由钕铁硼材料制成，形状为长5cm、宽5cm、厚3cm的长方体。
驱动部2为压电纤维复合材料制成，压电纤维复合材料为压电陶瓷，通常为锆钛酸铅陶瓷，具体来说可以采用武汉理工大学的中国专利CN201510907240.4公开的一种压电纤维复合结构层。驱动部2长度为50mm，宽度为10mm，厚度为0.1-3mm。驱动部2设置在两个永磁体1之间且两端沿永磁体1的极性方向延伸，驱动部2能够在外部交变电场作用下产生周期性的机械变形或者机械压力。
应变部3为磁致伸缩材料制成，磁致伸缩材料为非晶铁磁合金，具体来说可以采用日本日立金属公司生产的型号为2605SA1的metglas片。应变部3的长度为50mm，宽度为10mm，厚度为10-43μm。应变部3设置在两个永磁体1之间且两端沿永磁体1的极性方向延伸，应变部3紧贴设置在驱动部2上，应变部3随驱动部2同步发生周期性的应变。驱动部2与应变部3通常通过环氧树脂粘接层叠而成，从而使二者组成紧密稳固的结合体，进而能够进行有效的同步形变。
通过驱动部2与应变部3的尺寸数据可知，驱动部2与应变部3延伸方向的长度相同。驱动部2与应变部3相紧贴的端面为结合面201，驱动部2沿结合面201垂直方向的厚度大于应变部3沿结合面201垂直方向的厚度。因此，驱动部2与应变部3在长宽上完全贴合，而在厚度上为非对称模式。
交变电源4具有正极和负极，交变电源4的正极电性连接驱动部2，交变电源4的负极电性连接应变部3。交变电源4的作用是向驱动部2施加交变电场。
采用上述技术方案，驱动部2与应变部3组成磁信号发生器的主体部分；当接通交变电源4对驱动部2施加交变电场，驱动部2的压电陶瓷在交变电场作用下发生逆压电效应，使驱动部2上产生周期性的应变；由于环氧树脂将驱动部2与应变部3紧密粘连结合，应变部3也会随之同步产生周期性的应变，应变部3的磁致伸缩材料内部的磁偶极子发生偏转，磁化强度发生变化，从而向外辐射交变磁场。而由于应变部3位于两个永磁体1之间，两个永磁体1之间形成静态偏置磁场，该静态偏置磁场能够使磁致伸缩材料的磁偶极子发生定向偏转；此时由于驱动部2(压电纤维复合材料)与应变部3(磁致伸缩材料)为非对称式结构，其上应力分布不均匀，激发产品产生弯曲振动模态，从而产生远低于纵向伸缩模态的谐振频率，使该磁信号发生器存在一阶弯曲共振频率、二阶弯曲共振频率、三阶弯曲共振频率和纵向共振频率(即沿其延伸方向产生伸缩形变)，通过合理施加不同频率的交变电场，该磁信号发生器可产生多低频段的磁信号。具体来说如图3所示，可以在此同一个设备上产生2个频段(30Hz-300Hz以及3kHz-30kHz)、4个工作频率(222Hz、987Hz、2715Hz以及14530Hz)的低频磁信号。
实施例二
在实施例一的基础上，两个永磁体1能够沿永磁体1的极性方向同时朝向或者远离应变部3移动。在移动过程中，两个永磁体1与应变部3几何中心的间距相同。通过改变永磁体1与磁信号发生器的距离获得不同静态偏置磁场，永磁体1距离磁信号发生器越近，偏置磁场越大，能够增大磁化强度，从而提高磁信号强度。
通常来说，永磁体1与应变部3几何中心的间距为3-50cm，永磁体1能够在此范围内移动。随着永磁体1的移动，两个永磁体1之间的磁感应强度也会发生变化，磁感应强度的变化范围为0.01-3mT。
实施例三
基于实施例二，当永磁体1与应变部3几何中心的间距为50cm时，可以获得图4的磁感应强度频率响应曲线。此时施加在样品表面的偏置磁场很小，应变部3的磁致伸缩材料内部的磁偶极子杂乱无序，磁偶极子翻转作用相互抵消，宏观磁化强度很小。同时由于样品为非对称结构，能激发出多种振动模态，但偏置磁场很小时样品产生的磁场强度较小。
实施例四
基于实施例二，当永磁体1与应变部3几何中心的间距为6cm时，可以获得图5的磁感应强度频率响应曲线。此时相比实施例三，增大了施加在样品表面的偏置磁场，使应变部3的磁致伸缩材料内部的部分磁偶极子沿长度方向排布，磁偶极子翻转作用相互叠加，从而使宏观磁场强度增大。这种情况下，磁信号发生器产生多频段、较高强度的磁信号。
实施例五
基于实施例二，当永磁体1与应变部3几何中心的间距为5cm时，可以获得图6的磁感应强度频率响应曲线。此时相比实施例三，进一步增大了施加在样品表面的偏置磁场，使应变部3的磁致伸缩材料内部的磁偶极子沿长度方向排布更多，磁偶极子翻转作用相互叠加作用加强，从而使宏观磁场强度进一步增大。这种情况下，磁信号发生器产生多频段、较高强度的磁信号。
实施例六
基于实施例二，当永磁体1与应变部3几何中心的间距为3cm时，可以获得图7的磁感应强度频率响应曲线。此时相比实施例三，永磁体1与应变部3几何中心的间距很小，施加在样品表面的偏置磁场很强，此距离的偏置磁场为应变部3的最优偏置磁场，使应变部3的磁致伸缩材料内部的磁偶极子沿长度方向排布最多，磁偶极子翻转作用相互叠加作用极强，从而使宏观磁场强度最大。这种情况下，磁信号发生器产生多频段、高强度的磁信号。
实施例七
基于实施例一，通过调整交变电源4的激励电压来控制磁场发生器的磁感应强度。交变电源4的电压范围为1-1500V，频率为100Hz-20kHz。该磁信号发生器在扫频范围为100Hz-20kHz内做扫频，可以获得图8的磁感应强度频率响应曲线。
随着激励电压的增大，驱动部2产生更大的应变，也使应变部3的产生更大的磁化强度，磁信号强度增加。但当激励电压过高，使得驱动部2的压电纤维复合材料极化效率降低，应变减小，应变部3的磁致伸缩材料产生的磁化强度相应减小，磁信号强度减小。
实施例八
如图9所示，与实施例一不同，在驱动部2的上下两个端面都设置有应变部3。此时施加交变电场后，由于磁信号发生器为对称式结构，因此其应力分布均匀，未能激发出弯曲共振模态，从而样品只能工作在纵向伸缩振动模态中，获得图10的磁感应强度频率响应曲线。所以对称式结构只能产生单一频段的谐振峰，即单一频率的磁信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多频段低频磁信号发生器，其特征在于：包括永磁体(1)、驱动部(2)及应变部(3)；
两个所述永磁体(1)以极性相反的方式间隔设置；
所述驱动部(2)为压电纤维复合材料制成，所述驱动部(2)设置在两个永磁体(1)之间且两端沿永磁体(1)的极性方向延伸，所述驱动部(2)能够在外部交变电场作用下产生周期性的机械变形或者机械压力；
所述应变部(3)为磁致伸缩材料制成，所述应变部(3)设置在两个永磁体(1)之间且两端沿永磁体(1)的极性方向延伸，所述应变部(3)紧贴设置在驱动部(2)上，所述应变部(3)随驱动部(2)同步发生周期性的应变。
2.根据权利要求1所述的一种多频段低频磁信号发生器，其特征在于：还包括交变电源(4)；所述交变电源(4)具有正极和负极，所述交变电源(4)的正极电性连接驱动部(2)，所述交变电源(4)的负极电性连接应变部(3)。
3.根据权利要求2所述的一种多频段低频磁信号发生器，其特征在于：所述交变电源(4)的电压为1-1500V，频率为100Hz-20kHz。
4.根据权利要求1所述的一种多频段低频磁信号发生器，其特征在于：所述驱动部(2)与应变部(3)相紧贴的端面为结合面(201)，所述驱动部(2)沿结合面(201)垂直方向的厚度大于应变部(3)沿结合面(201)垂直方向的厚度。
5.根据权利要求4所述的一种多频段低频磁信号发生器，其特征在于：所述驱动部(2)与应变部(3)延伸方向的长度相同。
6.根据权利要求1所述的一种多频段低频磁信号发生器，其特征在于：所述驱动部(2)与应变部(3)通过环氧树脂粘接在一起。
7.根据权利要求1所述的一种多频段低频磁信号发生器，其特征在于：两个所述永磁体(1)能够沿永磁体(1)的极性方向同时朝向或者远离应变部(3)移动。
8.根据权利要求7所述的一种多频段低频磁信号发生器，其特征在于：两个所述永磁体(1)与应变部(3)几何中心的间距相同。
9.根据权利要求7所述的一种多频段低频磁信号发生器，其特征在于：所述永磁体(1)与应变部(3)几何中心的间距为3-50cm。
10.根据权利要求7所述的一种多频段低频磁信号发生器，其特征在于：两个所述永磁体(1)之间的磁感应强度为0.01-3mT。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
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| 李梦菡: "双层非对称磁电结构的非线性磁电耦合理论及实验研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑, pages 36 - 42 * |
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