PL221696B1 - Transformator piezoelektryczno-magnetyczny jako czujnik natężenia pola magnetycznego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest transformator piezoelektryczno-magnetyczny służący jako czujnik natężenia pola magnetycznego.

Stały i dynamiczny rozwój technologii elektronicznej jest niezmiennie związany z miniaturyzacją urządzeń elektronicznych w tym czujników. Czujniki pola magnetycznego przetwarzają sygnał proporcjonalny do natężenia pola magnetycznego na sygnał elektryczny, a najkorzystniej napięciowy, dlat ego też zastosowanie transformatora jako czujnika pola magnetycznego jest optymalnym rozwiązaniem pod względem funkcjonalnym. Niezwykle pożądana jest miniaturyzacja tego typu urządzeń, jednakże w tradycyjnych transformatorach jest ona trudna do realizacji ze względu na duże straty występujące wraz ze zmniejszaniem przekroju uzwojeń (zjawisko naskórkowości), co wymusiło konieczność poszukiwania nowych rozwiązań w zakresie przekształcania energii. Jednym z takich rozwiązań jest transformator piezoelektryczny, który pozbawiony jest uzwojeń, co zdecydowanie ułatwia jego miniaturyzację. Znane transformatory piezoelektryczne zapewniają proces przekształcania energii elektryc znej wykorzystując sprzężenie elektromechaniczne pomiędzy przetwornikami piezoelektrycznymi: wejściowym i wyjściowym.

Zaletami tego typu transformatorów są:

- dużo wyższa wartość parametru gęstości mocy w stosunku do tradycyjnych transformatorów, który jest miarą energetycznej efektywności danej konstrukcji transformatorowej na jednostki objętości,

- wysoka częstotliwość pracy umożliwiająca szybszy transfer przekształcanej energii,

- bardzo dobra izolacja obwodów strony wejściowej i wyjściowej, będąca integralną własnością materiału, ponieważ piezoelektryki są dielektrykami.

Umieszczenie piezoelektryka w polu elektrycznym prowadzi do zmiany jego wymiarów (efekt piezoelektryczny odwrotny), natomiast odkształcenie sprężyste wywołuje w nim powstanie wewnętrznego pola elektrycznego (efekt piezoelektryczny prosty). Zasada działania transformatorów piezoele ktrycznych wykorzystuje pierwotny i odwrotny efekt piezoelektryczny do przetwarzania energii elektrycznej w mechaniczną i odwrotnie.

Z polskiego zgłoszenia patentowego nr P. 390585 znany jest przykładowo transformator piezoelektryczny, wykorzystywany jako czujnik natężenia oświetlenia. Wykonany został na bazie płytki wykonanej z monolitycznego, transparentnego, ceramicznego materiału o właściwościach jednocześnie fotowoltaicznych i piezoelektrycznych. Transformator takiej konstrukcji wykorzystuje nałożenie się efektu fotowoltaicznego i piezoelektrycznego (sprzężenie optyczne) do pomiaru natężenia oświetlenia poprzez rejestrację zmian napięcia wyjściowego.

Z polskiego zgłoszenia patentowego nr P. 392870 znany jest również transformator piezoelektryczny wykorzystywany jako czujnik pola magnetycznego, wykonany z co najmniej jednej, zespolonej dwuwarstwowej płytki, na której naniesione są co najmniej dwie pary odseparowanych od siebie ele ktrod, z których jedna para to elektrody sekcji wejścia połączone z zaciskami wejściowymi U_we, a druga to elektrody sekcji wyjścia połączone z zaciskami wyjściowymi U_wy, charakteryzujący się tym, że jedna warstwa każdej płytki wykonana jest z ceramicznego materiału piezoelektrycznego, natomiast druga warstwa wykonana jest z materiału wykazującego magnetostrykcję. W transformatorze takim wartość przekładni napięciowej, definiowanej jako stosunek napięcia wyjściowego do wejściowego, jest sprzężona z wielkością natężenia pola magnetycznego (efekt magnetoelektryczny ME). Umożliwia to dodatkowo realizację funkcji układu pomiaru kąta położenia generującego zmiany napięcia wyjściowego transformatorowego czujnika w zależności od wielkości i kierunku pola magnetycznego. Rozwiązanie to jednak jest przydatne głównie do pomiaru słabych pól magnetycznych ze wzglądu na niską wartość indukcji nasycenia czujnika.

Żadna z dotychczasowych konstrukcji nie przewidywała jednak zastosowania materiałów wyk azujących efekt magnetoelektryczny (ME) do budowy transformatorowego czujnika powietrznego w układzie nadajnik - odbiornik, co umożliwia pomiar natężenia dużych pól magnetycznych oraz dodatkowo detekcję elementów ferromagnetycznych na odległość, również z funkcjonalnością pomiaru kąta położenia (indukcyjny czujnik odległościowy). Funkcje te może spełniać czujnik piezoelektryczno -magnetyczny rozbudowany o pośredniczący obwód magnetyczny wykonany z materiałów wykazujących efekt magnetoelektryczny (ME), będący przedmiotem niniejszego wynalazku.

Efekt magnetoelektryczny (ME) polega na napięciowej dE odpowiedzi przetwornika na pobudzenie polem magnetycznym dH, a wielkość tego przetwarzania jest określana ilościowo przez współczynnik aE.

PL 221 696 B1 _ dE aE-dH

Wzór 1

Zjawisko to jest odwracalne, w związku z tym istnieje efekt magnetoelektryczny odwrotny (CME), który jest definiowany jako zmiana indukcji magnetycznej w odpowiedzi na zmianę przyłożonego napięcia (dH/dV), a wielkość tego przetwarzania jest określana ilościowo przez współczynnik aH.

Wzór 2

Efekty te są niezwykle istotne w inżynierii materiałowej, która poszukuje efektywnych materiałów na czujniki pola magnetycznego, dające proporcjonalną zmianę napięcia w stosunku do zmiany natężenia pola magnetycznego, w szczególności pracujące przy wysokich częstotliwościach pola pomiarowego.

W tego typu materiałach parametr uporządkowania układu magnetycznego - magnetyzacja (M) i układu elektrycznego - polaryzacja (P) może być zmieniany zarówno przez zewnętrzne pole magnetyczne (H) jak i pole elektryczne (E) albo też pośrednio np. przez naprężenie mechaniczne. Konsekwentnie, za pomocą zewnętrznego pola elektrycznego można sterować nie tylko właściwościami elektrycznymi lecz również magnetycznymi i odwrotnie. Dodatkowo od strony fizycznej, w tej grupie materiałów obok zjawisk typowych dla ferroelektryków, istnieje zespół zjawisk typowych dla magnet yków. Mianowicie, w ferroelektrycznym punkcie Curie Tc obok anomalii właściwości dielektrycznych mogą wystąpić anomalie właściwości magnetycznych, a w magnetycznym punkcie Curie T_M obok anomalii właściwości magnetycznych anomalie właściwości dielektrycznych.

Materiały o właściwościach magnetoelektrycznych podzielić można na dwie grupy:

1. Materiały jednofazowe w formie monokryształów, ceramiki lub cienkich warstw.

2. Kompozyty:

a) ceramiczne - ferroelektryk i ferryt;

b) polimerowo - ceramiczne (polimer + ferroelektryk + ferryt);

c) laminarne ze sklejanych elementów elektrostrykcyjnych i magnetostrykcyjnych (w szczególności kompozyty wytworzone z piezoelektryka PZT i magnetostryktora Terfenol-D odznaczają się szczególnie wysoką wartością efektywności transformacji energii pola elektrycznego na magnetyczne).

Z dotychczasowego stanu techniki znane są różne realizacje czujników pola magnetycznego:

- czujniki pola magnetycznego wykorzystujące materiały półprzewodnikowe (efekt Halla) - znany jest miernik pola magnetycznego zawierający zasilany ze źródła prądu przemiennego czujnik Halla (patent polski nr 156749) lub też monolityczna konstrukcja takiego czujnika (patent polski nr 205355, patent US 6791792 B2),

- magnetorezystywne - mierniki pola magnetycznego zawierające materiały magnetorezystywne, czyli zmieniające opór elektryczny pod wpływem pola magnetycznego (patent polski nr 153466, patent polski nr PL 196 096 B1),

- metaliczne - wykorzystany jest tu efekt wyginania włókna z drutu Wollastona w obecności pola magnetycznego powodujący zmianę sprzężenia optycznego między torem nadawczym a odbiorczym detektora światłowodowego (patent polski nr 156749),

- magnetoelektryczne (ME) - laminarne kompozyty ze sklejanych elementów elektrostrykcyjnych i magnetostrykcyjnych (warstwa ferroelektryczna zespolona z warstwą ferromagnetyczną) generujące napięcie elektryczne w odpowiedzi na zmienne pole magnetyczne, generowane z elektrom agnesów, proporcjonalne do natężenia stałego pola magnetycznego (patent US 7023206 B2, US 2004/ 0021397A1, patent US 7345475 B2, patent US 6835463 B2, patent US 7199495 B2). Wymienione materiały magnetoelektryczne (ME) są stosowane do produkcji czujników pola magnetycznego, ze względu na bardzo wysoką czułość, jednakże wadą tych systemów pomiarowych jest obecność dużych gabarytowo uzwojeń elektromagnesów.

Żadne z dotychczasowych rozwiązań nie przewidywało wykorzystania materiałów magnetoelektrycznych ME w podwójnej funkcji - mianowicie do wytworzenia pola magnetycznego w sekcji wejściowej, zamiast zespołu elektromagnesów, a jednocześnie także do jego detekcji w sekcji wyjściowej. Powstały według niniejszego wynalazku czujnik transformatorowy umożliwia zmianę parametrów przetwarzania energii w zależności od natężenia zewnętrznego pola magnetycznego bez użycia dużych gabarytowo uzwojeń elektromagnetycznych. Celem twórcy wynalazku było opracowanie inteligent4

PL 221 696 B1 nych transformatorów wykorzystujących przetworniki piezoelektryczne i magnetoelektryczne, a przez to podwójną transformację energii w aplikacjach pomiarowych związanych z oddziaływaniem z zewnętrznym polem magnetycznym. Celem dodatkowym jest zaprojektowanie czujnika magnetycznego odznaczającego się wysoką efektywnością, małymi rozmiarami i jednocześnie taniego w produkcji.

Transformator piezoelektryczno-magnetyczny według wynalazku, służący jako czujnik natężenia pola magnetycznego, składa się z nadajnika i odbiornika zmiennego pola magnetycznego H_DC, przy czym nadajnik zbudowany jest z co najmniej jednej warstwy piezoelektrycznego aktuatora, do którego przyłączone są zaciski, do których doprowadzane jest napięcie wejściowe U_we, wykorzystującego odwrotny efekt piezoelektryczny do generacji drgań oraz połączonej z aktuatorem co najmniej jednej warstwy magnetostrykcyjnego sensora, w którym następuje generacja zmiennego pola magnetycznego H_DC, poprzez odwrotny efekt magnetostrykcyjny, natomiast odbiornik zbudowany jest z co najmniej jednej warstwy magnetostrykcyjnego aktuatora wykorzystującego prosty efekt magnetostrykcyjny do generacji drgań z energii zmiennego pola magnetycznego H_DC oraz co najmniej jednej warstwy piezoelektrycznego sensora transformującego drgania na napięcie wyjściowe U_wy przez prosty efekt piezoelektryczny. Zaciski napięcia wyjściowego U_wy przyłączone są do warstw piezoelektrycznego sensora w odbiorniku.

Korzystnie, warstwy aktuatora i sensora, z których zbudowany jest nadajnik oraz warstwy aktuatora i sensora, z których zbudowany jest odbiornik mają postać dysków o jednakowych wymiarach.

Transformator piezoelektryczno-magnetyczny według wynalazku, wykorzystywany jako czujnik natężenia pola magnetycznego działa na zasadzie transformacji energii elektrycznej w mechaniczną i magnetyczną (sekcja wejściowa - nadajnik, generator mikrofalowego pola magnetycznego HA_C pokazany na fig. 1), a następnie przekształcenia energii magnetycznej w mechaniczną i w elektryczną (sekcja wyjściowa - odbiornik wygenerowanego pola magnetycznego HA_C pokazany na fig. 2). Konstrukcja ta przedstawia sobą odpowiednie połączenie piezoelektrycznego aktuatora (ang. actuator) i sensora magnetostrykcyjnego (ang. sensor) w nadajniku, do którego poprzez zaciski wejściowe d oprowadza się napięcie wejściowe U_we i w odwrotnej sekwencji, w odbiorniku - połączenie magnetostrykcyjnego aktuatora i piezoelektrycznego sensora, które generują napięcie wyjściowe U_wy na zaciskach.

Zaletą tego typu konstrukcji dwuczłonowych czujników typu nadajnik-odbiornik, jest detekcja pól magnetycznych na odległości co najmniej kilku metrów co stwarza możliwość zdalnych pomiarów natężenia pola magnetycznego.

Przedmiot wynalazku oraz wykresy pomagające zrozumienie jego działania zostały przedstawione na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wejściowy nadajnik - generator mikrofalowego pola magnetycznego transformujący energię elektryczną w mechaniczną, a następnie magnetyczną, fig. 2 - wyjściowy odbiornik wygenerowanego pola magnetycznego - transformujący energię magnetyczną w mechaniczną i w elektryczną, fig. 3 - schemat ideowy transformatora piezoelektrycznomagnetycznego, fig. 4 - wykres pomiaru efektywności przetwarzania (zmiany napięcia wyjściowego) przy różnych wartościach stałego pola magnetycznego H_DC przy stałej wartości amplitudy napięcia wejściowego U_we = 0.2 V, fig. 5 - napięciowe charakterystyki wejściowo-wyjściowe przy wartości pola magnetycznego H_DC = 0; 200; 400 i 600 Oe, fig. 6 - częstotliwościowa charakterystyka zmiany napięcia wyjściowego transformatora umieszczonego w stałym polu magnetycznym o natężeniu H_DC = 600 Oe, fig. 7 - wpływ zmiany kąta między odbiornikiem a nadajnikiem na zmiany w amplitudzie napięcia wyjściowego transformatora, natomiast fig. 8 - schemat ideowy transformatora piezoelektrycznomagnetycznego o zwiększonej ilości warstw odbiornika i nadajnika służący do pomiaru słabych pół magnetycznych.

P r z y k ł a d 1

Przedstawiony na fig. 3 transformator piezoelektryczno-magnetyczny służący jako czujnik natężenia pola magnetycznego, składa się z nadajnika 1 i odbiornika 2 zmiennego pola magnetycznego HAC, przy czym nadajnik 1 zbudowany jest z jednej warstwy piezoelektrycznego aktuatora 3, do którego przyłączone są zaciski 4, do których doprowadzane jest napięcie wejściowe U_we oraz drugiej, połączonej z aktuatorem 3 warstwy magnetostrykcyjnego sensora 5, natomiast odbiornik 2 zbudowany jest z jednej warstwy magnetostrykcyjnego aktuatora 6 oraz jednej warstwy piezoelektrycznego sensora 7, do którego przyłączone są zaciski 8 napięcia wyjściowego U_wy. Zarówno warstwy aktuatora i sensora, z których zbudowany jest nadajnik jak i warstwy aktuatora i sensora, z których zbudowany jest odbiornik mają postać dysków o jednakowych wymiarach 12 mm średnica i 0,6 mm grubość.

PL 221 696 B1

Zasada działania transformatora piezoelektryczno-magnetycznego, przedstawionego schematycznie na fig. 3, wykorzystanego jako czujnik natężenia pola m agnetycznego, polega na doprowadzeniu napięcia wejściowego U_we do zacisków wejściowych 4 piezoelektrycznego aktuatora 3, gdzie w wyniku odwrotnego efektu piezoelektrycznego (CPE) zostają wygenerowane drgania mechaniczne. Rozchodząca się fala drgań powoduje w połączonej sztywno warstwie w postaci sensora magnetostrykcyjnego 5 indukowanie zmiennego pola magnetycznego H_AC na skutek odwrotnego efektu magnetostrykcyjnego (CME). Reasumując - zmienne napięcie na wejściu nadajnika 1 generuje zmienne pole magnetyczne H_AC proporcjonalne do współczynnika konwersji aH (Wzór 2). W odbiorniku 2 natomiast sekwencja konwersji energii jest odwrotna. Przenikające zmienne pole magnetyczne H_AC z nadajnika 1, w wyniku efektu magnetostrykcyjnego prostego (ME) generuje drgania w aktuatorze 6 wykonanym z materiału magnetostrykcyjnego. Ta fala przemieszczających się wibracji w sensorze 7 wykonanym z materiału piezoelektrycznego indukuje napięcie elektryczne na zaciskach 8 odbiornika 2 na skutek prostego efektu piezoelektrycznego (PE). Reasumując - zmiana natężenia pola magnetycznego przenikającego przez odbiornik 2 generuje zmienne napięcie elektryczne na zaciskach wyjściowych 8 odbiornika 2, proporcjonalne do współczynnika konwersji aE (Wzór 1). Generalnie, w transformatorze piezoelektryczno-magnetycznym wykorzystanym jako czujnik natężenia pola magnetycznego, po podwójnej transformacji energii uzyskujemy na zaciskach wyjściowych 8 wyjściowy, zmienny sygnał napięciowy Uwy proporcjonalny do natężenia stałego pola magnetycznego HDC wytworzonego przez magnesy trwałe 9, w odpowiedzi na pobudzenie na zaciskach wejściowych 4 wejściowym sygnałem elektrycznym U_we, bez użycia uzwojeń, jak to miało miejsce we wcześniej znanych konstrukcjach.

P r z y k ł a d 2

Przedstawiony na fig. 8 transformator piezoelektryczno-magnetyczny służący jako czujnik natężenia pola magnetycznego, składa się z nadajnika 1 i odbiornika 2 zmiennego pola magnetycznego H_ac, przy czym nadajnik 1 zbudowany jest z jednej warstwy piezoelektrycznego aktuatora 3, do którego przyłączone są zaciski 4, do których doprowadzane jest napięcie wejściowe Uwe oraz podwójnej, połączonej z aktuatorem 3 warstwy magnetostrykcyjnego sensora 5, natomiast odbiornik 2 zbudowany jest z jednej warstwy magnetostrykcyjnego aktuatora 6 oraz podwójnej warstwy piezoelektrycznego sensora 7, do którego przyłączone są zaciski 8 napięcia wyjściowego U_wy. Zarówno warstwy aktuatora i sensora, z których zbudowany jest nadajnik jak i warstwy aktuatora i sensora, z których zbudowany jest odbiornik mają postać dysków o jednakowych wymiarach 12 mm średnica i 0,6 mm grubość.

Zasada działania transformatora piezoelektryczno-magnetycznego, przedstawionego schematycznie na fig. 8, wykorzystanego jako czujnik natężenia słabego pola magnetycznego, jest analogic zna do układu przedstawionego na fig. 3 z tym, że różnica polega na użyciu warstw podwójnych m agnetostryktora 5 w nadajniku celem zwiększenia natężenia pola zmiennego H_AC oraz warstwy podwójnej piezoelektryka celem zwiększenia amplitudy napięcia wyjściowego przez efekt sumowania napięć z poszczególnych warstw piezoelektrycznych.

Aplikacyjny pomiar efektywności przetwarzania energii został przeprowadzony przy różnych wartościach stałego pola magnetycznego HD_C wytworzonego przez magnesy trwałe 9 rejestrując zmiany napięcia wyjściowego U_wy odbiornika 2 przy stałej wartości amplitudy napięcia wejściowego U_we = 0.2 V dla częstotliwości 160 kHz (fig. 4). Współczynnik przetwarzania jest określany na podstawie nachylenia prostoliniowej charakterystyki wzrostu amplitudy napięcia wyjściowego po zmianie wartości stałego pola magnetycznego i wynosi aE = 10 [mV/cmxOe]. Pomiary zostały przeprowadzone po procesach polaryzacji elektrycznej (4 kV/mm, 120°C, 10 min) i magnetycznej (0.5 T, 10 min), czyli procesie ukierunkowania domen elektrycznych i magnetycznych przy jednakowym kierunku polaryzacji wzdłuż osi dysków.

Na fig. 5 rysunku przedstawiono charakterystyki wejściowo - wyjściowe transformatorowego przetwornika w stałym polu magnetycznym HD_C zmieniającym się w zakresie od 0 do 600 Oe. W badanym czujniku zmiany w amplitudzie napięcia wyjściowego są liniowo proporcjonalne do wartości zmian natężenia pola magnetycznego, którego parametry ulegają zmianie na skutek indukowanych polem magnetycznym reorientacji domen i związanej z tym zmian wielkości stałych elastycznych magnetostrykcyjnych części transformatora. Reasumując, przedstawiona konstrukcja transformatora piezoelektryczno-magnetycznego pracuje efektywnie jako czujnik natężenia pola magnetycznego, ponieważ napięcie wyjściowe Uwy jest liniowo proporcjonalne do natężenia tego pola.

Na fig. 6 rysunku pokazano częstotliwościową charakterystykę przetwarzania sygnału w bad anej konstrukcji, w stałym polu magnetycznym HDC o natężeniu 600 Oe. Wartość napięcia wyjściowego

PL 221 696 B1

U_wy zmienia się w niewielkim zakresie przy częstotliwościach z poza obszaru rezonansu drgań m echanicznych, natomiast przy częstotliwości rezonansowej (160 kHz) efektywność przetwarzania napięciowego wzrasta dziesięciokrotnie. Na podstawie wyników tych pomiarów możemy stwierdzić, że najbardziej korzystną częstotliwością pracy transformatora piezoelektryczno-magnetycznego wykorzystanego jako czujnik natężenia pola magnetycznego jest częstotliwość rezonansu mechanicznego.

Na fig. 7 rysunku zaprezentowano napięciową zależność ustawienia kąta między odbiornikiem 2 a nadajnikiem 1 opisywanego transformatora umieszczonego w stałym polu magnetycznym o natężeniu H_Dc = 600 Oe. Wartość amplitudy napięcia wyjściowego U_wy zwiększa się o 15%, gdy wartość kąta wzrasta do 20 stopni w stosunku do położenia równoległego. Przy większych wartościach kątowych następuje spadek napięcia wyjściowego transformacji badanego przetwornika. Na podstawie wyników tych pomiarów możemy stwierdzić, że występuje silna zależność ustawień kąta między nadajnikiem a odbiornikiem transformatora i może być wykorzystana do pomiarów kąta położenia. Najbardziej korzystną konfiguracją czujnika, zapewniającą najwyższy transfer energii jest ustawienie odbiornika pod kątem 20 stopni do nadajnika.

Transformator piezoelektryczno-magnetyczny według wynalazku, służący jako czujnik natężenia pola magnetycznego dzięki dużemu zasięgowi detekcji może znaleźć między innymi zastosowanie jako miniaturowy czujnik w jezdni, mający na celu monitorowanie ruchu samochodowego.

Claims (2)

1. Transformator piezoelektryczno-magnetyczny jako czujnik natężenia pola magnetycznego, znamienny tym, że składa się z nadajnika (1), zmiennego pola magnetycznego H_ac i odbiornika (2) zmiennego pola magnetycznego H_ac, przy czym nadajnik (1) zbudowany jest z co najmniej jednej warstwy piezoelektrycznego aktuatora (3), do którego przyłączone są zaciski (4) napięcia wejściowego U_we, wykorzystującego odwrotny efekt piezoelektryczny do generacji drgań oraz połączonej z aktuat orem (3) co najmniej jednej warstwy magnetostrykcyjnego sensora (5), w którym następuje generacja zmiennego pola magnetycznego H_ac, poprzez odwrotny efekt magnetostrykcyjny, natomiast odbiornik (2) zbudowany jest z co najmniej jednej warstwy magnetostrykcyjnego aktuatora (6) wykorzystującego prosty efekt magnetostrykcyjny do generacji drgań z energii zmiennego pola magnetycznego H_AC oraz co najmniej jednej warstwy piezoelektrycznego sensora (7) transformującego drgania na napięcie wyjściowe U_wy przez prosty efekt piezoelektryczny, przy czym zaciski (8) napięcia wyjściowego U_wy przyłączone są do warstw piezoelektrycznego sensora (7).

2. Transformator według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwy aktuatora (3) i sensora (5), z których zbudowany jest nadajnik (1) oraz warstwy aktuatora (6) i sensora (7), z których zbudowany jest odbiornik (2) mają postać dysków o jednakowych wymiarach.