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基于环形嵌套结构的Terfenol-D/PZT磁电各向同性研究

【摘要】:面内磁场测量在电法勘探、航磁探测、周界安全等领域具有广阔的应用前景。磁电传感器因具有响应频率范围宽、灵敏度高等优点,在磁探测领域表现突出。传统的面内磁场幅值测量方法是使两个相互垂直的单轴磁电传感器同时工作,并在后期进行计算得出最终结果。这不仅需要额外的电路支持,还会因安装精度不足而引入非正交误差。针对现有问题,本文设计了一种具有高各向同性的磁电传感器,旨在实现对面内磁场幅值的直接测量。首先,本文设计与制备了基于环形嵌套结构的磁电复合材料。考虑磁电性能、工艺难度和制作成本,选用具有优异性能的PZT-5H和Terfenol-D作为压电相和磁致伸缩相的材料。利用环氧树脂与固化剂混合后的粘合作用,使两种环形材料嵌套在一起,经过抽真空、按压、静置、固化、焊接等流程,实现了实验样品的制备。然后,对环形嵌套结构的Terfenol-D/PZT磁电复合材料进行模拟研究。本文通过有限元仿真软件,研究了材料体积比、偏置磁场大小、交流磁场大小及其频率对磁电各向同性的影响。根据有限元计算结果,本文建立了基于弹性力学原理的理论模型,推导出了环形结构磁电复合材料各向同性比的计算公式,解释了其对磁场方向的依赖特性,为接下来的实验研究提供参考。最后,本文对制备的磁电复合材料进行了实验研究。结果表明样品具有良好的线性度,在谐振频率及最佳偏置磁场下分辨率可达0.8nT,其磁电各向同性随偏置磁场、交流磁场的变化规律与模拟研究结果基本吻合。为了实现磁电传感器系统的小型化,本文使用永磁铁产生直流偏置磁场,并利用3D打印技术设计了体积较小的实验装置。经过测试,磁电各向同性比K可达3.1,获得了较好的磁电各向同性结果,为实现面内磁场幅值的直接测量提供了可行的方案。

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