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Terfenol-D/PZT环形层叠结构的磁电特性研究

【摘要】:磁电传感器是能够实现磁场能量与电场能量相互转换的新型磁传感器,具有灵敏度高、功耗低、体积小、制备工艺简单等优点,在生物磁场探测、电磁勘探、长波窄带通信等领域具有广阔的应用前景。传统的矢量磁电传感器通过两个正交的单轴磁电传感器实现面内磁场幅值的测量,但是由于非正交误差和交叉轴误差的影响,导致磁场测量精度降低。本文研究的环形层叠磁电材料,可通过单个敏感元探测面内磁场,有望实现磁场幅值直接测量。首先,本文建立了环形层叠磁电材料的等效电路模型。等效电路法是一种通过声学量、力学量、磁学量与电学量之间的等效关系,将磁电方程转换成等效电路方程的经典分析方法。本文采用等效电路法,基于圆环状压电陶瓷与磁致伸缩材料的本构方程,同时结合电路状态方程和机械运动方程,建立了层叠材料的磁电响应和各向同性模型,并据此计算得到磁电响应与各向同性,分别与直流偏置磁场、交流磁场、磁致伸缩材料体积分数的关系。然后,设计并制备了环形层叠磁电材料。经过对比和分析,本文的磁致伸缩材料和压电材料分别选择了易加工、性价比高、性能优异的Terfenol-D和PZT-5H,通过环氧树脂胶进行层间粘合,再经过铜块压合和真空凝固等相关工艺增加耦合强度,最终制备了环形层叠磁电复合材料。最后,设计了动态磁电测试系统,并进行了环形层叠磁电复合材料的试验研究。试验结果表明:(1)磁电电压输出在未饱和状态下与交流磁场幅值呈线性关系。谐振频率下(32kHz),磁电响应灵敏度为229.015mV/Oe;交流频率为1kHz时,磁电响应灵敏度为10.95mV/Oe。(2)磁电响应在谐振频率附近(30kHz、32kHz、33kHz、34kHz)呈现双峰现象;(3)各向同性曲线与理论公式具有良好的拟合效果;(4)各向同性与交流磁场频率,直流偏置磁场大小有关,与交流磁场幅值无关;实验结果与理论分析具有一致性。

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