一种新型各向同性磁电传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种新型各向同性磁电传感器结构，该各向同性磁电传感器由圆柱状的磁致伸缩材料与圆环状的压电材料组成。各向同性磁电传感器根据结构上呈对称状态，因此对二维平面内变换的磁场，无关传感器与被测磁场方向的夹角为多少，其输出是不会改变的。在此基础上，本发明专利技术提出一种各向同性磁电测量装置，该装置在所述传感器正上方以及正下方放置对称磁铁，产生对称发散的偏置磁场，从而实现不影响各向同性的同时，增大磁电转换系数。本发明专利技术中，两个磁铁与磁电传感器完全同轴放置，根据有限元建模的理论分析结果显示，本发明专利技术对磁场测量具有很好的各向同性。本发明专利技术还具有成型工装结构简单，能实现动态场景下的磁场测量。

A new type of isotropic magnetoelectric sensor

The invention discloses a novel isotropic magnetoelectric sensor structure, which consists of a cylindrical magnetostrictive material and a circular circular piezoelectric material. The isotropic magnetoelectric sensor is symmetrical according to the structure, so the output of the magnetic field in the two-dimensional plane is not changed by the angle of the independent sensor and the direction of the measured magnetic field. On this basis, the invention proposes an isotropic magnetoelectric measuring device, which puts a symmetric magnet above and below the sensor to produce a symmetric and divergent bias magnetic field, thus increasing the magnetoelectric conversion coefficient without affecting the isotropy. In the present invention, two magnets and magnetoelectric sensors are completely placed in the same coaxial position. According to the theoretical analysis results of the finite element modeling, the invention has good isotropy for the magnetic field measurement. The invention also has the simple structure of the forming tooling, and can realize the magnetic field measurement under the dynamic scene.

【技术实现步骤摘要】
一种新型各向同性磁电传感器
本专利技术属于新型磁电传感器领域，更具体地，涉及一种采用磁致伸缩材料结合压电材料构成的各向同性磁电传感器。
技术介绍
磁电效应主要是指由磁场产生的电极化现象。迄今为止，磁电效应已经在单相材料和复合多相材料中发现，据相关文献报道，单相材料中的磁电效应非常小，相对来讲，磁电复合多相材料中的磁电效应非常大。磁电效应的重要衡量目标是其磁电响应系数，磁电响应系数越大，说明磁电传感器的灵敏度越大，性能越好。因此，如何提高磁电响应系数就成为近年来科学家们关注的重点。然而，在提高磁电响应系数的同时，复合磁电材料对磁场方向的灵敏特性也成为影响传感器精度的重要因素。一般情况下，磁传感器可分为矢量磁传感器和标量磁传感器，其中矢量磁传感器由三个单轴矢量磁传感器两两正交组成，不仅可测量磁场的总强度，还能确定磁场的方向；标量磁传感器通常只有一个独立的传感单元，只能测量磁场的总强度，不能确定磁场的方向。按照上述分类，可将磁电传感器分为矢量磁电传感器和标量磁电传感器，评价指标分别为磁各向异性和磁各向同性。矢量磁电传感器已被有关学者研究，对于矢量磁电传感器(例如x轴)来讲，理想情况下，除了在测量轴(例如x轴)上出现明显的磁电响应外，其他正交轴方向(例如y轴和z轴)的磁电响应可以忽略不计。而对于空间某一点的磁场测量，通常情况下是由两两正交的三个单轴矢量传感器组成，由于单轴间各向异性的影响，三轴传感器中便存在交叉轴响应，严重影响传感器的测量精度。例如，在2006年发表的文献《Near-idealmag-netoelectricityinhigh-permeabilitymagnetostrictive/piezofiberlaminateswitha(2-1)connectivity》中，Dongshuxiang等人研究了磁致伸缩和压电纤维构成的层状磁电传感器，其磁电响应系数可达到22V/cmOe(1Hz)，层状复合材料的各向异性达到100～1000。标量磁电传感器的研究思路与矢量磁电传感器刚好相反，对于标量磁电传感器来讲，理想情况下，除了在x轴上出现明显的磁电响应外，其他正交轴方向(例如y轴和z轴)均出现相同的磁电响应。这意味着，提高交叉轴效应会极大程度上提高传感器的各向同性，对于结构对称的磁电传感器来讲，由于其结构优势，能够有效提高轴间的交叉响应，极大程度能够提高标量磁电传感器对磁场总强度的测量精度。但是，迄今为止，尚未见到各向同性标量磁电传感器的相关研究报道。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷，本专利技术提出了一种各向同性磁电传感器，其目的在于对二维平面内的磁场实现各向同性测量，由此解决现有磁电传感器存在的输出电信号随着被测磁场方向的不同而发生变化的技术问题。本专利技术提出的一种新型各向同性磁电传感器，包括一个圆形或环形压电材料、电极和多个圆柱形磁致伸缩材料；其中：所述多个圆柱形磁致伸缩材料均匀设在所述压电材料上，各个磁致伸缩材料的一个底面与所述压电材料紧密结合；各个磁致伸缩材料结构和尺寸相同，各个磁致伸缩材料的圆心共圆；所述电极分别设在所述压电材料的上下两个表面。优选地，所述磁致伸缩材料为Terfenol-D、Metglas、Fe-Ga或NiFe2O4磁性材料，磁致伸缩效应更加明显。优选地，所述压电材料为PZT-5、PZT-4、PMNPT、PZNPT、PVDF或BaTiO3，具有较强的压电性能。优选地，所述磁致伸缩材料的直径与环形压电材料内外半径之差相等。基于所述磁电传感器，本专利技术还提出一种各向同性磁电测量装置，包括底座、第一磁铁、导柱、载物板、磁电传感器、第二磁铁、顶座、固定螺母、压电材料PZT-5H、Terfenol-D块材、正电极、负电极、所述底座与顶座为上下平行两个平面结构，分别用于设置第一磁铁和第二磁铁；其中：所述载物板为与所述底座平行的平面结构，用于设置各向同性磁电传感器；所述底座用于安放导柱和第一磁铁；所述第一磁铁、第二磁铁为同磁极一侧相邻设置，均设在上下平面结构的内侧；所述第一磁铁、第二磁铁中心轴线均与所述磁电传感器中心轴线重合，形成由轴心对称发散的磁场。优选的，所述的各向同性磁电测量装置中，所述底座与顶座之间的载物板，其上侧面通过若干个导柱与顶座相连，其下侧面通过若干个导柱与底座相连。优选的，所述各向同性磁电测量装置中，所述底座、导柱、载物板、顶座、固定螺母为非磁性材料制成，可避免影响磁电传感器对磁场的测量；优选的，所述各向同性磁电测量装置中，所述第一磁铁、第二磁铁结构和参数相同。优选的，所述各向同性磁电测量装置中，所述各向同性磁电传感器设在第一磁铁和第二磁铁之间的中间位置。本专利技术的构思是通过磁电传感器的结构对称设置，并附加一个对称的偏置磁场，使得处于外部磁场下的磁电传感器具有各向同性。为了实现上述目的，本设计中首先选用了具有强磁致伸缩效应的磁致伸缩材料Terfenol-D块材，以及具有很好压电特性的PZT-5H。然后将多个圆柱型的磁致伸缩材料与压电材料相粘合，在结构上实现对称结构，为了获得较好的各向同性，圆柱状的磁致伸缩材料尽可能多的增加数量。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够获得下列有益效果。(1)首先，本专利技术提高了磁场测量精度。目前行业内的磁电传感器分为单轴磁电传感器与三轴磁电传感器。对于单轴磁电传感器来讲，测量外部磁场时不仅会在敏感轴方向上会有磁电输出，在其他方向上会出现相应的不期望的输出。对于三轴传感器来讲，由于其各向异性的存在，各轴之间会存在交叉轴响应。总之，由于各向异性的存在，无论单轴还是三轴传感器，其输出精度都严重降低。而各向同性磁电传感器由于其结构对称，并且置于由中心对称发散的偏置磁场中，提高了对外部磁场测量的精度。(2)本专利技术的第二个特点是采用分立的圆柱型磁致伸缩材料。当本结构的圆柱型磁致伸缩材料的数量增加时，其极限情况就是一个圆环，但是圆环型的磁致伸缩材料在磁场中各方向上的退磁场是不同的，所以处于外磁场的圆环被磁化时磁化强度在各方向上差异很大。但是圆柱型磁致伸缩材料在磁场中在各方向上的磁化强度是均匀的，采用分离的圆柱型磁致伸缩材料可以增加输出电信号的大小。(3)本专利技术的第三个特点是实现磁场的直接测量。对于传统的三轴磁电传感器来讲，要实现测量平面内的磁场大小，需要通过三轴测量的磁场矢量进行计算，计算出矢量和大小，从而得到被测磁场的大小。而各向同性磁电传感器无需通过计算，直接便可测得外部磁场大小，大大降低了磁场测量的数据处理，提高了测量精度。(4)本专利技术的第四个特点是可以应用于空间磁场测量，海下磁信号测量等动态环境中的磁信号测量。当测量动态环境中的磁场时，该传感器十分有用。例如海下探测，由于海浪的作用，沉入海底的传感器不可避免会发生角度旋转，各向异性磁电传感器的输出会受到极大影响，而各向同性传感器的测量结果会在极小的范围内进行波动，只有当外来潜艇入侵时，其输出信号才发生极大的变化，因此各向同性磁电传感器很容易分辨出海底是否出现异常，极大的提高测量结果的准确性。附图说明图1为本专利技术中各向同性磁电传感器结构的工装示意图；图2为各向同性磁电传感器的俯视图；图3为各向同性磁电传感器的侧视图；图4为各向同性磁电传感器的3D视图；图5为对该磁电传感器进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型各向同性磁电传感器，其特征在于，包括一个圆形或环形压电材料、电极和多个圆柱形磁致伸缩材料；其中：所述多个圆柱形磁致伸缩材料均匀设在所述压电材料上，各个磁致伸缩材料的一个底面与所述压电材料紧密结合；各个磁致伸缩材料结构和尺寸相同，各个磁致伸缩材料的圆心共圆；所述电极分别设在所述压电材料的上下两个表面。

【技术特征摘要】
1.一种新型各向同性磁电传感器，其特征在于，包括一个圆形或环形压电材料、电极和多个圆柱形磁致伸缩材料；其中：所述多个圆柱形磁致伸缩材料均匀设在所述压电材料上，各个磁致伸缩材料的一个底面与所述压电材料紧密结合；各个磁致伸缩材料结构和尺寸相同，各个磁致伸缩材料的圆心共圆；所述电极分别设在所述压电材料的上下两个表面。2.根据权利要求1所述的磁电传感器，其特征在于，所述磁致伸缩材料为Terfenol-D、Metglas、Fe-Ga或NiFe2O4磁性材料。3.根据权利要求1所述的磁电传感器，其特征在于，所述压电材料为PZT-5、PZT-4、PMNPT、PZNPT、PVDF或BaTiO3。4.根据权利要求1所述的各向同性磁电测量装置，其特征在于，所述磁致伸缩材料的直径与环形压电材料内外半径之差相等。5.一种基于权利要求1-4所述任一磁电传感器的各向同性磁电测量装置，其特征在于，包括底座(1)、第一磁铁(2)、导柱(3)、载物板(4)、第二磁铁(6)、顶座(7)、固定螺母(8)、磁电传感器(5)及其引出正电极(11)、负电极(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玮琳，欧阳君，杨晓非，陈实，游龙，朱本鹏，张悦，李鹏，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42