基于面内轴向逆磁电效应的多层复合材料电场测量传感装置制造方法及图纸

一种基于面内轴向逆磁电效应的多层复合材料电场测量传感装置，包括铁电材料相，铁磁材料相，粘结层,所述铁电材料相和铁磁材料相之间通过粘结层相互耦合，所述粘接层起到界面连接及应变耦合作用，所述电材料相，铁磁材料相，粘结层处于直流偏置磁场下，电场导致铁电相材料产生形变，铁电相材料的形变耦合至铁磁材料相，利用磁场传感器对材料附近磁场变化进行测量，优化偏置磁场可优化传感装置的灵敏度。其有益效果是：应用逆磁电效应实现磁能和电能的相互转换，因此装置可以测量的电场的带宽很大，可方便地测量高强度、高频率的电场，所测电场工作范围可达100kV/cm以上。

A multi-layer composite electric field sensor based on in-plane axial inverse magnetoelectric effect

【技术实现步骤摘要】
基于面内轴向逆磁电效应的多层复合材料电场测量传感装置
本专利技术涉及电场传感领域，特别是一种电场测量范围高、灵敏高的基于面内轴向逆磁电效应的微型多层复合材料电场测量传感装置。
技术介绍
如今，能源问题已经成为全球各个国家地区所共同面临的发展问题，我国人口众多、疆域辽阔，能源需求量极大。电力能源是全球范围内需求量最大的能源之一，与我们的生产生活密切相关。我国电力系统的发展已经取得了举世瞩目的成就，目前我国发电量已经位居世界第一，我们已经建立起电压等级高、互联范围广、复杂程度高的电力生产、输送、分配、消费网络。但是，我国电网仍然面临着诸多困难和挑战。因此，提高能源利用效率、加快电网智能化改造、进一步优化电能的生产输送分配势在必行。随着工业水平和互联网技术的快速发展，稳定、安全、灵活、高效的新一代智能电网已经成为我国电力系统的发展方向。新一代智能电网将呈现出分布式可再生能源的大规模接入、高压交直流互联、储能系统和电动汽车的大规模接入、用户需求多样化已经多种能源系统并入等特点。新一代智能电网将改变我们生产生活的方方面面。智能电网的核心在于多端数据信息的实时反馈与多端设备的实时动态控制。实现实时动态控制的基础是告知电网实时信息数据，因此，构建新一代电力系统信息网络是智能电网的基础工程，通过电力传感器网络的构建，可实现对电网任意节点的实时监测，进而实现对电网故障的快速精准地识别和定位、电网资源的优化配置、自诊断和自恢复能力的进一步提升，并为电力系统的调配和控制提供实时信息。最终实现能量系统与信息系统的深度融合。<br>电压是电力系统中最基础的电气量，对整个电力系统起着至关重要的作用，因此，电压/电场传感器具有极大的市场需求。电力系统中电压/电场具有测量环境复杂、幅值高、频带宽等特点，同时广域实时监测的需求还要求传感器具有低成本、小体积的特征。目前电压/电场传感器主要应用的原理包括电光效应、静电感应、压电效应以及基于MEMS技术的传感器。但目前已有的电压/电场传感器还不能满足电力系统的需要。具有非易失性和可逆敏感性的逆磁电效应复合材料在磁逻辑器件和电场调制磁微波领域发挥了重要作用。然而，逆磁电效应的应用不应局限于当代视野，线性度等性能的改善将有助于其他新领域的蓬勃发展。在电压/电场传感领域，逆磁电效应复合材料的线性性能也将在非接触、宽范围和芯片级电场传感器中发挥非常重要的作用。
技术实现思路
本专利技术的目的为：提出一种基于面内轴向逆磁电效应的微型多层复合材料电场测量传感装置，以此来实现宽频带、高精确度的电场测量。设计思路为：磁电效应是指物体由电场作用产生的磁化效应或由磁场作用产生的电极化效应，磁电效应可实现电场能量与磁场能量之间的相互转换，利用磁电效应可实现通过磁场控制电极化或是通过磁场控制电极化。因此，磁电效应已经逐步开始运用于电场和磁场传感器领域，并且在其他领域磁电效应也将发挥举足轻重的作用。本装置利用铁电材料的压电效应和铁磁材料的磁致伸缩效应相互耦合，并以过环氧薄膜将铁电材料和铁磁材料相互耦合。由此可将电场的信号转化为应力信号进而又转化为磁场信号，探测此磁场信号即可表征外电场。基于面内轴向逆磁电效应的多层复合材料电场测量传感装置体积小，测量范围大，测量准确度高，频响特性好，并且可实现非接触性测量，不会影响到一次侧的正常运行，可广泛应用于电力系统输电线路、关键设备等的实时监测，此外该装置还能应用于工业设计、航空航天、现代化农业等领域，具有相当广阔的应用市场。基于上述专利技术目的和设计思路，设计了一种基于面内轴向逆磁电效应的多层复合材料电场测量传感装置。具体设计方案为：一种基于面内轴向逆磁电效应的多层复合材料电场测量传感装置，包括铁电材料相，铁磁材料相，粘结层,所述铁电材料相和铁磁材料相之间通过粘结层相互耦合，所述粘接层起到界面连接及应变耦合作用，所述电材料相，铁磁材料相，粘结层处于直流偏置磁场下，电场导致铁电相材料产生形变，铁电相材料的形变耦合至铁磁材料相，利用磁场传感器对材料附近磁场变化进行测量，优化偏置磁场可优化传感装置的灵敏度。所述铁电材料相的材料具有压电效应，兼具高压电系数和线性响应性，优先包括极化处理后的Pb(Mg13Nb23)O3-28％PbTiO3、Pb(Zr1-xTix)O3。所述铁磁材料相的材料应具有压磁效应，优先包括FeBSiCMetglas、Terfenol-D。直流偏置磁场通过亥姆霍兹线圈或多层膜的交换耦合产生。所述铁电材料相的体积占比将会很大程度上的影响逆磁电效应的强度，优化铁电材料相的体积占比可以最大程度上优化电场测量传感装置的灵敏度，所述铁磁材料与铁电材料的最优体积比为0.4-0.6。通过本专利技术的上述技术方案得到的基于面内轴向逆磁电效应的多层复合材料电场测量传感装置，其有益效果是：应用逆磁电效应实现磁能和电能的相互转换，因此装置可以测量的电场的带宽很大，可方便地测量高强度、高频率的电场，所测电场工作范围可达100kV/cm以上。附图说明图1为本专利技术所述的基于面内轴向逆磁电效应的多层复合材料电场测量传感装置的结构示意图；图2为本专利技术所述的基于面内轴向逆磁电效应的多层复合材料电场测量传感装置的测量环节示意图。图中，1、铁电材料相；2、铁磁材料相；3、粘接层；4、磁场传感器。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行具体描述。一种基于面内轴向逆磁电效应的多层复合材料电场测量传感装置，包括铁电材料相1，铁磁材料相2，粘结层3,所述铁电材料相1和铁磁材料相2之间通过粘结层3相互耦合，所述粘接层3起到界面连接及应变耦合作用，所述电材料相1，铁磁材料相2，粘结层3处于直流偏置磁场下，电场导致铁电相材料产生形变，铁电相材料的形变耦合至铁磁材料相，利用磁场传感器对材料附近磁场变化进行测量，优化偏置磁场可优化传感装置的灵敏度。所述铁电材料相1的材料具有压电效应，兼具高压电系数和线性响应性，优先包括极化处理后的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-28％PbTiO3、Pb(Zr1-xTix)O3。所述铁磁材料相2的材料应具有压磁效应，优先包括FeBSiCMetglas、Terfenol-D。直流偏置磁场通过亥姆霍兹线圈或多层膜的交换耦合产生。所述铁电材料相1的体积占比将会很大程度上的影响逆磁电效应的强度，优化铁电材料相的体积占比可以最大程度上优化电场测量传感装置的灵敏度，所述铁磁材料与铁电材料的最优体积比为0.4-0.6。实施例1所述铁电材料相1的材料采用Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-28％PbTiO3。所述铁磁材料相2的材料采用FeBSiCMetglas和Terfenol-D，体积占比定为7/13。所述粘接层3的材料可以为环氧树脂胶，用于耦合所述铁电材料相1和所述铁磁材料相2之间的应力。所述直流偏置磁场HDC可以通过亥姆霍兹线圈产生，以诱发所述铁磁材料相2在形变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于面内轴向逆磁电效应的多层复合材料电场测量传感装置，包括铁电材料相(1)，铁磁材料相(2)，粘结层(3),其特征在于，所述铁电材料相(1)和铁磁材料相(2)之间通过粘结层(3)相互耦合，所述电材料相(1)，铁磁材料相(2)，粘结层(3)处于直流偏置磁场下。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于面内轴向逆磁电效应的多层复合材料电场测量传感装置，包括铁电材料相(1)，铁磁材料相(2)，粘结层(3),其特征在于，所述铁电材料相(1)和铁磁材料相(2)之间通过粘结层(3)相互耦合，所述电材料相(1)，铁磁材料相(2)，粘结层(3)处于直流偏置磁场下。


2.根据权利要求1中所述的基于面内轴向逆磁电效应的多层复合材料电场测量传感装置，其特征在于，所述铁电材料相(1)的材料具有压电效应，兼具高压电系数和线性响应性。

【专利技术属性】
技术研发人员：何金良，胡军，韩志飞，杨光照，薛芬，余占清，曾嵘，张波，李琦，庄池杰，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11