磁电回旋器能量传输动态过程的非接触式光学测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于电子转换器件技术领域，公开了一种磁电回旋器能量传输动态过程的非接触式光学测量装置，所述测量装置包括激光多普勒测振仪、锁相放大器、PC机、静态偏置磁场施加装置、磁电回旋器和支架；所述激光多普勒测振仪通过内置的速度解码器的电压输出端与所述锁相放大器的电压输入端相连，锁相放大器通过内部振荡器的输出端与磁电回旋器的线圈端口连接，锁相放大器通过通信电缆与PC机相连；所述磁电回旋器固定于支架上，所述支架固定于静态磁场施加装置中间。本发明专利技术能够准确定位器件在历经高效动态磁

【技术实现步骤摘要】
磁电回旋器能量传输动态过程的非接触式光学测量装置及方法


[0001]本专利技术属于电子转换器件
，具体涉及一种磁电回旋器能量传输动态过程的非接触式光学测量装置及方法。

技术介绍

[0002]理想回旋器是一种无源、线性、非互易性的新型双端口元件，能够实现电压-电流直接互逆转换并伴随高效能量转换，成为继电阻、电容、电感和变压器之后的第五类基本网络电气元件。理想回旋器能够实现感性元件的容性特征，在大规模集成电路中可将不易在晶片上集成的电感元件用更容易集成的回旋器和普通电容器所替代。而且，普通电容较普通电感更加接近理想的元件，由回旋器与普通电容器模拟出的电感元件，相对于任何的普通电感，都要更加接近理想感性元件。理想回旋器的假想网络拓扑理论模型最初于1948年由荷兰飞利浦实验室的Tellegen提出，后人们致力于通过运算放大器等分立电气元件的搭建实现理想回旋器的回旋效应。直到本世纪初期，磁致伸缩/压电层合结构换能器因具有无源和室温下强磁电耦合等突出特性被广泛应用于数据存储、磁场探测、功率转换等领域，在其外围缠绕线圈后所构成的四线-双端口元件为理想回旋器的实现提供了新的途径。关于磁电回旋器里程碑式的工作报道于2006年，美国弗吉尼亚理工学院的Zhai等人借助超磁致伸缩材料Terfenol-D和压电陶瓷PZT复合出现的强磁电耦合效应并在其外围密绕线圈构建了磁电回旋器件，实现了感性-容性双端口电气网络的互逆转换。自2016年起，美国弗吉尼亚理工学院的Leung等人又通过稀土掺杂、改变层合方式、线圈尺寸优化等实验手段就如何进一步提高磁电回旋器稳定性及功率传输效率展开了相关理论建模和实验研究工作，并取得了一系列原创性的研究成果。
[0003]在进一步提升磁电回旋器能量传输效率中遇到的机械损耗偏大的问题中，研究者们多采用静态或准静态的电阻应变片接触式测量的方法对功率传输过程中所涉及的磁能、机械能和电能三者之间的耦合传递过程进行分析，试图寻求主要的能量损耗来源并使之进一步降低以提高效率。然而，磁电回旋器的正常工作是依靠谐振态激励下的强磁电耦合效应完成，期间历经动态的磁-机-电转换过程，而仅仅依靠静态或准静态的电阻应变片接触式测量方法无法准确描述这一过程，并且国内外用于描述器件在能量传输过程中的动态测量方法未见报道。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种磁电回旋器能量传输动态过程的非接触式光学测量装置，能够准确定位器件在历经高效动态磁-机-电转换过程中机械振动损耗的主要源头，具有非接触测量、精度高和可定量描述等突出优点。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供一种磁电回旋器能量传输动态过程的非接触式光学测量装置，所述测量装
置包括激光多普勒测振仪、锁相放大器、PC机、静态偏置磁场施加装置、磁电回旋器和支架；所述激光多普勒测振仪通过内置的速度解码器的电压输出端与所述锁相放大器的电压输入端相连，锁相放大器通过内部振荡器的输出端与磁电回旋器的线圈端口连接，锁相放大器通过通信电缆与PC机相连；所述磁电回旋器固定于支架上，所述支架固定于静态磁场施加装置中间；所述PC机通过程序调节锁相放大器对磁电回旋器的输入电压、交流磁场和频率大小，以及静态偏置磁场施加装置施加的偏置磁场大小。
[0006]优选地，所述磁电回旋器由磁电复合结构换能器及均匀围绕在磁电复合结构换能器外围的线圈构成，所述磁电复合结构换能器为非对称型或对称型的多层结构，磁电复合结构换能器包括至少一层的磁致伸缩层和一层的压电陶瓷层。
[0007]优选地，所述激光多普勒测振仪所发出的激光束为632nm的氦氖激光束。
[0008]优选地，所述静态偏置磁场施加装置由相对设置于导轨上的钕铁硼永磁体组成。
[0009]本专利技术还提供磁电回旋器能量传输动态过程的非接触式光学测量方法，包括以下步骤：a、打磨磁电回旋器中磁致伸缩层和压电陶瓷层各单层样片的待测端面，用丙酮擦拭除去碎屑与氧化层；b、裁剪反光膜并粘贴于各单层样片待测端面的中心位置；c、将磁致伸缩层单层样片固定于支架中心处，使之处于自由边界振动状态；d、启动激光多普勒测振仪，使激光束穿过静态偏置磁场施加装置的聚光孔并聚焦于贴有反光膜的磁致伸缩层单层样片待测端面的中心位置；e、通过程序调节锁相放大器对单层样片的输入电压、交流磁场和频率大小，以及静态偏置磁场施加装置施加的偏置磁场大小；f、磁致伸缩层单层样片待测端面的振动速度信号经激光多普勒测振仪内置的速度解码器转换为电压信号，锁相放大器采集电压信号，采用动态能量积分得到磁致伸缩层单层样片的输出动能；g、将磁致伸缩层单层样片与压电陶层单层样片粘合得非对称型或对称型的磁电复合结构换能器，在磁电复合结构换能器外围均匀围绕线圈制成磁电回旋器，重复步骤c~f，并将激光束逐次逐层聚焦于磁致伸缩层单层样片与压电陶层单层样片待测端面中心位置，得到磁电回旋器的层间动态动能传递效率。
[0010]相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：本专利技术通过激光多普勒测振仪的激光器发出的氦氖偏振光束聚焦至样片的振动端面中心位置，系统传感器收集由于样片表面振动而产生频移的反射光，并与参考光进行比较后，速度解码器将样片的振动频率信号转换为振动速度信号，通过程序调节锁相放大器对单层样片的输入电压、交流磁场和频率大小，获得不同频率激励下磁电回旋器的磁致伸缩层、压电层的振动信息，采用动态能量积分计算动态时磁电回旋器中逐层能量传输效率及损耗。
[0011]本专利技术非接触式光学测量法与传统接触式应力测量法相比，可对动态能量传递过程进行测量，能够准确定位器件在历经高效动态磁-机-电转换过程中机械振动损耗的主要源头，具有可动态测量、非接触式测量、精度高和可定量描述等突出优点。本专利技术对磁电回旋器能量传输过程中所涉及的动态磁-机-电转换过程进行了深入剖析，且通过实验数据直
接证明了本专利技术非接触式光学测量方法的合理性，对磁电回旋器件的设计中进一步提升功率转换效率有着明确的指导意义，且为高效功率电子器件功率传输效率测试领域提供了一种新的途径。
附图说明
[0012]图1为本专利技术非接触式光学测量装置的结构示意图。
[0013]图2为本专利技术非接触式光学测量装置的原理示意图。
[0014]图3为实施例1单层、双层及三层结构的磁电回旋器的磁致伸缩层在谐振处的输出振动速度谱。
[0015]图4为实施例1双层结构的磁电回旋器在45kHz-70kH频率范围内NZTFO层与PZT层各端面振动速度谱。
[0016]图5为实施例1计算得到的单层与双层结构的磁电回旋器的输出机械动能谱。
[0017]图6为实施例2三层结构的磁电回旋器在52.5kHz-75kH频率范围内两个NZTFO层与PZT层各端面振动速度谱。
[0018]图7为实施例2计算得到的单层与三层结构的磁电回旋器的输出机械动能谱。
具体实施方式
[0019]以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限定本专利技术的保护范围。若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁电回旋器能量传输动态过程的非接触式光学测量装置，其特征在于，所述测量装置包括激光多普勒测振仪、锁相放大器、PC机、静态偏置磁场施加装置、磁电回旋器和支架；所述激光多普勒测振仪通过内置的速度解码器的电压输出端与所述锁相放大器的电压输入端相连，锁相放大器通过内部振荡器的输出端与磁电回旋器的线圈端口连接，锁相放大器通过通信电缆与PC机相连；所述磁电回旋器固定于支架上，所述支架固定于静态磁场施加装置中间；所述PC机通过程序调节锁相放大器对磁电回旋器的输入电压、交流磁场和频率大小，以及静态偏置磁场施加装置施加的偏置磁场大小。2.根据权利要求1所述的非接触式光学测量装置，其特征在于，所述磁电回旋器由磁电复合结构换能器及均匀围绕在磁电复合结构换能器外围的线圈构成，所述磁电复合结构换能器为非对称型或对称型的多层结构，磁电复合结构换能器包括至少一层的磁致伸缩层和一层的压电陶瓷层。3.根据权利要求1所述的非接触式光学测量装置，其特征在于，所述激光多普勒测振仪所发出的激光束为632nm的氦氖激光束。4.根据权利要求1所述的非接触式光学测量装置，其特征在于，所述静态偏置磁场施加装置由相对设置于导轨上的钕铁硼永磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：张吉涛，赵鹤伟，张庆芳，武洁，陶加贵，张培，任林娇，赵艺芳，姜利英，曹玲芝，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：