专利名称：具有能量汇聚的复合磁电换能器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种"磁一机一电"能量转换技术，尤其涉及一种具有能量汇聚的复合磁电换 能器。
背景技术：
ti然界和宇宙万物之中，磁场无处不在，磁性是物体的最基本特性之一。随着现代科学 技术的飞速发展和对亍事物本质特性认识的不断深入，磁电换能器，特别是高效率磁电换能 器作为高灵敏磁传感器和高效磁电自供能的关键和核心，已渗透于现代技术的各个领域中， 愈来愈引起人们关注。采用磁电换能器的磁传感器是目前应用量最大的传感器产品之一，广 泛应用于国民经济各个领域。目前较为成熟的高灵敏磁场探测主要采用磁通门磁强计和超导 量子干涉磁场测量仪(SQUID)。但是，目前的高灵敏度磁传感器由于价格昂贵，体积较大， 对于环境、工作条件要求非常严格(如磁通门需线圈/天线，SQUID需制冷等)，需要外加电 源或者驱动，从而限制了其应用。因此，无源高效率磁电换能器的研制是解决上述问题的关 键。
磁电"自供能/电"或"能量采集"则是将环境中的磁电能量转化为电能，为电子系统供能。 但是，自然界的电磁波能流密度通常小于10pW/cm2，不同的频段的电磁能量密度相差很大， 要利用如此弱的电磁波能量供电是非常困难的。因此，高效的无源磁电换能器也是实现在自 然环境屮磁电自供能的基础。
上世纪70年代，Shuitesin首先提出铁电-铁磁人工复合材料，其后很多材料学家参与到 这一领域中来。据此，上世纪卯年代末和本世纪初，研究者开始研究性能和成本更具有优势 的采用复合磁电材料的磁传感器。压电材料如压电单晶等材料，具有较高的机电耦合系数， 超磁致伸縮材料如Terfenol-D是目前伸縮量最大的材料之一，二者结合可以实现磁场能量到 电能量的转换，作为敏感元件，即使没有电源供电，也可以直接得到电信号输出。近几年来， 国内外研究者不断采用新的压电材料与超磁致伸缩材料复合，取得许多令人振奋的进展。但 是，截止目前，本领域研究者的研究方向则主要集中于希望通过改善材料的自身特性来提高 磁电转化效率。然而，由于现有材料自身特性的限制，复合材料结构的品质因素低，能量转 换过程中的损耗较高，如果仅仅通过材料的自身特性的改善，很难通过材料直接复合进一步 大幅度提高磁电效应，也难于制作出高灵敏、高效率的磁电换能器。
发明内容
本发明提出了一种具有能量汇聚的复合磁电换能器，该复合磁电换能器由一个变幅杆和 一个磁致伸縮材料片以及多个压电单晶片构成；磁致伸縮材料片粘贴在变幅杆的重心位置上； 压电单晶片粘贴在磁致伸缩材料片两端的变幅杆振动最大位置；压电单晶片与磁致伸縮材料 片之间绝缘；变幅杆在自身长度方向重心线上固定。变幅杆由高磁导率的铍青铜、石英或者Si02构成；变幅杆的形状可以是阶梯形、楔形、 指数形、悬链线形或圆锥形。
本发明的有益技术效果是提高能量的收集和转化效率，使得换能器输出提高。
图l、阶梯形变幅杆l结构的磁电换能器结构示意图；
具体实施例方式
针对背景技术中介绍的问题，发明人考虑在现有的"磁一机"转换材料和"机一电"转换材 料的基础h，通过改变能量的收集和传输方式，来进一歩提高磁电换能器的输出和效率；正 是基于甜述的研究思路，发明人经过潜心研究提出了本发明的具有能量汇聚的复合磁电换能器。
下面以阶梯形变幅杆1结构的磁电换能器为例对本发明方案进行阐述。
参见附图1，阶梯形变幅杆1结构的磁电换能器，其结构为它由一个阶梯形的变幅杆1、 一片矩形超磁致伸縮材料片2 (Terfenol-D)和3片矩形压电单晶片3 (PMN-PT)构成；超 磁致伸縮材料片2粘贴在变幅杆1重心位置上；理论上，压电单晶片3粘贴在变幅杆1上振 动最大(即应力最大，值得说明的是，应力最大的位置一般都不是形变最大的位置)位置即 可，但是，为了进一步提高能量采集的效率，在此例中的变幅杆1上设置了 3片压电单晶片 3， 3片压电单晶片3分别贴在变幅杆1的右端(贴1片)和左端(贴2片，并且沿变幅杆1 纵向顺次排列)；Hi电单晶片3之间以及压电单晶片3与超磁致伸缩材料片2之间绝缘；变幅 杆1的纵向重心线即为固定位置。
超声聚能器结构是将能量汇聚、振幅放大的关键，变幅杆1 (亦称变截面杆)本身就是 一种超声聚能机构，它的基本原理就是将变幅杆I大截面处产生的能量聚集到更小的截面上， 以增加能量密度，产生聚能作用。变幅杆1的放大倍数与大端和小端的面积比及变幅杆1的 形状有关，根据材料特性和工作频率不同，可以采用不同形状的变幅杆1。本例所述及的阶 梯形变幅杆1是可选用的对称变幅结构中的一种；变幅杆1在将振动能量汇聚的同时，由于 具有很奵的对称性，使得能量传递时的损耗很小。此外，变幅杆1还可以作为机械阻抗变换 器，在换能器和负载之间搭起桥梁，进行阻抗匹配，使电磁激励得到的机械振动能暈更有效 传递到压电材料上。因此，变幅杆1能够在磁-机-电转化中对机械振动进行累积和汇聚，提 高磁电耦合系数和磁场灵敏度。
压电单晶片3的作用是将变幅杆1在超磁致伸縮材料片2作用下产生的机械掁动能量转 化为电能输出，理论上将压电单晶片3粘贴在变幅杆1振动最大位置，就可以获取更大的电 能输出，也可在非振动最大位置多贴几片，通过电信号输出串联，提高响应电压，提高能量 转化的效率。
权利要求
1、一种具有能量汇聚的复合磁电换能器，其特征在于该复合磁电换能器由一个变幅杆(1)和一个磁致伸缩材料片(2)以及多个压电单晶片(3)构成；磁致伸缩材料片(2)粘贴在变幅杆(1)的重心位置上；压电单晶片(3)粘贴在磁致伸缩材料片(2)两端的变幅杆(1)振动最大位置；压电单晶片(3)与磁致伸缩材料片(2)之间绝缘；变幅杆(1)在自身长度方向重心线上固定。
2、 根据权利要求1所述的具有能量汇聚的复合磁电换能器，其特征在于变幅杆(1) 由铍青铜、石英或者Si02构成；变幅杆(1)的形状可以是阶梯形、楔形、指数形、悬链线形或圆锥形。
全文摘要
本发明公开了一种具有能量汇聚的复合磁电换能器，该复合磁电换能器由一个变幅杆和一个磁致伸缩材料片以及多个压电单晶片构成；磁致伸缩材料片粘贴在变幅杆的重心位置上；压电单晶片粘贴在磁致伸缩材料片两端的变幅杆振动最大位置；压电单晶片与磁致伸缩材料片之间绝缘；变幅杆在自身长度方向重心线上固定。本发明的有益技术效果是提高能量的收集和转化效率，使得换能器输出提高。
文档编号H02N2/00GK101594070SQ20091010421
公开日2009年12月2日 申请日期2009年6月30日 优先权日2009年6月30日
发明者文玉梅, 平 李 申请人:重庆大学