一种用于降低磁电传感器谐振频率的弯曲模式结构

本发明属于磁电复合材料领域，尤其涉及一种用于降低磁电传感器谐振频率的弯曲模式结构。

背景技术：

1、磁电效应(magnetoelectric，me)是一种磁与电之间的交叉耦合效应，表现为外加磁场中的感应电极化强度(p)变化，或在外加电场中的感应磁化强度(m)变化。具有磁电效应的材料在信息存储、传输和处理方面有着巨大的应用潜力。材料的磁电效应研发重点在于提高其磁电耦合能力，这一能力量化地展现于磁电耦合系数(αme)，该系数越大，磁电转化的能力越强。

2、由压电和压磁材料组成的复合叠层结构，在室温下具有较高的αme。由于这种复合材料具有量级更大的磁电耦合系数，当前磁电效应方向的材料研发集中于压磁层和压电层组成的复合材料。

3、在压磁层和压电层组成的复合材料研究方面，常以纵向-纵向(longitudinal-longitudinal，l-l)推挽模式作为材料的复合模式。该模式的材料层合板在外加磁场下产生纵向变化，具有出色的αme。其中，以磁致伸缩金属玻璃matglas和pzt压电纤维层组合的长型三层l-l模式复合材料(如附图1)发展迅速，该材料在磁异常探测，地磁特征导航以及生物医学磁场检测等方面都有着极大的应用前景。

4、高频交流磁场情况下，matglas/pzt长型三层l-l模式复合材料存在αme最大增益点，αme最大值出现在机电共振(electromechanicalresonance，emr)点附近，此时磁场频率称为谐振频率，频率大小约为30khz，对应αme可达400v/cm·oe。

5、在当前的l-l模式结构中，matglas/pzt复合材料的emr增益仅在谐振频率≈30khz的高频磁场下实现。高频磁场条件极大限制了目前matglas/pzt复合材料在αme上的增益和实际应用，降低谐振频率是当前亟需解决的问题，此外，当前的材料还存在噪声大的缺陷。

技术实现思路

1、当前的磁电传感器metglas/pzt复合材料采取的复合结构在工作时谐振频率约为30khz，导致传感器的最佳工作频率固定在高频。本发明旨在降低metglas/pzt复合材料的谐振频率，提供一种降低谐振频率的弯曲层合模式，使复合材料在相对30khz更低的其他频率区间获得最佳工作状态，适应不同频率交流磁场的工作环境。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种用于降低磁电传感器谐振频率的弯曲模式结构，包括：

3、由上至下依次设置的第一kapton电极层、pzt压电陶瓷层、第二kapton电极层和metglas磁致伸缩材料层；

4、其中，当弯曲模式结构在磁场环境中工作时，所述metglas磁致伸缩材料层产生形变，应变使粘连紧密的pzt压电陶瓷层受到应力变化，从而产生对应电极化效应，使所述第一kapton电极层和第二kapton电极层的叉指电极两端输出电压发生变化。

5、优选地，复合材料还包括环氧树脂层，所述环氧树脂层用于粘合依次连接的第一kapton电极层、pzt压电陶瓷层、第二kapton电极层和metglas磁致伸缩材料层，并进行高效应力传递，环氧树脂固化过程中利用真空泵或是等静压机加压，利用烘干机加速固化，保证各层间连接紧密。

6、优选地，所述pzt压电陶瓷层基于5块180微米厚的压电pzt纤维沿着长轴方向水平排列获得；

7、所述pzt压电陶瓷层宽为10毫米，长为40毫米。

8、优选地，所述pzt压电陶瓷层的顶部和底部表面均通过环氧树脂层分别与第一kapton电极层和第二kapton电极层进行粘贴。

9、优选地，所述metglas磁致伸缩材料层基于6个尺寸长80毫米、宽10毫米的metglas箔上下重叠粘接在一起获得。

10、优选地，当弯曲模式结构在磁场环境中工作时，所述metglas磁致伸缩材料层产生形变的过程包括，

11、将metglas箔仅粘贴于底部，形成非对称结构，在磁场作用下，底层metglas箔应变，且因非对称结构发生弯曲状形变。

12、优选地，所述弯曲模式结构基于metglas/pzt长型三层l-l模式复合材料，通过改变材料层合模式，调整材料的应变形式，将l-l模式中的纵向拉伸应变优化为可弯曲形变获得。

13、优选地，获得所述弯曲模式结构还包括将压电电极和metglas材料粘接完成后，将metglas磁致伸缩材料层通过环氧树脂层粘贴于压电电极底部，粘贴时将metglas材料与压电电极内的pzt材料上下对齐，再利用铜锭进行加压烘干固化。

14、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

15、本发明在直流偏置磁场环境中，本发明的形变较传统l-l模式更为显著，具有更大的αme系数，对直流磁场测量具有更大优势。

16、在交流磁场环境中，本发明的谐振频率低，且谐振状态下αme增益大，有利于对低频率交流磁场进行高精度测量。

17、因本发明谐振频率低，谐振频率处αme增益大，谐振时的巨大αme增益使噪声基底大幅度降低。在特定低频频率中，本发明噪声基底极小，大大提高了低频磁场环境的实用性。

技术特征：

1.一种用于降低磁电传感器谐振频率的弯曲模式结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的用于降低磁电传感器谐振频率的弯曲模式结构，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的用于降低磁电传感器谐振频率的弯曲模式结构，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的用于降低磁电传感器谐振频率的弯曲模式结构，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的用于降低磁电传感器谐振频率的弯曲模式结构，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的用于降低磁电传感器谐振频率的弯曲模式结构，其特征在于，当弯曲模式结构在磁场环境中工作时，所述metglas磁致伸缩材料层产生形变的过程包括，

7.根据权利要求1所述的用于降低磁电传感器谐振频率的弯曲模式结构，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的用于降低磁电传感器谐振频率的弯曲模式结构，其特征在于，

技术总结
本发明公开了一种用于降低磁电传感器谐振频率的弯曲模式结构，包括由上至下依次设置的第一Kapton电极层、PZT压电陶瓷层、第二Kapton电极层和Metglas磁致伸缩材料层；其中，当弯曲模式结构在磁场环境中工作时，所述Metglas磁致伸缩材料层产生形变，应变使粘连紧密的PZT压电陶瓷层受到应力变化，从而产生对应电极化效应，使所述第一Kapton电极层和第二Kapton电极层的叉指电极两端输出电压发生变化。本发明噪声基底极小，大大提高了低频磁场环境的实用性。

技术研发人员：高俊奇,李冰,沈莹,刘庆伟
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13