專利名稱：一種寬頻帶可用的交流磁場傳感器及其制作方法
技術領域：
本發明涉及一種磁場測量裝置和技術，具體涉及一種寬頻帶可用的交流磁場傳感器及其制作方法。
背景技術：
磁場測量和傳感技術在工程技術和科學研究中十分重要。現有的交流磁場測量技術裝置有很多，常見的有霍爾效應傳感器、超導量子干涉儀等。但交流磁場傳感器的局限性在于，響應頻率很有限，往往在共振頻率有很高的響應，而在非共振頻率響應較小從而制約了應用。最近一些年被廣泛研究的磁電效應材料可以實現磁-電能量的轉換。磁電材料 (也叫鐵電磁體)是同時具有磁性、鐵電性材料的總稱，在結構上同時存在磁有序和電有序狀態。這兩種有序狀態發生相互作用，產生一種新的效應，稱作“磁電效應”，即磁電材料置于外加磁場中時，材料的電極化狀態將會發生改變；相反地，置于外加電場中時，材料的磁化狀態也將發生相應變化。這種對外場響應的能力大小通常采用磁電轉化系數α (a=dE/ dH)來評價，即微小磁場變化引起的電場改變。迄今為止，已經公開了許多關于制備磁電復合材料的方法、性質和相關應用，特別是在磁場探測和傳感方面的應用。但是，這些技術未能涉及針對頻率較寬磁場信號的使用。
發明內容
本發明目的是提供一種不僅響應于共振頻率，而且在相當寬的頻率范圍都有較明顯的響應的寬頻帶可用的交流磁場傳感器及其制作方法。本發明的技術方案是一種寬頻帶可用的交流磁場傳感器，其特征在于，包括大于等于三個的具有磁電效應的磁電耦合元件，所述磁電耦合元件具有可以漸變的共振頻率， 所述電耦合元件以正負極首尾相接的方式串聯起來，其中第一塊磁電耦合元件的正極，和最后一塊磁電耦合元件的負極分別接電信號處理端的正、負極。進一步的，所述磁電耦合元件為單相磁電耦合材料，多相復合磁電材料，或多層復合材料組成。進一步的，所述磁電耦合元件為壓電材料與磁致伸縮材料復合而成的磁電復合材料組成。進一步的，所述壓電材料是具有壓電效應的陶瓷材料或聚合物，所述磁致伸縮材料是稀土-鐵系化合物。進一步的，所述磁電耦合元件的長度為漸變的形式。進一步的，所述磁電耦合元件中的壓電材料層略長于磁致伸縮材料層。進一步的，所述磁電耦合元件采用Terfenol-D和Pb (Zr，Ti) 03雙層復合。進一步的，所述磁電耦合元件為4片，"Terfenol-D厚度為0. 8mm, Pb (Zr, Ti) 03厚度為0. 6mm，所述兩層用環氧樹脂粘合，四片長度分別為160mm，150mm, 140mm, 130mm。一種寬頻帶可用的交流磁場傳感器的制作方法，其特征在于，包括以下步驟(1)制備不同長度的磁電耦合單元片，每片均包含壓電材料片和磁致伸縮材料片，兩層或多層片狀材料以壓電/磁致伸縮的模式粘合而成為一個磁電耦合單元片；
(2)將不同長度的磁電耦合單元片的長度剪裁為漸變的形式，從而獲得共振頻率漸變的單元片；
(3)將長度漸變的磁電耦合單元片以壓電材料的正負極首尾相接的方式串聯起來，即第二片的正極結第一片的負極，第三片的正極結第二片的負極，依次類推，第一片的正極， 和最后一片的負極分別接電信號處理端。工作原理每一片元件都有一個共振響應峰。由于長度漸變的元件其共振頻率也是漸變的，因而，串聯在一起之后，共振峰會發生一定程度的疊加，導致單個尖銳的共振峰變成一個共振平臺。從而使得器件系統對較寬的頻率都有響應。本發明的優點是
本發明的傳感器對很寬頻率的交流信號有響應，成為寬頻帶可用的傳感器。通過對元件尺寸和串聯個數的調整，可以控制頻帶的位置和寬度。此外，本發明的方法也使得器件非共振區域的響應線性增加，從而非共振區域也變得可用。
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述
圖1為本發明的一個磁電耦合元件(磁電耦合單元片)結構圖。圖2多個長度漸變的磁電耦合單元片的串聯。圖3串聯后的測試效果圖。其中1表示磁致伸縮片層；2表示壓電片層；3為2的上表面即正電極；4為2的下表面即負電極。
具體實施例方式實施例(1)首先制備不同長度(長度漸變)的磁電耦合單元片，每片均包含壓電材料片和磁致伸縮材料片。兩層或多層片狀材料以壓電/磁致伸縮的模式粘合而成為一個磁電耦合單元片，如圖1所示。(2)不同單元片的長度剪裁為漸變的形式(例如長度相差1厘米)，從而獲得共振頻率漸變的單元片。(3)將長度漸變的單元片以壓電材料的正負極首尾相接的方式串聯起來，即第二片的正極結第一片的負極，第三片的正極結第二片的負極，依次類推。以第一片的正極，和最后一片的負極分別接電信號處理端(例如鎖相放大器或者示波器)的正、負極，如圖2所示。如圖1所示，1表示磁致伸縮片層；2表示壓電片層；3為2的上表面即正電極；4為2的下表面即負電極。2比1略長5%，以便于電極連接。磁電材料，可以是單相磁電耦合材料，或者多相復合磁電材料，也可以是多層復合材料即由壓電材料與磁致伸縮材料復合而成的磁電復合材料；其中壓電材料是具有壓電效應的陶瓷材料或聚合物；磁致伸縮材料是稀土 -鐵系化合物RFe2，R為Tb、Dy、Sm等稀土元素、或者是具有磁致伸縮效應的氧化物RFe204，R為Ni，Co或者Cu等元素。實施例1 采用四片長度漸變的磁電耦合單元片串聯磁電耦合單元片采用iTerfenol-D和Pb (Zr, Ti) O3雙層復合。Terfenol_D厚度為0. 8mm, Pb (Zr, Ti) O3厚度為0. 6mm。兩層用環氧樹脂粘合。四片長度分別為160mm，150mm, 140mm, 130mm。采用5奧斯特的交流磁場，頻率從30KHz均勻掃到150KHz。其測得到的共振頻率分別為76. 25KHz,80kHz,86kHz, 91kHz。串聯之后測得的輸出信號，如圖3所示，圖3的上圖為串聯后的輸出電壓結果，在很寬的頻率區間內，輸出電壓超過1伏特。圖3的下圖為比較單共振峰(虛線)和串聯后(實線)共振效果的圖像。實施例2 采用5片長度漸變的磁電耦合單元片串聯
磁電耦合單元片采用Terfenol-D和Pb (Zr, Ti) 03雙層復合。Terfenol-D厚度為 0. 7mm, Pb (Zr, Ti) 03厚度為0. 5mm。兩層用環氧樹脂粘合。5片長度分別為180mm，170mm, 160mm, 150mm, 140mm。采用6奧斯特的交流磁場，頻率從20KHz均勻掃到190KHz。其測得到的共振頻率分別為68KHz，72kHz，76kHz，80kHz，87kHz。串聯之后測得的輸出信號類似的，在60kHz至90kHz的范圍內達到了 1伏特的輸出電壓。實現了寬頻響應。以上實施例僅為本發明其中的一種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說， 在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種寬頻帶可用的交流磁場傳感器，其特征在于，包括大于等于三個的具有磁電效應的磁電耦合元件，所述磁電耦合元件具有可以漸變的共振頻率，所述電耦合元件以正負極首尾相接的方式串聯起來，其中第一塊磁電耦合元件的正極，和最后一塊磁電耦合元件的負極分別接電信號處理端的正、負極。
2.根據權利要求1所述的寬頻帶可用的交流磁場傳感器，其特征在于，所述磁電耦合元件為單相磁電耦合材料，多相復合磁電材料，或多層復合材料組成。
3.根據權利要求2所述的寬頻帶可用的交流磁場傳感器，其特征在于，所述磁電耦合元件為壓電材料與磁致伸縮材料復合而成的磁電復合材料組成。
4.根據權利要求3所述的寬頻帶可用的交流磁場傳感器，其特征在于，所述壓電材料是具有壓電效應的陶瓷材料或聚合物，所述磁致伸縮材料是稀土 -鐵系化合物。
5.根據權利要求3所述的寬頻帶可用的交流磁場傳感器，其特征在于，所述磁電耦合元件的長度為漸變的形式。
6.根據權利要求5所述的寬頻帶可用的交流磁場傳感器，其特征在于，所述磁電耦合元件中的壓電材料層略長于磁致伸縮材料層。
7.根據權利要求4所述的寬頻帶可用的交流磁場傳感器，其特征在于，所述磁電耦合元件采用iTerfenol-D和Pb (Zr, Ti) 03雙層復合。
8.根據權利要求7所述的寬頻帶可用的交流磁場傳感器，其特征在于，所述磁電耦合元件為4片，Terfenol-D厚度為0. 8mm, Pb (Zr, Ti) 03厚度為0. 6mm,所述兩層用環氧樹脂粘合，四片長度分別為 160mm，150mm, 140mm, 130mm。
9.一種寬頻帶可用的交流磁場傳感器的制作方法，其特征在于，包括以下步驟(1)制備不同長度的磁電耦合單元片，每片均包含壓電材料片和磁致伸縮材料片，兩層或多層片狀材料以壓電/磁致伸縮的模式粘合而成為一個磁電耦合單元片；(2)將不同長度的磁電耦合單元片的長度剪裁為漸變的形式，從而獲得共振頻率漸變的單元片；(3)將長度漸變的磁電耦合單元片以壓電材料的正負極首尾相接的方式串聯起來，即第二片的正極結第一片的負極，第三片的正極結第二片的負極，依次類推，第一片的正極， 和最后一片的負極分別接電信號處理端。
全文摘要
本發明公開了一種寬頻帶可用的交流磁場傳感器，其特征在于，包括大于等于三個的具有磁電效應的磁電耦合元件，所述磁電耦合元件具有可以漸變的共振頻率，所述磁電耦合元件以正負極首尾相接的方式串聯起來，其中第一塊磁電耦合元件的正極，和最后一塊磁電耦合元件的負極分別接電信號處理端的正、負極。本發明不僅響應于共振頻率，而且在相當寬的頻率范圍都有較明顯的響應。
文檔編號G01R33/02GK102445669SQ20111038438
公開日2012年5月9日 申請日期2011年11月28日 優先權日2011年11月28日
發明者于昊 申請人:西交利物浦大學