CN109444770A - 一种磁致伸缩材料与石英音叉复合低阻尼谐振式磁电敏感单元 - Google Patents
一种磁致伸缩材料与石英音叉复合低阻尼谐振式磁电敏感单元 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种磁致伸缩材料与石英音叉复合低阻尼谐振式磁电敏感单元，包含磁致伸缩层和石英音，所述石英音叉安装在磁致伸缩层上，所述石英音叉的两根叉指相互平行，当磁致伸缩层在磁场作用下发生形变时，所述形变传递至石英音叉使至石英音叉发生谐振，且两根叉指的振动方向相反；所述石英音叉两根叉指的结合部与磁致伸缩层固定结合，或者所述石英音叉中的一根叉指与磁致伸缩层的端部固定结合。本发明体积小、制作方便、成本低，可用于磁场的高灵敏度测量。
Description
技术领域
本发明属于磁电敏感技术领域，具体涉及一种磁致伸缩材料与高Q值石英音叉复合低阻尼谐振式磁电敏感单元。
背景技术
磁场作为一个基本的物理量，对其精确地测量具有重要意义。传统的磁场传感器主要有霍尔传感器、磁通门传感器、超导量子干涉仪、巨磁阻抗传感器、电磁感应传感器、磁敏二极管磁传感器、磁敏三极管磁传感器等。
磁致伸缩/压电复合材料具有巨磁电效应，在磁传感器、磁电换能器等领域具有广泛的应用前景。磁电效应最早被发现存在于单相磁电材料Cr2O3中，但是其磁电效应非常微弱。研究者们提出将磁致伸缩材料与压电材料以一定方式复合，利用乘积效应获得具有磁电效应的复合材料，在磁致伸缩/压电复合材料的研究过程中，已发展出颗粒混相复合、叠层复合、横向复合、嵌入式复合等多种复合方式。磁致伸缩/压电复合材料通过磁-机-电耦合，当激励磁场频率接近其谐振频率时磁电效应能够得到显著增强。这种谐振状态下磁电效应得到显著增加的特性，在磁电传感器与换能器领域有着广泛的应用前景。理论分析表明，谐振式磁电复合磁场传感器的磁电电压系数与复合材料的有效机械品质因数(Q值)成正比。在此基础上，研究者们相继制备了各种谐振式磁电复合材料。实际上，磁致伸缩与压电材料叠层复合方式下，磁致伸缩层与压电层之间通过应变实现耦合，由于磁致伸缩材料本身具有高磁机阻尼，磁致伸缩/压电复合结构的有效Q值被限制。根据唯象理论和技术磁化过程，由于不同磁场作用下磁畴运动特性影响，很难找到一种同时具有高压磁系数、高Q值和磁弹性内耗对磁场没有依赖性的磁致伸缩材料。幸运的是，有很多高Q值的压电材料如石英晶体、ZnO、AlN等。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种低损耗，高Q值的谐振式磁电敏感单元，且磁电敏感单元体积小、制作方便、成本低，可用于磁场的高灵敏度测量。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种磁致伸缩材料与石英音叉复合低阻尼谐振式磁电敏感单元，包含磁致伸缩层和石英音，所述石英音叉安装在磁致伸缩层上，所述石英音叉的两根叉指相互平行，当磁致伸缩层在磁场作用下发生形变时，所述形变传递至石英音叉使至石英音叉发生谐振，且两根叉指的振动方向相反。
较佳地，所述石英音叉两根叉指的结合部与磁致伸缩层固定结合。
较佳地，所述磁致伸缩层为长条形，所述固定结合的区域位于述磁致伸缩层一侧面的中部。
较佳地，所述石英音叉两根叉指的结合部形成平面，所述平面全部与磁致伸缩层结合。
较佳地，所述石英音叉中的一根叉指与磁致伸缩层的端部固定结合。
较佳地，所述磁致伸缩层为长条形，其端部形状和大小与石英音叉中的叉指的形状和大小相适应，所述石英音叉中的一根叉指的侧面全部与磁致伸缩层的端部结合。
较佳地，所述石英音叉通过环氧树脂AB胶固定在磁致伸缩层上。
较佳地，所述磁致伸缩层由Terfenol-D、FeGa合金或者FeCo合金中的一种材料切割而成。
较佳地，所述磁致伸缩层沿纵向极化。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明所提出的磁致伸缩材料与石英音叉复合的磁电敏感单元结构简单，体积小，且石英音叉为商用晶振去除封装外壳后得到，成本低，适合批量生产。
(2)本发明所提出的磁致伸缩材料与石英音叉复合的磁电敏感单元中，石英音叉的两根叉指相互平行，由于两根叉指的振动方向相反，底部结合区域的应力应变和力矩相互抵消，实际形成应力/应变解耦区域；本发明将解耦区域固定到磁致伸缩材料，磁致伸缩阻尼被隔离，这种复合的谐振式磁电敏感单元具有极高的Q值。
附图说明
图1是本发明磁电敏感单元的一种实施方式示意图。
图2是本发明磁电敏感单元的另一种实施方式示意图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
本发明提出的磁致伸缩材料与石英音叉复合低阻尼谐振式磁电敏感单元，包含磁致伸缩层、石英音叉，采用环氧树脂AB胶将石英音叉与磁致伸缩层粘接复合。该磁电敏感单元的磁-机-电转换过程可看作一个受迫振动过程。在交变磁场作用下，磁致伸缩材料由于磁致伸缩效应而发生伸缩形成机械力，磁致伸缩机械力传递到石英音叉迫使音叉振动，在后端电路的采集和处理后，形成电信号。当交变磁场的频率与石英音叉的谐振频率一致时，石英音叉的振动幅度最大。由于磁致伸缩材料的压磁系数随偏置磁场的变化而发生变化，相应地，不同偏置磁场作用下，传递到石英音叉上的磁致伸缩力就有所不同，音叉的输出电流也会产生变化。所述磁致伸缩材料采用具有磁致伸缩效应的材料切割而成，如超磁致伸缩材料Terfenol-D，FeGa合金，FeCo合金等，极化方向沿纵向极化。本发明采用石英音叉，具有高Q值低损耗的优点，可用于磁场的高灵敏度检测。
实施例1
结合图1，所述磁致伸缩材料与石英音叉复合的磁电敏感单元由磁致伸缩层1和石英音叉2组成。制备磁电敏感单元时，采用环氧树脂AB胶将石英音叉的应力/应变解耦区域粘接在磁致伸缩层的中心位置，静置24小时，待环氧树脂AB胶凝固冷却达到工作强度。
所述磁致伸缩层1采用具有磁致伸缩效应的材料切割而成，例如超磁致伸缩材料Terfenol-D，FeGa合金，FeCo合金等。
所述石英音叉2采用X切型的石英片制作而成，石英音叉的两根叉指相互平行，由于两根叉指的振动方向相反，底部结合区域的应力应变和力矩相互抵消，从而形成应力/应变解耦区域，在解耦区域应力/应变相互抵消，损耗极小。本实施例将解耦区域固定到磁致伸缩层，对磁电敏感单元的Q值影响极小，且石英音叉具有较高的Q值，成本低，适合批量生产。
所述磁电敏感单元在交变磁场作用下，磁致伸缩材料由于磁致伸缩效应而发生伸缩，磁致伸缩力传递到石英音叉迫使音叉振动，该器件的磁-机-电转换过程可看作一个受迫振动过程，当交变磁场的频率与石英音叉的谐振频率一致时，石英音叉的振动幅度最大。由于磁致伸缩层的压磁系数随偏置磁场的变化而发生变化，相应地，不同偏置磁场作用下，传递到石英音叉上的磁致伸缩力就有所不同，音叉的输出电流也会产生变化，测量不同偏置磁场作用下石英音叉的电流输出值，通过理论公式换算便可以达到磁场检测的目的。
实施例2
图2是本发明磁电敏感单元的另一种实施方式，所述磁致伸缩层与石英音叉复合的磁电敏感单元由磁致伸缩层1、石英音叉2组成。与实施例1不同的是，石英音叉的一根叉指完全固定于磁致伸缩材料一端(左端或右端)，即固定在磁致伸缩层1的端部。在交变磁场作用下磁致伸缩层1产生伸缩，磁致伸缩力传递到石英音叉2上迫使石英音叉产生振动，磁电敏感单元的磁-机-电转换过程可看作一个受迫振动过程。当交变激励磁场的频率与石英音叉的谐振频率一致时，石英音叉的振动幅度达到最大。不同偏置磁场作用下磁致伸缩材料产生的磁致伸缩力不同，相应地，传递到石英音叉上的力不同而产生不同的电流输出。
本发明采用叉指工作在弯曲振动模式的石英音叉谐振器与磁致伸缩材料复合，石英音叉的两根叉指相互平行，由于两根叉指的振动方向相反，底部结合区域的应力应变和力矩相互抵消，实际形成应力/应变解耦区域。得益于音叉谐振器的解耦结构和复合方式，磁致伸缩阻尼被隔离，这种复合的谐振式磁电敏感单元具有极高的Q值，谐振状态下磁电效应得到增强。
Claims (9)
1.一种磁致伸缩材料与石英音叉复合低阻尼谐振式磁电敏感单元，其特征在于，包含磁致伸缩层和石英音，所述石英音叉安装在磁致伸缩层上，所述石英音叉的两根叉指相互平行，当磁致伸缩层在磁场作用下发生形变时，所述形变传递至石英音叉使至石英音叉发生谐振，且两根叉指的振动方向相反。
2.如权利要求1所述的磁电敏感单元，其特征在于，所述石英音叉两根叉指的结合部与磁致伸缩层固定结合。
3.如权利要求2所述的磁电敏感单元，其特征在于，所述磁致伸缩层为长条形，所述固定结合的区域位于述磁致伸缩层一侧面的中部。
4.如权利要求2所述的磁电敏感单元，其特征在于，所述石英音叉两根叉指的结合部形成平面，所述平面全部与磁致伸缩层结合。
5.如权利要求1所述的磁电敏感单元，其特征在于，所述石英音叉中的一根叉指与磁致伸缩层的端部固定结合。
6.如权利要求5所述的磁电敏感单元，其特征在于，所述磁致伸缩层为长条形，其端部形状和大小与石英音叉中的叉指的形状和大小相适应，所述石英音叉中的一根叉指的侧面全部与磁致伸缩层的端部结合。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的磁电敏感单元，其特征在于，所述石英音叉通过环氧树脂AB胶固定在磁致伸缩层上。
8.如权利要求1至6中任意一项所述的磁电敏感单元，其特征在于，所述磁致伸缩层由Terfenol-D、FeGa合金或者FeCo合金中的一种材料切割而成。
9.如权利要求1至6中任意一项所述的磁电敏感单元，其特征在于，所述磁致伸缩层沿纵向极化。
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