新型磁电复合材料传感器的理论分析

设计了巨磁致伸缩材料（Terfenol-D）／锆钛酸铅（PZT）／巨磁致伸缩材料（Terfenol-D）三层磁电材料L-T模型传感器，利用所设计的磁电传感器，可以精密测试磁场强度。采用等效电路法对复合材料的磁电电压系数进行理论分析与计算，表明所设计的传感器具有很高的磁场测量精度，建立的方程对磁电传感器的设计具有指导作用。     

Terfenol-D/PMNT/Terfenol-D层状磁电复合材料的磁电效应分析

从压电效应和压磁效应本构方程出发,建立了层状磁电复合材料的1-3模型,结合材料机械运动学方程和电路状态方程,推导出层状磁电复合材料的磁-机-电等效电路,并全面分析磁电转换效应。既而提出新型层状磁电复合材料Terfenol-D/PMNT/Terfenol-D,以提出的1-3模型为例,对此材料的磁电响应进行数值计算,用Matlab仿真得出计算结果,从而得出该结构的层状磁电复合材料的磁电转换系数要高于市场上广泛使用的Terfenol-D/PZT/Terfenol-D复合材料的磁电转换系数,为新型磁电材料的制备提供理论依据。     

纵向极化与磁化的压电/磁伸材料磁电效应理论及实验

将磁致伸缩材料及压电材料的本构方程与运动方程相结合, 考虑到压电材料具有高输出阻抗特点及测试仪器的有限输入阻抗和传输信号引线电容对磁电效应输出电压的影响, 给出了纵向极化压电材料与纵向磁化的Terfenol-D 巨磁伸材料形成的磁电元件的磁电效应理论. 研制了由六根一维磁伸材料构成的磁电元件并对其磁电效应性能进行了测试. 与前人的理论结果比较可见考虑测试系统有限输入阻抗及电缆电容后建立的磁电效应理论与实验结果更吻合.传输信号的电缆电容及测试仪器输入阻抗对检测结果产生很大的影响,它可用于解释实际中检测到的电压远小于开路电压理论结果的原因.开路下纵向极化磁电元件磁灵敏度的理论值达6 V/Oe(1 Oe=79.6 A/m),而仪器实际检测到的磁灵敏度(电压转换系数)仅为数百毫伏每奥.     

基于磁场传感器的层状磁电复合振子磁阻抗效应

运用磁电耦合理论及等效电路法对磁致伸缩/压电三层和五层磁电复合振子的磁阻抗效应进行了理论和实验研究.理论研究表明,由磁致伸缩导致的压电振子内应力的改变,引起磁电复合振子的磁阻抗效应.实验结果显示,无论是在磁电复合振子的谐振还是反谐振频率,五层磁电复合振子的磁阻抗明显大于三层复合振子的磁阻抗.利用等效电路分析了该实验结果,并运用复合材料磁电耦合的乘积效应解释了磁阻抗产生的原因.测试结果显示,在谐振和反谐振频率下,五层串联复合振子的磁阻抗ΔZ/Z最大值分别为46.9%和60%,而三层复合振子的磁阻抗ΔZ/Z最大值分别为13%和30.2%.由实验结果计算得出三层和五层磁电复合振子的磁分辨率分别可达2.2×10-10 T·μΩ-1和2.5×10-11 T·μΩ-1.研究结果为磁电复合振子在磁异常探测传感器中的应用提供了实验及理论基础,并有助于优化以层状磁电复合振子为核心的磁场传感器的结构.     

磁电复合材料结构对磁电系数的影响

利用基于压电效应和磁致伸缩效应的本构方程,采用有限元法分别对矩形、半圆形、凸半圆形以及梯形4种不同几何形状的磁致伸缩/压电/磁致伸缩层叠复合材料的磁电响应进行研究,分析复合材料的磁电特性。结果表明:稳态时,两端为半圆形的磁电复合结构的输出电压最大,在外加直流磁场为1 000 Oe时可达76.25 V。频域分析中,两端为凸半圆形的磁电复合结构的共振频率最低,为76.5 kHz。在1 kHz时,两端为梯形结构的磁电复合结构磁电系数最大,为7.63 V/(Oe·cm),在共振时,磁电系数达到126.34 V/(Oe·cm)。进一步分析了磁电压电材料不同层叠顺序对半圆形结构复合材料磁电系数的影响,结果表明PTN层叠顺序的磁电复合结构的磁电系数最大,为5.48 V/(Oe·cm),而TPN层叠顺序型磁电复合材料的磁电系数最小,为1.64 V/(Oe·cm)。     

层状磁电复合材料的磁电转换分析

提出层状磁电复合材料L-T模型,从压电效应和压磁效应本构方程出发,采用等效电路法对复合材料的磁电电压系数进行理论分析,并对材料磁电响应进行了数值计算,得出磁电响应仿真结果,所推导的磁电电压系数公式与等效电路模型公式得出的计算值相符,为磁电层材料的制备和优化提供理论工具。     

Terfenol-D和Cymbal迭层器件的磁电耦合效应

报道一种由Terfenol-D(Tb1-xDyxFe2)和Cymbal组成的新型器件.在器件中Cymbal位于两片Terfenol-D之间.在横向极化和横向磁化的模式(T-T)下,其磁电电压系数在0.5kOe的偏置磁场作用下为41.0mV/Oe(1kHz),大于Terfenol-D/PZT/Terfenol-D结构的磁电电压系数.磁电电压系数提高的原因起源于具有高压电系数的Cymbal和高磁致伸缩系数的Terfenol-D之间的耦合.     

利用不同沉积温度和衬底控制压电/压磁异质结的磁电耦合系数

以生长在不同电极衬底:MgO,c-sapphire,a-sapphire,Si上的钙钛矿PbTiO3(PTO)/Terfenol-D压电/压磁异质结为例,利用唯象热力学理论研究了热应力对压电/压磁异质结磁电耦合效应的影响.计算结果表明,铁电薄膜内的热应力强烈依赖于薄膜沉积温度与衬底、薄膜之间热膨胀系数的差异,而热应力又显著影响磁电耦合性能.对于热膨胀系数大于薄膜材料的衬底,如MgO,铁电薄膜内的热应力为压应力,导致压电/压磁异质结的磁电电压系数增强;对于热膨胀系数小于薄膜材料衬底,如c-sapphire,a-sapphire,Si,铁电薄膜内热应力为拉应力,导致压电/压磁异质结的磁电电压系数减小.研究提出了通过改变沉积温度以及选择合适衬底来调控压电/压磁异质结磁电耦合效应的新思路,为工程上增强压电/压磁异质结磁电耦合性能提供了新的途径.     

环/柱结构磁电复合振子的磁控谐振频率偏移

从磁电耦合的角度,探讨磁场对环/柱结构压电/磁致伸缩复合振子谐振频率的调控作用.利用磁致伸缩Tb_xDy_(1-x)Fe_(2-y)(TDF)和压电材料Pb(Zr,Ti)O_3(PZT)构成的环柱磁电复合结构,分别从理论和实验两方面研究了磁场对复合振子谐振频率的影响.从压电相和磁致伸缩材相的本构方程出发,理论推导了压电相电容与磁场、谐振频率和材料参数的函数关系,数值模拟了环/柱状磁电复合振子的基频和一级谐振频率随磁场的变化;实验研究了环/柱状复合振子的谐振频率随磁场的偏移规律,即复合振子的基频和一级谐振频率都随磁场的增加先向高频偏移然后又转向低频方向偏移.当磁场为200 Oe时,谐振频率偏移量达到最大值,分别为9.50 kHz和3.50 kHz;数值模拟谐振频率偏移量与实验基本吻合.     

Terfenol-D力—磁—热耦合动态特性

对超磁致伸缩棒材(Terfenol-D)在预压力、环境温度、交变磁场耦合作用下的磁致伸缩动态特性进行了比较全面的实验研究.给出了Terfenol-D动态响应磁致回线、动态应变、响应波形相位随着激励频率、预压力、环境温度、偏磁场的变化规律,找出了两个不同的共振频率,并发现了高阶共振频率随偏磁场发生"漂移"的现象,印证了磁场作用下Terfenol-D材料所特有的△E效应的存在.     

Equivalent circuit method for static and dynamic analysis of magnetoelectric laminated composites

Magnetoelectric equivalent circuit analytical method is presented for laminate composites of magnetostrictive Terfenol-D （TbxDy1-xFe2） and piezoelectric Pb（Zr1-xTix）O3 （PZT） operated in longitudinal magnetized and transverse polarized （or L-T）, and transverse magnetized and transverse polarized （or T-T） modes. Magnetoelectric （ME） couplings both at low-frequency and resonance-frequency have been studied, and our analysis predicts that （i） the ME voltage coefficients of both L-T and T-T modes increase with increasing the thickness of the piezoelectric phase whereas magnetostrictive phase thickness keeps constant, and then tend to saturation when the thickness ratio of piezoelectric phase to magnetic phases is 〉3; （ii） there are the optimum thickness ratios that maximize magnetoelectric （ME） voltage coefficients for the two modes, which are dependent on elastic compliances ratio of piezoelectric phase and magnetostrictive phase; and （iii） the ME voltage coefficients are dramatically increased by a factor of -Qm, when operated at resonance frequency. A series of TerfenoI-D/PZT laminates were fabricated, and the results were compared with the theoretical ones. Experiments confirmed that equivalent circuit method is a useful tool for optimum designs of ME laminates.     

超磁致伸缩换能器的声辐射特性

对超磁致伸缩大功率换能器的声辐射振动特性进行了理论分析与实验研究,将在一定预压应力下处于阶跃段的磁致伸缩棒简化为磁场强度与磁致伸缩应变的单输入单输出的线性系统·以静态试验数据为基础,建立等效的动态磁致伸缩模型·对指数形变幅杆的设计进行了理论分析和讨论,着重计算与设计了相关的振速分布、应力分布、振幅放大系数及节面位置等参数,测试中发现超磁致伸缩换能器频率范围较宽·试验得到了影响换能器发射声波主频率和最大振幅的若干参数·提高换能器的电声转换效率,增大换能器的发射功率的有效途径是选择合理辐射面质量和配重质量之间的比值,使能量流向辐射面一侧·所得结果可以为进一步优化超磁致伸缩换能器提供设计参考·     

超磁致伸缩执行器动力学模型及数值模拟

为提高超磁致伸缩执行器的控制精度,实现亚微米级的驱动与控制,准确描述执行器的动力学特性是关键环节之一.为建立超磁致伸缩执行器的动力学特性的数学模型,将Terfenol-D 棒作为粘弹性杆连续系统,将Terfenol-D棒在磁场驱动下产生的应变等效为磁-机械转换等效力,建立了执行器系统的一维波动方程,并采用有限元解法求解.模型的计算求解采用迭代方法,易于实现计算机控制.利用Matlab 7.0对不同频率等幅磁场驱动下Terfenol-D棒内的磁场-位移(H-u)曲线进行数值模拟仿真,仿真计算值与实验值误差在10%以内,表明建立的动力学模型能较好地反映磁致伸缩执行器的动力学特性.     

外电场对层状复合材料磁电效应的影响

以Landau唯象热力学理论为基础，求得了与电场相关的压电相状态方程，结合磁致伸缩相状态方程和一定的边界条件，研究了外电场对磁电电压系数的影响．结果显示：用来极化铁电层的外电场对磁电作用有很大的影响，随着外电场的增大，横向和纵向的磁电电压系数将明显减小，从而有效分析了磁电电压系数实验值小于理论值的可能原因．     

Research on Giant Magnetostrictive Actuator for Turning Vibration Control

Magnetostriction is a phenomenon in which a magneti c field is used to produce a change in size of some materials. This property has b een known in elements such as nickel, iron and cobalt. Because the rare-ear th alloy Terfenol-D can offer much larger strains than nickel, iron, cobalt, an d other smart materials such as piezoelectric materials, it is called giant magn etostrictive material. Making use of the giant magnetostrictive material, the gi ant magnetostrictive actuator has higher bandwidth and r...     

基于改进桥联模型的CFRP层合结构抗冲击载荷动态力学性能研究

为研究碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在冲击载荷下的力学响应,本文基于桥联模型,采用含应变率效应的动态本构方程以及屈服准则,对CFRP层合板进行了优化设计和动态压缩强度分析.利用相关文献中的层合板准静态及动态试验结果,对改进的桥联模型程序进行验证,结果吻合良好.在此基础上,对比分析了几种CFRP层合板铺层设计方案,优选并制备其中一铺层的层合板,实施了中等应变率的压缩试验,前期理论计算结果与试验结果有较好一致性.本文工作可用于抗高冲击载荷CFRP层合结构的优化设计及性能预测.     

基于扩展BVD模型的压电换能器电匹配研究

针对提高无损检测压电换能器灵敏度问题,提出了一种电阻抗匹配网络的设计方法。首先通过压电换能器电导纳实验曲线建立压电超声换能器的BVD模型等效电路。根据压电换能器电导纳的实验值对所建立的等效电路进行参数识别,确定等效电路各元件的值;并对参数识别的结果进行理论验证。同时与实验结果进行比对,吻合较好,表明该参数识别的方法可信度较高。在建立等效电路的基础上,采用Smith圆图,基于电匹配理论,设计压电换能器匹配电路;并对匹配后的压电换能器进行理论分析和实验验证。结果表明该匹配电路可将压电换能器的灵敏度提高约三倍。