压电极化方向对磁电复合振子磁阻抗效应的影响

本文研究了压电体分别沿长度和厚度极化的磁电复合振子的磁阻抗效应.根据压电体的极化理论,在洛伦兹模型和德拜模型基础上,利用磁电耦合理论研究了磁电复合振子有效相对介电常数与磁场的关系,数值模拟了有效相对介电常数随磁场的变化.由磁电复合振子的磁阻抗与有效相对介电常数的关系,理论分析了磁电复合振子在谐振频率下的磁阻抗效应.在理论分析基础上,实验研究了"三明治"结构磁电复合振子的磁阻抗效应.实验结果表明,在谐振频率下,磁场在0～50 mT范围内,当压电体的极化方向为长度极化时,其磁阻抗随磁场的变化率是压电体厚度极化的22倍,实验结果与理论模拟基本吻合.在此基础上,对实验结果的磁分辨率进行了计算,在谐振频率下,压电体长度极化磁电复合振子的磁分辨率为2.76×10~(-12) T/μΩ,压电体厚度极化磁电复合振子的磁分辨率为78×10~(-12) T/μΩ,本研究为地磁场的探测提供了理论基础.     

考虑非等长应变的磁电层合材料低频磁电响应特性

本文提出了一种考虑非等长应变的磁电层合材料低频磁电响应模型.该模型以剪切应力传递应变为基础,采用应力函数法分析了磁致伸缩层、压电层的应力和应变,利用粘接处的应变相等,求出了开路状态下磁电层合材料L-T模式的低频磁电响应特性.该模型能研究磁致伸缩材料的柔顺系数、压磁系数、层合比、压电材料的机电耦合系数、压电系数等参数对磁电电压系数的影响,并与等效电路法、两种考虑退磁场的等效电路法以及实验结果进行了对比研究.针对Terfenol-D/PZT/Terfenol-D的研究结果表明:理论结果与实验结果误差为5.42%,与其他方法相比,本文的结果与实验结果吻合得更好.     

压电/压磁条环磁电复合材料的逆磁电效应

研究了压电/压磁条环磁电复合材料在弯曲谐振频率下的逆磁电效应(CME),其中压电材料为锆钛酸铅(PZT),压磁材料为镍锌铁氧体(NiZn ferrite).由于PZT与镍锌铁氧体环之间的机电耦合,该磁电材料在一阶弯曲谐振频率和一阶纵向谐振频率处的逆磁电系数明显大于非谐振频率处的逆磁电系数.在一阶弯曲谐振频率下,该磁电材料在H=190 Oe、E=200 V/cm测得较大磁感应强度(B_m≈2.13×10~(-5)G).B_m在-130 OeH130 Oe间呈现的磁滞现象源于镍锌铁氧体环压磁效应和PZT铁弹效应的共同作用.在H=0 Oe、±50 Oe,利用不同变化趋势下的磁场及周期性通断的交流信号实现了三稳态磁感应强度的转换.     

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)。     

电容型磁阻抗效应的退磁因子影响研究

研究了室温下磁致伸缩材料的退磁因子对磁电复合振子磁阻抗效应的影响.设计了长方体和四方体两种磁致伸缩板与相同压电板构成磁电复合振子,在磁电复合振子谐振和反谐振频率下,研究了退磁因子对其磁阻抗、磁电容、磁电感的影响.在谐振频率下,磁电复合振子的阻抗、电容、电感随磁场的变化趋势基本相似,但磁致伸缩为长方体时,磁电复合振子的阻抗、电容、电感达到饱和所需磁场明显小于磁致伸缩为四方体的复合振子达到饱和所需磁场.在反谐振频率下,退磁因子对阻抗和电感随磁场变化的影响与谐振频率基本相同,但退磁因子对磁电容的影响行为明显不同,四方体的磁电复合振子电容在H=1 600 Oe和H=1 700 Oe之间出现震荡,磁电容高达44 000%,而长方体复合振子没有振荡现象.从磁学的观点,理论分析了退磁因子对磁电复合振子磁阻抗效应的影响,该研究为磁场传感器在低磁场探测方面提供了实验及理论基础.     

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.     

磁性颗粒复合介质中磁电阻机制诱导的庞磁电容效应

最近的实验和理论研究表明,磁电阻效应结合Maxwell-Wagner电路模型,磁性颗粒复合介质中也可能产生庞磁电容效应.这种庞磁电容效应与传统的磁电材料中由于直接的磁电耦合机制而产生的磁电容效应不同,它将会具有很高的实际应用价值.从磁性颗粒复合体系微观结构出发,应用Maxwell-Garnett理论(MGT)和磁电阻机制,研究了磁性颗粒复合体系中的庞磁电容效应随外加磁场和组分浓度p的变化关系,很好地解释了实验结果.     

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．     

磁电复合振子PbZr_(0.48)Ti_(0.52)O_3/Tb_(0.3)Dy_(0.7)Fe_(1.92)的电容型磁阻抗效应

谐振频率及阻抗匹配是压电换能器中十分重要的参数.基于压电陶瓷圆环Pb Zr_(0.48)Ti_(0.52)O_3(PZT)和磁致伸缩材料铽镝铁Tb_(0.3)Dy_(0.7)Fe_(1.92)(TDF)构成"环-环"磁电复合振子,实验研究磁场作用下,由磁电复合振子的有效介电常数变化引起的电容型磁阻抗以及磁控谐振频率偏移效应.实验结果显示,谐振频率和反谐振频率下的磁阻抗可达18%、32%;当磁场为800 m T时,谐振及反谐振频率的最大偏移量约为9 k Hz.利用复合材料的磁-力-电耦合效应,对电容型磁阻抗及磁控谐振频率偏移进行了理论分析.本研究为解决压电换能器谐振频率的漂移问题及阻抗匹配提供了实验及理论基础.     

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.     

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.     

考虑磁滞的铁稼磁致伸缩位移传感器输出电压模型及结构设计

基于Jiles-Atherton模型、魏德曼效应和压磁效应建立了考虑磁滞影响下磁致伸缩位移传感器的输出电压模型,计算结果与实验结果基本吻合,表明所建立的输出电压模型的正确性.对传统Fe-Ga磁致伸缩位移传感器的结构进行了改进,消除了由磁致伸缩材料的磁滞效应带来的位移迟滞,降低了剩磁和驱动脉冲电流对输出电压的影响,使电压信号的信噪比由14.7 dB提高至27.6 dB.制作了Fe-Ga磁致伸缩位移传感器样机,通过实验验证了新结构能改善传感器的线性度、重复性、迟滞性和精度.基于新的传感器结构,此研究可为磁致伸缩位移传感器的优化、生产提供理论依据和实验基础.     

微小型磁电发电机输出性能计算方法研究

盘式微小型磁电发电机具有功率密度大、轴向尺寸小、可长期储存等诸多优点,用于引信电源有着良好的前景.磁电发电机输出性能受线圈参数与磁路结构共同影响,难于得到解析模型.为从理论上计算磁电发电机的输出性能,论文采用解析推导与仿真分析相结合的方法获得磁电发电机的输出电压,并根据计算结果设计并加工了实验样机.磁电发电机的输出性能实验结果表明,理论分析结果与实验结果误差仅为0.2%,证实了本文提出的计算方法的合理性.     

超磁致伸缩力传感器及其实验研究

基于磁致伸缩逆效应原理,以超磁致伸缩棒为敏感元件研究了一种具有高灵敏度的新型超磁致伸缩力传感器,通过集成在结构内部的霍尔传感器测量磁通密度来实现静态力的测量.同时,为了提高传感器的测量灵敏度,提出了一种安装在霍尔传感器周围的不锈钢钢环的特殊结构.给出了超磁致伸缩力传感器的测量原理和设计过程,并通过实验研究确定了偏置磁场、预紧力和超磁致伸缩棒的尺寸等因素对传感器输出特性的影响规律,分别得到了传感器工作的最佳偏置磁场和预紧力,为超磁致伸缩力传感器的深入研究和精确控制提供了一种技术途径.     

基于ANSYS的压电陶瓷材料有限元仿真分析

介绍了压电效应与压电陶瓷材料相关理论,利用压电材料的正压电效应,可以将机械能转换为电能,ANSYS大型有限元分析软件可进行力电耦合场分析,利ANSYS对压电陶瓷薄膜的力电转换进行有限元模拟与分析,对压电薄膜施加一定外力,分析产生的电压特性。     

电动汽车双向DC/DC变换器的设计

采用全桥谐振C LCLC变换器和模糊PID控制的半桥Buck Boost变换器,组成两级式双向DC/DC变换器拓扑;并根据等效模型计算出谐振元件参数,即变压器的匝比为1∶1,输入输出电压为400 V,谐振电感为100 μH,谐振电容为253 μF,半桥Buck Boost变换器中的滤波电感为5 000 μH,滤波电容为127 μF。仿真结果表明,全桥谐振C LCLC谐振变换器输入电压与输出电压一致;模糊PID控制策略可有效降低充电状态下电压超调量,缩短调节时间,提高系统的抗扰动能力,说明所采用的设计工艺能有效提高电动汽车变换器的动态、稳态性能和抗扰动能力。     

容栅传感器数学模型探讨

容栅传感器是一种新型的大位移传感器,在数显量具中得到广泛应用,但对其作深入、细致的实测和分析的还不多见。本文采用理论计算和实际测试相结合的方法,研究容栅传感器的数学模型,提出新的等效电路,对激励电压、电容量与位移之间关系以及输出电压进行实测和计算机分析。     

谐综合电子凸轮的驱动机理分析

文章提出了一种新型电子凸轮的概念,利用特殊设计的压电陶瓷组合驱动器作为主动件,通过控制其多路输入交流电压的频率、幅度和初相位,使输出的运动实现谐综合的特性,并达到较高的输出精度.对这种电子凸轮的核心元件——压电驱动器的驱动机理进行了分析,并给出了算例,证明了这种新型电子凸轮的可行性.