基于自偏置磁-机-电耦合效应的电流传感器研究

基于自偏置磁-机-电耦合效应,提出了一种新型电流传感器,其由磁电层合材料Sr Fe12O19/Fe Cu Nb Si B/PZT、质量块、基座组成。磁电层合材料Sr Fe12O19/Fe Cu Nb Si B/PZT具有自偏置磁-机-电耦合效应。通过该磁电层合材料与载流电线周围的涡流磁场耦合,该新型电流传感器具有较大的输出电压和电流灵敏度,无需额外的直流偏置磁场等优点。实验结果表明,所提出的传感器在载流电线的电流频率为50 Hz时具有198.91 m V/A的较高灵敏度,并且电流传感器的输出电压与施加的50 Hz电流大小之间呈现出良好的线性关系。另外,提出的传感器还可以区分小至0.01 A的微小电流。这种基于自偏置磁-机-电耦合效应的电流传感原型器件在电流监测领域具有极大的应用前景。     

Terfenol-D/PZT和弹性基板阵列换能器的磁电效应研究

利用共振原理,将磁致伸缩材料(Terfenol-D)、压电材料(PZT-8)复合于弹性基板上构造了一种新型的换能器.当激励磁场的频率等于或者接近于弹性基板的固有频率时,Terfenol-D将驱动弹性基板振动并发生共振,粘结于弹性基板上的压电材料的输出电压将达到最大.实验研究表明,在800 Oe偏置磁场和1Oe交变磁场激励下,在谐振点392 kHz处,阵列结构换能器的最大磁电耦合电压系数和最大输出功率分别达到了235.5 mWOe和2.403μW,相比MP层合结构换能器,分别提高了13.77%和33.7%.     

FeGa/PZT圆柱体复合材料非线性瞬态磁电响应研究

磁致伸缩/压电复合材料在磁场探测领域极具应用前景,然而,瞬态磁场激励下复合材料的非线性磁电效应尚未明确。研究了FeGa/PZT圆柱体复合材料在瞬态磁场激励下的磁电响应特性。实验发现,在瞬态磁场激励下,复合材料输出电压存在阻尼振荡现象,且振荡周期为其固有周期;当瞬态磁场宽度为固有周期倍数时,阻尼振荡现象几乎消失。另外,研究了FeGa/PZT材料对瞬态磁场宽度和幅值的传感特性。结果表明,材料输出电压脉宽与瞬态磁场脉宽呈线性变化;复合材料对10μs、25μs宽度瞬态磁场幅值测量灵敏度分别为17.329 mV/Oe和24.405 mV/Oe。由此可知,FeGa/PZT材料在瞬态磁场测量领域有极大的应用前景。     

磁致/压电/磁致层合材料磁电响应分析

对沿长度方向振动(LT模式)的磁致/压电/磁致(MPM)层合材料的磁电响应进行了理论分析,其中磁致层沿长度方向磁化,压电层沿厚度方向极化.从压电效应和压磁效应本构方程出发,结合材料的机械运动学方程和电路状态方程,重新推导了LT模式下MPM结构的等效电路,完善了文献中的方法,得到了复合材料的磁电电压系数、开路电流、材料内阻、可供电功率与压电、磁致材料各物理参数以及体积参数之间的关系式.以Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层合材料为例,对材料磁电响应进行了数值计算,将计算结果与相关实验结果进行了比较.利用磁电响应仿真结果,对磁电层合材料用于磁敏传感器以及自供电换能器进行了讨论.     

采用复合磁电换能器的振动能量采集器研究

采用Teffenol-D/PZT/Terfenol-D复合磁电换能器,设计了一种新型振动能量采集器.采集器由悬臂梁、磁电换能器和永磁体三部分组成,环境振动引起换能器与永磁体相对运动,使得作用到换能器的磁场变化,变化的磁场引起Tedenol-D产生应变,应变传递到PZT得到电输出.采用等效磁荷理论分析了影响换能器与永磁体相对运动的磁场力;并用林滋泰德-庞加莱法分析了永磁体的非线性运动情况.实验结果表明,在振动激励频率为33 Hz,加速度为0.5 gn时,输出电压峰峰值45.1 V,输出功率112.1μW.     

采用同轴反相激励非晶合金/压电复合磁电双单元非线性磁电效应的磁传感器

具有高磁导率的非晶合金在低于10Oe磁场激励下就发生饱和磁化,从而非晶合金/压电复合材料在较高幅度、频率为f₀f₀的交变磁场激励下产生非线性磁电效应,通过解调奇次谐波(f₀,3f₀,…)输出,可实现静态/准静态弱磁场测量,且无需另外施加偏置磁场。利用两个同轴配置的FeNiMoSiB/PZT/FeNiMoSiB复合结构单元,设计180°反相磁场激励,并且采用压电双晶片的电连接方式配置两磁电单元压电层输出,从而实现传感器灵敏度倍增和共模噪声抑制。磁电电压信号经差分放大和锁相解调后,得到传感输出信号。测试结果表明：在±100μT线性区范围内,传感器的灵敏度达到2.77×10⁴μV/μT;对频率为1 Hz磁场的最低探测极限为10 nT。     

Terfenol-D/SAW谐振器/Terfenol-D复合磁传感器

设计了一种由超磁致伸缩材料Terfenol-D和SAW谐振器构成的复合磁传感器,在磁场作用下,Terfenol-D沿长度方向伸缩,并将应力应变传递至SAW谐振器,使其产生应变,造成谐振频率改变,通过测量SAW谐振器谐振频率的变化来测量磁场强度.分析了该磁传感器的传感原理,建立了该复合磁传感器的静态模型,对弹性敏感元件进行了受力分析,根据压磁方程和受力平衡得到该磁传感器的静态特性.实验结果表明:该复合磁传感器灵敏度可达341.6Hz/Oe,较Terfenol-D/SAW谐振器结构灵敏度提高了3倍;测量谐振频率的分辨率为1Hz,SAW谐振器频率稳定度为0.1×10-6时,该磁传感器对磁场的分辨率为10-6T.     

基于FeSiB/PZT-fiber/FeSiB磁电复合材料的分芯式电流传感器研究

提出了一种由对称的FeSiB/PZT-fiber/FeSiB(FPF)磁电复合材料、三块硅钢磁芯、一对永磁铁和一个封装外壳组成的分芯式电流传感器。FPF复合材料与三块磁芯串联,形成闭合磁路,汇聚载流导线产生的涡流磁场。实验结果表明,在无源条件下,FPF电流传感器在0～5.5 A电流范围内对50 Hz工频电流的监测灵敏度为0.45 mV/A,线性吻合度为99.9%。因此,所提出的基于FPF复合材料的分芯式电流传感器有望为电力系统工频小电流在线监测提供新的思路,具有重要的应用价值。     

载流导线在磁场中混沌运动区域分析

在考虑电磁场对结构变形影响基础上,假设导线变形为小变形,采用弦的模型建立了载流导线在磁场中的周期激励作用下的横向振动控制方程.利用伽辽金原理及Melnikov方法推导出了载流导线发生混沌运动的临界条件,并讨论了导线张力、导线距离、电流等因素对载流导线混沌运动区域的影响.得到了如下的结论:载流导线的混沌运动区域随导线张力、导线距离的增大而变大;电流小于某一值时,载流导线混沌运动区域随电流增大而减小.     

压电/磁电复合式MEMS振动驱动微能源的研究

为了满足无线传感网络节点对供电电源的自供电、低功耗、持续稳定供电的要求,研究了一种可以将环境中机械能转化为电能的MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源,结合压电转换与磁电转换把振动能转换为电能。建立数学模型,用有限分析软件Ansys12.0对不同尺寸的四悬臂梁-中心质量块结构进行力学特性分析,并对加工出的器件进行性能测试。测试结果表明,谐振频率为290Hz下,器件输出电压峰峰值随振动加速度的增加呈线性增加,1 m/s2和6 m/s2激励下有效输出电压分别为61mV和324mV,有望为无线网络传感节点提供性能高、寿命长、自供给的供电电源。     

镍铁氧体-锆钛酸铅层状复合物的低频磁电耦合

利用弹性力学模型,简要推导了低频下磁致伸缩—压电双层复合材料磁电电压系数的表达式,计算了镍铁氧体—锆钛酸铅(NiFe2O4—Pb(Zr,Ti)O3,NFO—PZT)层状复合材料的横向磁电耦合。采用溶胶—凝胶法制备NiFe2O4样品,将其与PZT胶合制成NFO—PZT和NFO—PZT—NFO层状复合材料,研究了其在低频下的横向磁电效应。在约31.8 kA·m-1的偏置磁场下,NFO—PZT—NFO的横向磁电耦合达到的峰值为761.8 mV.A-1,约是NFO—PZT的3倍多。三层的界面耦合参数明显高于双层。     

铁磁合金/压电材料复合磁电效应研究

利用高机械品质因数的FeNi基弹性合金,构造了不等长的FeNi基弹性合金/压电叠层磁电复合材料。采用等效电路法分析了复合结构的磁电电压系数、谐振频率、机械品质因数和最大输出功率与磁致伸缩—压电层长度比之间的关系。结果表明:磁电电压系数、机械品质因数及最大输出功率随着FeNi基弹性合金长度的增加而增大并趋于常数,谐振频率随着FeNi基弹性合金长度的增加而减小。     

架空配电线路雷电感应电压特性及解析算法性能分析

为了深入理解架空线雷电感应电压特性为配电网雷电防护提供技术参考,本文采用时域有限差分法及Agrawal耦合模型对10 kV架空配电线路雷电感应电压进行了数值计算.以解析计算方法中导线高度、回击电流幅值以及落雷距离3个特征参数为考察对象,分析了三者对架空线雷电感应电压的影响,实现了对解析计算公式计算精度的定量化分析.计算表明,雷电感应电压脉冲幅值随导线高度和回击电流幅值增大均线性提高,随落雷距离减小非线性提高.受水平电场特性及导线相互作用的影响,落雷距离减小和导线数增多均会显著加重雷电感应电压波形的畸变.以数值计算为标准,解析算法误差可高达45%⁵0%,本文研究结果可为配电网运维工作提供理论参考.     

磁致伸缩材料与石英音叉复合低阻尼谐振磁电效应

采用磁致伸缩材料与石英音叉谐振器复合设计了一种低阻尼的谐振式磁电敏感单元。石英音叉工作在弯曲振动模式,音叉叉指结合区域(底部)产生的应力/应变方向相反、弯矩相互抵消,实际为解耦区域。将底部与磁致伸缩材料粘接复合设计谐振式磁电敏感单元的Q值主要取决于音叉谐振器自身的高Q值,磁致伸缩材料的高磁机阻尼被隔离。动态磁场作用下,磁-机-电转换过程可看作一个受迫振动过程,当激励磁场频率接近于音叉谐振频率时,输出电信号最大。实验结果表明:磁电敏感单元Q值高达5 034;谐振磁电电流系数达到799.2 nA/Oe;在接近谐振频率32.774 kHz信号激励下,磁电电流系数相对偏置磁场变化的灵敏度达到5 (nA/Oe)/Oe。     

PT种子层对微力传感器性能的影响

为了提高微牛顿量级微力传感器的灵敏度,比较了有PT种子层和无PT种子层的PZT压电薄膜对微力传感器性能的影响。运用Sol-Gel(溶胶-凝胶)法制作了PZT和PT/PZT/PT薄膜,采用X射线衍射技术表征了PZT和PT/PZT/PT两种薄膜的成相特征,用半导体参数测试仪测试了PZT和PT/PZT/PT两种薄膜的漏电流。结果表明,在同为600℃退火温度下,两种薄膜均具有钙钛矿结构,而且PT/PZT/PT薄膜沿(100)晶向强烈取向。当外加电压增加时,PZT薄膜的漏电流基本保持不变;PT/PZT/PT薄膜的漏电流变化在1nA左右。最后应用MEMS工艺分别制作了基于PZT,PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器,并在静态和准静态下对微力传感器的传感特性进行了测试。测试结果表明,添加PT种子层对微悬臂梁的弹性系数基本没有影响,但微悬臂梁的灵敏度显著增加。     

MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的设计

在单一效应的MEMS振动驱动微能源的基础上,提出了一种MEMS压电-磁电复合振动驱动微能源器件。该微能源由八悬臂梁-中心质量块结构和永磁铁两部分组成,环境振动使中心质量块振动,PZT压电敏感单元由于压电效应产生电势差;同时中心质量块上集成的高密度线圈切割磁感线产生感应电动势,将压电转换与磁电转换相结合把振动能转换为电能。建立了该结构的数学模型并用有限分析软件Ansys12.0对该器件进行力学特性分析,最后对加工出的微能源进行性能测试。测试结果表明,该微能源谐振频率为8 Hz,易与环境发生共振;在共振条件下,施加1 gn 的加速度,器件压电发电开路输出电压峰峰值达154 mV,磁电发电开路输出电压峰-峰值达8 mV,有望为无线传感网络节点提供稳定的能源。     

基于0.6 m CMOS工艺的pH值传感器集成电路设计和研究

介绍了一种基于上华0.6μmCMOS工艺实现的pH值传感器集成电路的设计和研究,它采用标准CMOS工艺提供的Si3N4钝化层作为氢离子敏感层,并以多层浮栅结构的ISFET作为传感单元.信号处理电路由基准电流源、恒流恒压控制电路、输出差分电路等组成,使电路输出信号与pH值的变化量呈线性关系.实测结果表明该电路在溶液pH值从1-13范围内输出电压的平均灵敏度为35.8 mV/pH,线性度优于5%.该集成电路实现了pH值传感单元与信号处理电路的单片集成.     

一种应用于LDO的可编程电流限电路设计

提出了一种应用于线性稳压器(LDO)的可编程电流限电路,可实现调整管电流的精准采样。根据输入—输出压差和负载电流的不同工作情况,通过调节片外的限流电阻来改变电流限值的大小。基于TSMC 0.25μm BCD工艺进行设计,采用H-spice进行仿真验证。仿真结果表明,LDO在2 V～5.5 V的输入电压、1.2 V～5 V的输出电压范围内,实现了最大3 A带载能力的输出,该可编程电流限电路可将电流限值在0.2 A～4.5 A内编程。     

基于磁电复合材料的开合式电流传感器磁芯仿真分析

基于磁电材料的电流传感器设计中,为了提高传感器的精度和灵敏度,通常会采用磁芯来汇聚磁场。基于有限元软件分别对交叉结合面开合式磁芯和平口结合面开合式磁芯中的磁致伸缩层磁感应强度进行了仿真分析。同时,分析了气隙和电流导线位置对不同结合面中磁致伸缩层磁感应强度的影响。根据仿真结果,当气隙距离为0.5 mm时,交叉结合面磁芯中的磁致伸缩层磁感应强度为气隙距离为零时的95.5%,而平口结合面磁芯中的值仅为气隙为零时的4.62%;当导线位置沿着x方向(平行于磁致伸缩层长度方向)一定范围内偏移时,交叉结合面和平口结合面磁芯内的磁致伸缩层的磁感应强度最大误差分别为0.02%和2.71%,当导线位置沿着y方向(垂直于磁致伸缩层长度方向)一定范围内偏移时,最大误差分别为0.33%和8.19%。因此,交叉结合面开合式磁芯更适合作为开合式电流传感器磁芯。     

HB-LED驱动用恒流Buck变流器控制方法研究

提出了一种适用于浮地输出Buck型HB-LED驱动器的恒流控制方法,详细分析了这种新型控制方法恒流Buck变流器的工作原理,通过控制电感峰值电流和电感电流纹波量恒定来达到输出电流平均值恒定的目的。以UC3843控制的75W Buck恒流变流器为例进行了实验研究,该变流器能够获得宽输出电压范围内约±3%的恒流精度,满足HB-LED驱动的性能要求。