磁场加载方式对磁电器件磁电效应影响的研究

将磁致伸缩材料(Terfenol-D)和压电材料(PZT-8)复合,利用谐振原理构造了一种磁电器件.当激励磁场的频率等于或者接近于Terfenol-D的固有频率时,Terfenol-D将驱动PZT-8振动并发生共振,压电材料的输出电压将达到极大.在不同的偏置磁场和交变磁场的加载方式下,研究了谐振状态下的磁电层合器件在强、弱偏置磁场强度下的磁电特性,研究表明,当偏置磁场和交变磁场分别沿长度和宽度方向施加时,相比在弱磁场下,强磁场下磁电层合器件的磁电电压系数分别提高了43.3%和近2倍.     

Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层状磁电复合传感器研究

采用树脂黏结法制备了Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层状磁电复合传感器,测量了传感器中Terfenol-D层的静态磁致伸缩性能和传感器的磁电电压性能,研究了直流偏置电流和交流驱动电流对复合传感器磁电性能的影响.结果表明:直流偏置电流对磁电复合传感器磁电电压峰-峰值V(p-p)的影响较大,磁电电压峰-峰值V(p-p)随直流偏置电流的变化规律与Terfenol-D层的磁致伸缩λ对偏置电流的变化率随偏置电流的变化规律相似;交流驱动电流对磁电复合传感器磁电电压峰-峰值V(p-p)的影响也较为明显.     

叠层复合磁致伸缩材料驱动器的输出位移特性

采用树脂粘结法制备了叠层复合Terfenol-D棒状材料,并使Terfenol-D层的叠片方向垂直于Terfenol-D的<112>轴向.研究了基于此材料的驱动器的输出位移特性,同时还研究了驱动器的涡流损耗.研究结果表明:当驱动磁场频率为2 500～3 000 Hz时,驱动器输出位移最大峰-峰值达到最大25.0～26.0 μm,同时输出位移波形随频率也有明显变化;直流偏置磁场对输出位移的影响规律随工作频率不同而不同;基于叠层复合Terfenol-D的驱动器的涡流损耗较基于块状Terfenol-D的驱动器的涡流损耗大大降低.     

基于磁场传感器的磁电层状复合材料逆磁电效应研究

运用等效电路法对LT型磁致伸缩/压电多层磁电复合材料的逆磁电系数进行了理论推导,得到了其逆磁电系数方程.该方程显示逆磁电系数取决于磁致伸缩层与压电层的性能参数和其体积比.以三层磁电复合材料为例进行计算,理论结果与实验结果吻合较好,且计算结果发现当压电层体积份数n为0.64时,逆磁电系数最大值为199mG/V.研究结果为磁电层状复合材料在电-机-磁耦合方面的应用提供了理论依据,有助于优化以层状磁电复合材料为核心的磁场传感器的结构.     

GMM/PZT/GMM层合材料的纵振磁电响应

层状复合结构层间胶层和复合材料的机械损耗是影响层状磁电复合材料磁电响应的重要因素.为了考虑层间胶层的作用,包括其纵向变形和剪切变形产生的效果,应用Hamilton原理建立层状复合结构的运动方程,并用复柔顺系数来反映材料的机械损耗特性.结合层状复合结构的边界条件和磁致伸缩/压电本构方程,就可以得到考虑了胶层作用和材料损耗时,复合结构的固有频率和磁电响应.对GMM(超磁致伸缩材料)/PZT(压电材料)/GMM结构的磁电响应进行了数值计算,将计算结果与实验结果进行了比较,证明考虑胶层作用并引入材料的损耗能够更准确预测复合材料的磁电换能特性.     

梭式止回阀阀芯位移磁电传感器的磁场分析

梭式止回阀作为管道非能动技术的重要组成部分,可以在无外加动力驱动下自动实现管道系统的安全保障作用,能有效降低事故的发生。研究了梭式止回阀阀芯位移磁电传感器阀体和阀芯永磁体的有限元模型建立的方法以及对永磁体进行了二维静态磁场分析。首先在ANSYS中建立阀体及永磁体的二维模型,然后对其定义材料属性、网格划分、施加边界条件,完成有限元模型的建立;然后对阀体及永磁体进行二维静态磁场分析,最终得出梭式止回阀阀芯位移磁电传感器的磁场分布及强度状态。通过ANSYS有限元仿真,验证了梭式止回阀阀芯位移磁电传感器磁路设计方案的可行性。     

适用于智能机械手的Galfenol悬臂梁式力传感器设计

为提高智能机械手抓握目标物体的可靠性,结合铁镓合金(Galfenol)的磁致伸缩逆效应,设计了一种新型悬臂梁式力传感器。基于霍尔效应、铁镓合金非线性磁化模型与欧拉-伯努利梁理论,建立了力传感器输出模型。搭建了实验平台,研究了偏置磁场对传感器输出特性的影响,并验证了输出模型。为降低磁滞效应引起的动态谐波干扰,基于巴特沃斯低通滤波原理,设计了力传感器数字滤波系统。结果表明,适合力传感器工作的最佳偏置磁场为3 kA/m,测力范围为0～2 N,动态响应范围为0～12 Hz,能够满足智能机械手工作的需要。     

基于ATILA的Terfenol-D棒输出特性分析

稀土磁致伸缩换能器是一种能够实现电能转换为声能的能量转换器件。Terfenol-D棒是磁致伸缩换能器的动力驱动元件,它受磁场激励后产生连续的轴向振动,从而推动着辐射板向谐振腔体内辐射声场。应用ATILA有限元软件对主动材料Terfenol-D棒进行模态及谐响应分析。重点考察分析Terfenol-D棒长径比、激励电流和预应力对Terfenol-D棒输出特性(磁棒活塞振型频率及轴向振动幅值)的影响。研究结果表明:磁致伸缩换能器可按工况需求,选择不同长径比的Terfenol-D棒以达到理想的轴向输出位移;Terfenol-D棒的轴向输出位移随外加激励电流的增加而逐渐增加;当激励电流一定时,合适大小的预应力可有效增加Terfenol-D棒轴向输出位移,而预应力过大则会影响Terfenol-D棒轴向输出位移。     

磁特性测试系统的优化与两种磁性材料的对比

设计了一种磁特性测试系统,研究了两种磁致伸缩材料(Galfenol、Terfenol-D)的磁特性。采用有限元方法对测试系统中的磁路进行了优化设计,优化后材料内部磁感应强度提高了33.4%,同时克服了材料内部磁化方向在局部发生交变的现象。为研究偏置应力对于材料特性的影响,设计了一种偏置应力连续可调的磁特性测试装置,通过实验得到不同偏置应力下两种磁致伸缩材料磁化强度、磁致伸缩应变与外加磁场以及偏置应力之间的关系。通过对比分析发现,两种材料磁特性存在较大的差异。Terfenol-D较Galfenol驱动能力更强,但是其磁滞非线性比Galfenol更加明显。     

采用磁电自供能的能量储存和电源管理电路研究

普通Fe-Ni/PZT磁电复合结构将电磁能转化为电能时输出低,无法驱动无线传感器工作,本文设计了一种更高磁电电压系数的H型音叉式磁电复合结构。论文详细介绍了该结构的工作原理和磁电输出特性。在强度为0.2Oe的交变磁场激励下,该磁电复合结构能够把容量为1.5F的超级电容充电至0.5V。为有效利用超级电容中的电量,本文提出了一种能够提高超级电容输出功率的电能瞬间放电电路。实验结果表明,当超级电容电压为0.5V左右时,在间隙脉冲串(Burst)触发信号频率为30kHz、占空比为75%的条件下,该电路最大放电功率可达120mW,放电时间持续620ms,能够驱动无线传感器在一个发射周期内正常工作。