专利名称：一种宽频带可用的交流磁场传感器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁场测量装置和技术，具体涉及一种宽频带可用的交流磁场传感器及其制作方法。
背景技术：
磁场测量和传感技术在工程技术和科学研究中十分重要。现有的交流磁场测量技术装置有很多，常见的有霍尔效应传感器、超导量子干涉仪等。但交流磁场传感器的局限性在于，响应频率很有限，往往在共振频率有很高的响应，而在非共振频率响应较小从而制约了应用。最近一些年被广泛研究的磁电效应材料可以实现磁-电能量的转换。磁电材料 (也叫铁电磁体)是同时具有磁性、铁电性材料的总称，在结构上同时存在磁有序和电有序状态。这两种有序状态发生相互作用，产生一种新的效应，称作“磁电效应”，即磁电材料置于外加磁场中时，材料的电极化状态将会发生改变；相反地，置于外加电场中时，材料的磁化状态也将发生相应变化。这种对外场响应的能力大小通常采用磁电转化系数α (a=dE/ dH)来评价，即微小磁场变化引起的电场改变。迄今为止，已经公开了许多关于制备磁电复合材料的方法、性质和相关应用，特别是在磁场探测和传感方面的应用。但是，这些技术未能涉及针对频率较宽磁场信号的使用。

发明内容
本发明目的是提供一种不仅响应于共振频率，而且在相当宽的频率范围都有较明显的响应的宽频带可用的交流磁场传感器及其制作方法。本发明的技术方案是一种宽频带可用的交流磁场传感器，其特征在于，包括大于等于三个的具有磁电效应的磁电耦合元件，所述磁电耦合元件具有可以渐变的共振频率， 所述电耦合元件以正负极首尾相接的方式串联起来，其中第一块磁电耦合元件的正极，和最后一块磁电耦合元件的负极分别接电信号处理端的正、负极。进一步的，所述磁电耦合元件为单相磁电耦合材料，多相复合磁电材料，或多层复合材料组成。进一步的，所述磁电耦合元件为压电材料与磁致伸缩材料复合而成的磁电复合材料组成。进一步的，所述压电材料是具有压电效应的陶瓷材料或聚合物，所述磁致伸缩材料是稀土-铁系化合物。进一步的，所述磁电耦合元件的长度为渐变的形式。进一步的，所述磁电耦合元件中的压电材料层略长于磁致伸缩材料层。进一步的，所述磁电耦合元件采用Terfenol-D和Pb (Zr，Ti) 03双层复合。进一步的，所述磁电耦合元件为4片，"Terfenol-D厚度为0. 8mm, Pb (Zr, Ti) 03厚度为0. 6mm，所述两层用环氧树脂粘合，四片长度分别为160mm，150mm, 140mm, 130mm。一种宽频带可用的交流磁场传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤(1)制备不同长度的磁电耦合单元片，每片均包含压电材料片和磁致伸缩材料片，两层或多层片状材料以压电/磁致伸缩的模式粘合而成为一个磁电耦合单元片；
(2)将不同长度的磁电耦合单元片的长度剪裁为渐变的形式，从而获得共振频率渐变的单元片；
(3)将长度渐变的磁电耦合单元片以压电材料的正负极首尾相接的方式串联起来，即第二片的正极结第一片的负极，第三片的正极结第二片的负极，依次类推，第一片的正极， 和最后一片的负极分别接电信号处理端。工作原理每一片元件都有一个共振响应峰。由于长度渐变的元件其共振频率也是渐变的，因而，串联在一起之后，共振峰会发生一定程度的叠加，导致单个尖锐的共振峰变成一个共振平台。从而使得器件系统对较宽的频率都有响应。本发明的优点是
本发明的传感器对很宽频率的交流信号有响应，成为宽频带可用的传感器。通过对元件尺寸和串联个数的调整，可以控制频带的位置和宽度。此外，本发明的方法也使得器件非共振区域的响应线性增加，从而非共振区域也变得可用。


下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述
图1为本发明的一个磁电耦合元件(磁电耦合单元片)结构图。图2多个长度渐变的磁电耦合单元片的串联。图3串联后的测试效果图。其中1表示磁致伸缩片层；2表示压电片层；3为2的上表面即正电极；4为2的下表面即负电极。
具体实施例方式实施例(1)首先制备不同长度(长度渐变)的磁电耦合单元片，每片均包含压电材料片和磁致伸缩材料片。两层或多层片状材料以压电/磁致伸缩的模式粘合而成为一个磁电耦合单元片，如图1所示。(2)不同单元片的长度剪裁为渐变的形式(例如长度相差1厘米)，从而获得共振频率渐变的单元片。(3)将长度渐变的单元片以压电材料的正负极首尾相接的方式串联起来，即第二片的正极结第一片的负极，第三片的正极结第二片的负极，依次类推。以第一片的正极，和最后一片的负极分别接电信号处理端(例如锁相放大器或者示波器)的正、负极，如图2所示。如图1所示，1表示磁致伸缩片层；2表示压电片层；3为2的上表面即正电极；4为2的下表面即负电极。2比1略长5%，以便于电极连接。磁电材料，可以是单相磁电耦合材料，或者多相复合磁电材料，也可以是多层复合材料即由压电材料与磁致伸缩材料复合而成的磁电复合材料；其中压电材料是具有压电效应的陶瓷材料或聚合物；磁致伸缩材料是稀土 -铁系化合物RFe2，R为Tb、Dy、Sm等稀土元素、或者是具有磁致伸缩效应的氧化物RFe204，R为Ni，Co或者Cu等元素。实施例1 采用四片长度渐变的磁电耦合单元片串联磁电耦合单元片采用iTerfenol-D和Pb (Zr, Ti) O3双层复合。Terfenol_D厚度为0. 8mm, Pb (Zr, Ti) O3厚度为0. 6mm。两层用环氧树脂粘合。四片长度分别为160mm，150mm, 140mm, 130mm。采用5奥斯特的交流磁场，频率从30KHz均勻扫到150KHz。其测得到的共振频率分别为76. 25KHz,80kHz,86kHz, 91kHz。串联之后测得的输出信号，如图3所示，图3的上图为串联后的输出电压结果，在很宽的频率区间内，输出电压超过1伏特。图3的下图为比较单共振峰(虚线)和串联后(实线)共振效果的图像。实施例2 采用5片长度渐变的磁电耦合单元片串联
磁电耦合单元片采用Terfenol-D和Pb (Zr, Ti) 03双层复合。Terfenol-D厚度为 0. 7mm, Pb (Zr, Ti) 03厚度为0. 5mm。两层用环氧树脂粘合。5片长度分别为180mm，170mm, 160mm, 150mm, 140mm。采用6奥斯特的交流磁场，频率从20KHz均勻扫到190KHz。其测得到的共振频率分别为68KHz，72kHz，76kHz，80kHz，87kHz。串联之后测得的输出信号类似的，在60kHz至90kHz的范围内达到了 1伏特的输出电压。实现了宽频响应。以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种宽频带可用的交流磁场传感器，其特征在于，包括大于等于三个的具有磁电效应的磁电耦合元件，所述磁电耦合元件具有可以渐变的共振频率，所述电耦合元件以正负极首尾相接的方式串联起来，其中第一块磁电耦合元件的正极，和最后一块磁电耦合元件的负极分别接电信号处理端的正、负极。
2.根据权利要求1所述的宽频带可用的交流磁场传感器，其特征在于，所述磁电耦合元件为单相磁电耦合材料，多相复合磁电材料，或多层复合材料组成。
3.根据权利要求2所述的宽频带可用的交流磁场传感器，其特征在于，所述磁电耦合元件为压电材料与磁致伸缩材料复合而成的磁电复合材料组成。
4.根据权利要求3所述的宽频带可用的交流磁场传感器，其特征在于，所述压电材料是具有压电效应的陶瓷材料或聚合物，所述磁致伸缩材料是稀土 -铁系化合物。
5.根据权利要求3所述的宽频带可用的交流磁场传感器，其特征在于，所述磁电耦合元件的长度为渐变的形式。
6.根据权利要求5所述的宽频带可用的交流磁场传感器，其特征在于，所述磁电耦合元件中的压电材料层略长于磁致伸缩材料层。
7.根据权利要求4所述的宽频带可用的交流磁场传感器，其特征在于，所述磁电耦合元件采用iTerfenol-D和Pb (Zr, Ti) 03双层复合。
8.根据权利要求7所述的宽频带可用的交流磁场传感器，其特征在于，所述磁电耦合元件为4片，Terfenol-D厚度为0. 8mm, Pb (Zr, Ti) 03厚度为0. 6mm,所述两层用环氧树脂粘合，四片长度分别为 160mm，150mm, 140mm, 130mm。
9.一种宽频带可用的交流磁场传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤(1)制备不同长度的磁电耦合单元片，每片均包含压电材料片和磁致伸缩材料片，两层或多层片状材料以压电/磁致伸缩的模式粘合而成为一个磁电耦合单元片；(2)将不同长度的磁电耦合单元片的长度剪裁为渐变的形式，从而获得共振频率渐变的单元片；(3)将长度渐变的磁电耦合单元片以压电材料的正负极首尾相接的方式串联起来，即第二片的正极结第一片的负极，第三片的正极结第二片的负极，依次类推，第一片的正极， 和最后一片的负极分别接电信号处理端。
全文摘要
本发明公开了一种宽频带可用的交流磁场传感器，其特征在于，包括大于等于三个的具有磁电效应的磁电耦合元件，所述磁电耦合元件具有可以渐变的共振频率，所述磁电耦合元件以正负极首尾相接的方式串联起来，其中第一块磁电耦合元件的正极，和最后一块磁电耦合元件的负极分别接电信号处理端的正、负极。本发明不仅响应于共振频率，而且在相当宽的频率范围都有较明显的响应。
文档编号G01R33/02GK102445669SQ20111038438
公开日2012年5月9日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者于昊 申请人:西交利物浦大学