卞雷祥 文玉梅 李 平

(重慶大學(xué)光電工程學(xué)院,光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室,重慶 400044)

磁致伸縮材料磁彈性內(nèi)耗的場依賴特性
及其用于磁場傳感研究＊

卞雷祥 文玉梅?李 平

(重慶大學(xué)光電工程學(xué)院,光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室,重慶 400044)

(2009年3月23日收到;2009年6月22日收到修改稿)

分析和測試了磁致伸縮材料磁彈性內(nèi)耗的偏置磁場依賴特性,發(fā)現(xiàn)Terfenol-D的品質(zhì)因數(shù)(與內(nèi)耗的量值成反比)強依賴于偏置磁場.利用磁致伸縮材料磁彈性內(nèi)耗強依賴于偏置磁場的特性,提出了一種靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)磁場的磁傳感器方法,即將磁致伸縮材料與壓電變壓器單元層疊構(gòu)建一種復(fù)合變壓器.分析表明:在諧振狀態(tài)下,復(fù)合變壓器的輸出電壓正比于其品質(zhì)因數(shù),于是復(fù)合變壓器的輸出電壓強依賴于偏置磁場;磁致伸縮材料的ΔE效應(yīng)對復(fù)合變壓器輸出電壓的影響很小.制備Terfenol-D/PZT8復(fù)合變壓器進行了實驗,結(jié)果表明,在近諧振狀態(tài)下,當(dāng)激勵輸入電壓振幅為0.5 V時,復(fù)合變壓器工作的輸出電壓對靜態(tài)磁場的靈敏度達到～5.12 mV·Oe-1.

磁傳感,磁彈性內(nèi)耗,壓電變壓器,磁致伸縮材料

PACC:0755,7580,7590

1.引言

近年來磁致伸縮效應(yīng)在磁傳感領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,利用磁致伸縮效應(yīng)進行磁傳感的原理如下:1)ΔE效應(yīng).利用磁致伸縮材料所具有的超ΔE效應(yīng),將磁致伸縮材料與壓電材料復(fù)合構(gòu)成復(fù)合諧振器,則復(fù)合諧振器的諧振頻率是外部磁場的函數(shù),一種非晶態(tài)鐵磁合金FeCoB與壓電L iNbO3復(fù)合諧振器對磁場變化的靈敏度為60 Hz·Oe-1(1Oe =79.5775 A/m)[1].2)利用磁致伸縮特性.將多層磁致伸縮材料與壓電材料疊層復(fù)合,并將壓電層并聯(lián)連接以降低磁電響應(yīng)的低頻截止頻率,Dong等[2]采用Terfenol-D/壓電單晶Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3多層疊層復(fù)合在0.01和1 Hz處可探測的最小磁場達到10-7和10-9T,或?qū)⒋胖律炜s材料與諧振器件復(fù)合,利用磁致伸縮應(yīng)力引起諧振器諧振頻率變化以傳感磁場,一種將Terfenol-D與SAW器件復(fù)合的磁傳感器靈敏度為132 Hz·Oe-1[3].3)利用磁致伸縮材料壓磁系數(shù)對偏置磁場的依賴特性.磁致伸縮/壓電復(fù)合材料在小幅度交變磁場激勵下產(chǎn)生的磁電電壓輸出依賴于外部靜態(tài)磁場,一種Terfenol-D/Pb(Zr,Ti)O3疊層復(fù)合單元在0.1 Oe交變磁場激勵下,諧振時輸出磁電電壓對靜態(tài)磁場的靈敏度為～1.2 mV·Oe-1,可探測的最小磁場達10-8T或者更小[4].采用電場激勵磁致伸縮/壓電復(fù)合材料中壓電層,利用逆磁致伸縮效應(yīng)使磁致伸縮層發(fā)生振蕩磁化,此時,環(huán)繞在復(fù)合材料上的接收線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電壓,由于壓磁系數(shù)依賴于外部磁場,感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓依賴于外部磁場.利用該原理實現(xiàn)的磁傳感器可探測的最小磁場在1 Hz處達8.7 pTHz-0.5[5].但該類方法需要一個線圈環(huán)繞于器件外圍用于激勵或者接收.

超磁致伸縮材料Terfenol-D的磁彈性內(nèi)耗強依賴于偏置磁場,并且這種磁彈性內(nèi)耗——偏置磁場依賴特性廣泛存在于純鐵、非晶態(tài)合金(FeSiB, CoSiB)、FeNi基合金等鐵磁材料中[6—9].我們提出將磁彈性內(nèi)耗強依賴于磁場的特性用于靜態(tài)或者準(zhǔn)靜態(tài)磁場傳感,為此,將磁致伸縮材料和壓電變壓器疊層復(fù)合構(gòu)成磁致伸縮/壓電復(fù)合變壓器(或者稱之為磁致伸縮/壓電復(fù)合雙端口體波諧振器).在諧振時,復(fù)合變壓器的輸出特性受磁彈性內(nèi)耗的影響,因此,復(fù)合變壓器的輸出電壓將依賴于外部靜態(tài)或者準(zhǔn)靜態(tài)磁場.與之前報道的磁致伸縮/壓電疊層復(fù)合磁電材料用于磁傳感的原理[4,5]相比,不同之處在于:1)磁致伸縮/壓電復(fù)合變壓器用于磁傳感利用磁致伸縮材料磁彈性內(nèi)耗對偏置磁場的依賴特性,而磁致伸縮/壓電疊層復(fù)合磁電材料利用的是磁致伸縮材料壓磁系數(shù)對偏置磁場的依賴特性;2)復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓電層被設(shè)計為一個壓電變壓器單元,用于磁傳感器時無需任何線圈用于激勵或者接收.

本文分析和測試了磁致伸縮材料Terfenol-D磁彈性內(nèi)耗隨偏置磁場的變化特性,介紹了磁致伸縮/壓電復(fù)合變壓器用于磁傳感的工作原理,分析了復(fù)合變壓器的輸出電壓與系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)(與內(nèi)耗成反比)及有效機電耦合系數(shù)的關(guān)系.制備了Terfenol-D/PZT8復(fù)合變壓器并進行實驗,理論和實驗定性符合,復(fù)合變壓器的輸出電壓強依賴于偏置磁場.

2.磁彈性內(nèi)耗

磁彈性內(nèi)耗是鐵磁材料中磁性與力學(xué)性質(zhì)的耦合所引起的,磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生了磁性與力學(xué)性質(zhì)的耦合[10].磁彈性內(nèi)耗一般分為三類:宏觀渦流、微觀渦流和靜滯后型.微觀渦流損耗和宏觀渦流損耗與頻率有關(guān),理論上這兩種渦流損耗與振動的幅度無關(guān).當(dāng)頻率很低時,渦流損耗則非常小,此時靜滯后型內(nèi)耗成為主要內(nèi)耗,這是由于疇壁不可逆位移或者磁疇不可逆轉(zhuǎn)動導(dǎo)致磁滯現(xiàn)象和應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線.研究表明:1)磁致伸縮材料Terfenol-D應(yīng)力-應(yīng)變滯后環(huán)的面積及形狀隨偏置磁場變化而變化[9];2)Terfenol-D材料在偏置磁場疊加一緩慢變化磁場的磁化作用下,磁化曲線將圍繞偏置點出現(xiàn)“小滯后環(huán)”,并且“小滯后環(huán)”的形狀和面積與所加偏置磁場的大小有關(guān)[11,12].這意味著磁致伸縮材料中磁彈性內(nèi)耗依賴于偏置磁場.

內(nèi)耗的量值可用Q-1表示,其中,Q為材料的品質(zhì)因數(shù)[10].可通過測試品質(zhì)因數(shù)隨偏置磁場的關(guān)系來反映內(nèi)耗與偏置磁場的關(guān)系.在進行測試時,選用磁致伸縮材料Terfenol-D(甘肅天星稀土功能材料有限公司生產(chǎn))尺寸為14 mm×2 mm×1 mm,樣品縱向沿〈110〉晶軸取向.測試Terfenol-D品質(zhì)因數(shù)隨偏置磁場變化特性的實驗系統(tǒng)如圖1所示.一對環(huán)形Nd-Fe-B永磁體(內(nèi)直徑3 cm,外直徑7 cm,厚度1.4 cm)用于產(chǎn)生偏置磁場,調(diào)節(jié)磁鐵間距可改變偏置磁場大小,磁場大小使用高斯計測量;交變磁場采用長直螺線管產(chǎn)生.偏置磁場和交變磁場都沿樣品長度方向施加.測試方法和步驟如下: 1)在不同偏置磁場下,使用交變磁場激勵磁致伸縮材料產(chǎn)生縱向、基頻振動;2)使用德國生產(chǎn)的Polytec OFV-5000型多普勒測振儀,測得樣品端面處的振動速度˙u的振幅并改變激勵磁場的頻率進一步測得振動速度譜;3)采用3 dB帶寬方法,計算得到其品質(zhì)因數(shù),即Qmag=fr/Δf,其中fr為諧振頻率, Δf為3 dB帶寬.圖2所示為測得的Terfenol-D樣品品質(zhì)因數(shù)(Qmag)及一階縱向振動基頻隨偏置磁場變化的關(guān)系曲線.由此可以看出,Terfenol-D的品質(zhì)因數(shù)Qmag強依賴于偏置磁場,并且在較低水平偏置磁場的區(qū)間內(nèi)品質(zhì)因數(shù)隨外部偏置磁場增加而單調(diào)遞減.假設(shè)是一與偏置磁場有關(guān)的函數(shù),定隨偏置磁場變化的變化率為

圖1 磁致伸縮材料振動特性測試系統(tǒng)

3.器件原理

磁致伸縮材料在外應(yīng)力作用下將產(chǎn)生應(yīng)變,這時晶體內(nèi)的能量除了由于自發(fā)形變而引起的磁彈

圖2 Terfenol-D品質(zhì)因數(shù)Qmag及諧振頻率隨偏置磁場變化特性

性能外,還存在著由外應(yīng)力作用而產(chǎn)生的非自發(fā)形變的磁彈性能[13].由于磁彈性能的存在,交變應(yīng)力的作用將導(dǎo)致鐵磁體產(chǎn)生振蕩磁化,并且振蕩磁化的特性受外部偏置磁場或偏置應(yīng)力的影響.對于磁致伸縮/壓電疊層復(fù)合材料,壓電層在外加電壓激勵下將產(chǎn)生振蕩,由于壓電層和磁致伸縮層之間彈性耦合的作用,磁致伸縮層和壓電疊層一起產(chǎn)生振蕩,并產(chǎn)生振蕩磁化.由于磁致伸縮層的磁彈性內(nèi)耗是外加磁場的函數(shù),磁致伸縮/壓電疊層復(fù)合振子的損耗也將隨磁場變化而變化,那么磁致伸縮/壓電疊層復(fù)合材料在外加電壓激勵下的振蕩特性與外部磁場有關(guān).磁致伸縮/壓電疊層復(fù)合材料的有效品質(zhì)因數(shù)Qm可由下式給出[14],

其中,Qmag和Qpiezo分別為磁致伸縮層和壓電層的品質(zhì)因數(shù),nm為磁致伸縮材料所占復(fù)合材料的體積比,np=1-nm為壓電材料所占復(fù)合材料的體積比.由圖2可以看出,磁致伸縮材料的磁彈性內(nèi)耗依賴于偏置磁場,根據(jù)(2)式,磁致伸縮/壓電疊層復(fù)合材料的有效品質(zhì)因數(shù)Qm必依賴于偏置磁場.

在磁傳感器中,要將磁信號轉(zhuǎn)換為電信號.為此,磁致伸縮/壓電復(fù)合材料中壓電層被設(shè)計為變壓器結(jié)構(gòu).這種改進后的復(fù)合器件可稱為磁致伸縮/壓電復(fù)合變壓器或者磁致伸縮/壓電復(fù)合雙端口體波諧振器.當(dāng)復(fù)合變壓器工作時,輸入端在交變電信號作用下驅(qū)動其發(fā)生振動,由于壓電效應(yīng),振動在輸出端被再次轉(zhuǎn)換為電信號.此過程包含電—機械—電的轉(zhuǎn)換過程,其電—機和機—電的轉(zhuǎn)換過程都與復(fù)合變壓器單元的損耗特性有關(guān).另外,電—機械—電的轉(zhuǎn)換還分別與變壓器輸入端及輸出端的極化方向和機電耦合系數(shù)有關(guān).

圖3所示為一種磁致伸縮/壓電復(fù)合變壓器及坐標(biāo)定義,其中壓電層一共包含三個電極,輸入電極、輸出電極和公共電極,它們構(gòu)成變壓器的輸入端和輸出端.圖中箭頭表示壓電變壓器的輸入端和輸出端沿厚度方向極化(P)及磁致伸縮層沿長度方向磁化(M).該復(fù)合變壓器可通過如圖4所示的等效電路模型來進行分析[15],其中Rm,Cm和Lm分別表征復(fù)合變壓器的內(nèi)耗、有效機械勁度系數(shù)和質(zhì)量.C01和C02分別為輸入端和輸出端的一維截止電容,φp1和φp2分別為輸入端和輸出端的彈電耦合系數(shù).由于結(jié)構(gòu)對稱,并且壓電變壓器單元輸出端和輸出端極化方向相同,可認(rèn)為C01=C02,φp1=φp2.

為得到高的輸出靈敏度,通常使用具有高輸入阻抗的探測電路或者儀器來測量復(fù)合變壓器的輸出電壓,因此在分析時假設(shè)輸出端開路.利用阻抗變換方法,圖4所示的復(fù)合變壓器等效電路可簡化為圖5(a)所示的電路,再根據(jù)歐姆定律可得

根據(jù)(3)式,進一步可得

當(dāng)復(fù)合變壓器輸入端短路時,其等效電路可以化為典型的壓電振子等效電路,結(jié)果如圖5(b)所示,其中,該等效電路的串聯(lián)共振頻率ωs(也叫機械共振頻率)和并聯(lián)共振頻率ωp分別為[16]

在并聯(lián)諧振頻率ωp處,壓電變壓器輸出幅度Vout達到最大值,此時變壓比為

由(7)式可知,壓電變壓器的輸出反比于表征復(fù)合變壓器內(nèi)耗的等效參量Rm.

根據(jù)電學(xué)中對品質(zhì)因數(shù)的定義[17],即品質(zhì)因數(shù)等于電路中所存儲的能量(在動態(tài)電容C1或者動態(tài)電感L1中)與電路耗散的能量(由動態(tài)電阻R1產(chǎn)生)之比.則圖5(b)所示的等效電路的品質(zhì)因數(shù)為

其中,I為流過R1,L1和C1的電流.

由(5)和(6)式,得到該復(fù)合壓電變壓器輸出端的有效機電耦合因子為[16]

聯(lián)立(8)和(9)式得Rm的表達式后代入(7)式可得

由附錄A可得,當(dāng)輸入端短路時,復(fù)合壓電變壓器輸出端的有效機電耦合因子為

根據(jù)圖2和(2)式復(fù)合變壓器的品質(zhì)因數(shù)Qm是偏置磁場的函數(shù),根據(jù)(10)式,可得在并聯(lián)諧振頻率處壓電變壓器輸出電壓對偏置磁場Hdc的靈敏度為

其中,

需要說明的是,對(10)式進行微分時,忽略了ΔE效應(yīng)的影響,這是由于:1)磁彈性內(nèi)耗對偏置磁場的依賴特性遠(yuǎn)強于ΔE效應(yīng);2)(11)式中分子分母都含有磁致伸縮材料的彈性柔順性參數(shù),一定程度上削弱了ΔE效應(yīng)的影響.因此,偏置磁場變化對β的影響很小.

由(12)式,磁致伸縮/壓電復(fù)合變壓器用于磁傳感的輸出靈敏度可通過改變輸入電壓的幅度來控制,并且β越大,輸出電壓對偏置磁場變化的靈敏度越高.進一步分析(13)式可知:β反應(yīng)了壓電變壓器輸入端和輸入端機電耦合特性及材料體積比對磁傳感靈敏度的影響,變壓器輸入端的彈電耦合因子越大,輸出端的機電耦合系數(shù)越大,β越大,靈敏度也就越高.因此,采用具有高機電耦合系數(shù)的壓電材料和極化形式(如Rosen型壓電變壓器,輸入電極厚度極化,輸出電極縱向極化[15]),能夠進一步提高β值及其靈敏度.

圖3 磁致伸縮/壓電復(fù)合變壓器配置和坐標(biāo)定義 (a)磁致伸縮/壓電復(fù)合變壓器配置,(b)坐標(biāo)定義

圖4 復(fù)合壓電變壓器的等效電路模型

圖5 變換后的等效電路模型 (a)復(fù)合變壓器變換后的等效電路模型,(b)輸入端短路時變換模型

4.計算及討論

表1 復(fù)合變壓器品質(zhì)因數(shù)、有效機電耦合系數(shù)平方以及變壓比隨偏置變化特性

由圖6和表1可知:1)Terfenol-D/PZT8復(fù)合變壓器品質(zhì)因數(shù)Qm隨壓電層所占復(fù)合變壓器體積比np的增加而增加,但ΔQm則隨壓電層所占體積比np增加而減小;2)復(fù)合變壓器的ΔQm低于Terfenol-D的ΔQmag,根據(jù)(2)式可知這是由于壓電層的品質(zhì)因數(shù)與偏置磁場無關(guān),復(fù)合變壓器的與Terfenol-D材料的相比被降低了nm倍,nm為磁致伸縮材料所占復(fù)合結(jié)構(gòu)的體積比.由圖7和表1可知:1)隨偏置磁場變化,這源于ΔE效應(yīng),但由于(11)式中分子分母都含有磁致伸縮材料的柔順性系數(shù)參數(shù),隨偏置磁場的變化很小,即Δ隨壓電材料所占體積比增大而增大則隨壓電相所占體積比增加而減小;3)相對于Δ在數(shù)值上相當(dāng)小,因此,ΔE效應(yīng)對壓電變壓器諧振輸出幅值影響很小,在(12)式中忽略ΔE效應(yīng)是合理的.由圖8和表1可知:1)由于偏置磁場變化很小,Vout/Vin隨偏置磁場的變化規(guī)律主要由Qm決定,Vout/Vin和Qm隨偏置磁場的變化規(guī)律基本一致; 2)復(fù)合變壓器的變壓比隨壓電層所占體積比增大而增大,但則隨壓電層所占體積比增大而減小,這與Qm的變化規(guī)律一致;3)相同體積比時,稍小于ΔQm,這是由于隨偏置磁場變化的趨勢與Qm隨偏置磁場變化的趨勢相反,如圖7(b)所示.

圖6 不同體積比下復(fù)合變壓器品質(zhì)因數(shù)隨偏置磁場的變化曲線

圖7 不同體積比下復(fù)合變壓器有效機電耦合系數(shù)平方隨偏置磁場變化曲線 (a)np=0.1—0.9,(b)np=0.4時放大圖

圖8 不同體積比下復(fù)合變壓器變壓比隨偏置磁場變化曲線

5.實驗及討論

實驗時磁致伸縮材料仍選用Terfenol-D,樣品尺寸為14 mm×2 mm×1 mm,長度方向沿〈110〉晶軸取向.壓電變壓器材料選用PZT8,其電極配置和極化方向如圖3所示.壓電變壓器樣品的尺寸為15 mm×2 mm×0.8 mm,其中上表面兩電極(輸入電極和輸出電極)的間隙約為0.3 mm.在制備復(fù)合材料時,將磁致伸縮Terfenol-D和壓電材料PZT8用有機溶劑清洗干凈后,再用環(huán)氧樹脂膠粘劑按照如圖3配置將兩種樣片對稱粘結(jié)(粘合后壓電PZT8兩端分別比Terfenol-D長出0.5 mm,長出部分用于焊接電極引線).

測試復(fù)合變壓器輸出特性時采用如圖9所示的實驗系統(tǒng).信號發(fā)生器輸出一個正弦信號激勵復(fù)合變壓器.復(fù)合變壓器輸出信號首先接入一高輸入阻抗放大濾波器(Stanford SR560,輸入阻抗:100 MΩ//25 pF),消除工頻干擾后接入示波器測量得到輸出電壓.調(diào)節(jié)激勵源的頻率則可以測得輸出電壓隨頻率變化的曲線(即輸出電壓幅度譜).

圖9 復(fù)合變壓器特性測試系統(tǒng)

根據(jù)附錄A中C02的公式,可得C02=166 pF,而實驗所用高輸入阻抗放大濾波器的輸入電容Cin為25 pF,加上測試線纜雜散電容Cc的影響,實驗值要小于理論值.

從圖11可知,磁致伸縮材料磁彈性內(nèi)耗對偏置

圖10為測得的復(fù)合變壓器在不同偏置磁場下輸出電壓幅度-頻率變化曲線.測試時,輸入端激勵電壓幅度為0.5 V.顯然,復(fù)合變壓器輸出電壓幅度譜的峰值和外部偏置磁場有關(guān).進一步得到復(fù)合變壓器諧振點處的輸出電壓(峰值)-偏置磁場變化的曲線如圖11所示.根據(jù)(10)式計算得復(fù)合變壓器在幅值為0.5 V輸入激勵下諧振點處的輸出電壓-偏置磁場變化曲線如圖12所示.比較圖11和圖12可知:理論計算得到的輸出電壓幅值大約為實驗值的2.1—2.4倍(隨偏置磁場不同而有所不同),但理論計算的結(jié)果與實驗結(jié)果的變化趨勢一致,理論和實驗定性符合.理論和實驗在輸出幅度上的差異來源于如下兩個方面:1)理論計算時并未考慮膠層的影響,實際上,膠層的存在導(dǎo)致磁致伸縮層和壓電層之間非理想耦合,將引入一定的損耗,因此,復(fù)合變壓器的有效品質(zhì)因數(shù)和有效機電耦合因子的實際值小于理論值;2)在理論分析時,并沒有考慮復(fù)合變壓器輸出端所連測試線纜的雜散電容和測試儀器的輸入阻抗,如果考慮進去,則復(fù)合變壓器的等效電路變?yōu)槿鐖D13所示,其中,Cc為測試線纜的雜散電容,Cin為測試儀器的輸入電容.此時C02→C02+Cc+Cin,實驗時復(fù)合變壓器所連濾波放大器輸入電阻Rin已足夠大(100 MΩ),故(10)式可變?yōu)榇艌龅囊蕾囂匦钥捎糜谔綔y靜態(tài)或者準(zhǔn)靜態(tài)磁場.在實際應(yīng)用中,可采用一個恒定頻率和幅度的電壓信號激勵復(fù)合變壓器使其工作在近諧振狀態(tài).圖14為復(fù)合變壓器在幅度為0.5 V、頻率為97910 Hz輸入電壓激勵下,輸出電壓-偏置磁場變化曲線.比較圖11和圖14可知,兩種工作模式下的輸出電壓大小隨偏置磁場變化的特性稍有差異,這主要是由于ΔE效應(yīng)引起壓電變壓器的諧振頻率漂移引起,但是兩種工作模式下輸出電壓的變化趨勢基本一致.復(fù)合變壓器輸出電壓-偏置磁場變化呈現(xiàn)出非線性特性,在實際應(yīng)用時一般要施加偏置磁場使其工作在線性區(qū).由圖14可知,在40—100 Oe區(qū)間范圍內(nèi),復(fù)合變壓器的輸出電壓都具有較好的線性特性,此時輸出電壓對靜態(tài)磁場的靈敏度達到～5.12 mV·Oe-1.通過使用具有高變壓比的壓電變壓器和磁致伸縮材料復(fù)合,輸出靈敏度還可以進一步提高.

圖10 不同偏置下復(fù)合變壓器輸出電壓-頻率曲線

圖11 復(fù)合變壓器諧振點處輸出電壓-偏置磁場曲線

圖12 復(fù)合變壓器諧振點處輸出電壓-偏置磁場曲線(理論值)

圖13 考慮輸出端所接線纜電容和測試儀器輸入電容后,復(fù)合變壓器等效電路

圖14 固定頻率97910 Hz激勵下復(fù)合變壓器輸出電壓隨偏置磁場變化曲線

6.結(jié) 論

分析和測試了磁致伸縮Terfenol-D磁彈性內(nèi)耗與偏置場的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)超磁致伸縮材料Terfenol-D的品質(zhì)因數(shù)強依賴于磁場,利用該特性設(shè)計了一種可用于探測靜態(tài)或者準(zhǔn)靜態(tài)磁場的磁致伸縮/壓電復(fù)合變壓器.由于磁致伸縮/壓電復(fù)合變壓器的變壓比正比與其品質(zhì)因數(shù),并且品質(zhì)因數(shù)強依賴于靜態(tài)磁場,復(fù)合變壓器的輸出電壓依賴于偏置磁場.采用Terfenol-D和壓電材料PZT8制作了Terfenol-D/PZT8復(fù)合變壓器進行了實驗,實驗結(jié)果和理論分析結(jié)果定性符合.通過施加一穩(wěn)態(tài)偏置磁場使其工作在線性區(qū),在幅度為0.5 V輸入電壓激勵下復(fù)合變壓器輸出電壓對靜態(tài)磁場的靈敏度達到～5.12 mV·Oe-1.

附錄A

復(fù)合變壓器結(jié)構(gòu)對稱,建立如圖A1所示的坐標(biāo)系.考慮到復(fù)合變壓器輸入端和輸出端在連接處(圖A1中坐標(biāo)原點位置)位移和作用力連續(xù),再根據(jù)等效電路法[18],可以得到磁電伸縮/壓電疊層復(fù)合變壓器的等效電路如圖A2所示,其中npρp+ρmnm,k=ω/v;是磁致材料沿著長度方向的柔順性系數(shù),分別是壓電材料的柔順系數(shù)、壓電常數(shù)以及介電常數(shù),ρp和ρm分別是壓電材料和磁致伸縮材料的密度,A=Am+Ap為疊層材料橫截面積,Am=tmw和Ap=tpw分別為磁致伸縮層和壓電層的橫截面積,tm和tp分別為磁致伸縮層和壓電層的厚度,w為疊層材料的寬度.˙u1和˙u2分別是兩端面處的振動速度,F1和F2分別為兩端面處的作用力.

圖A1 復(fù)合壓電變壓器坐標(biāo)示意圖

圖A2 復(fù)合變壓器機電等效電路

圖A3 自由邊界條件下輸入端短路時的等效電路

在自由邊界條件下(F1=F2),并且壓電變壓器輸入端短路時,圖A2等效電路可進一步簡化為圖A3所示的等效電路,其中阻抗Z的表達式為

根據(jù)圖A3,輸出端導(dǎo)納為

當(dāng)Y→∞時,對應(yīng)的頻率近似為機械諧振頻率(串聯(lián)諧振頻率)fs,此時要求tanksl→∞,由此可得

當(dāng)Y=0時對應(yīng)的頻率近似為并聯(lián)諧振頻率fp,此時有

聯(lián)立(A3)和(A4)式可得

其中Δf=fp-fs.

則(A6)式可化為

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PACC:0755,7580,7590

The field dependence ofmagnetoelastic damping in magnetostrictive material and its application in the magnetic field sensing＊

Bian Lei-Xiang Wen Yu-Mei?Li Ping

(Key Laboratory forOptoelectronic Technology&Systems of M inistry of Education,College of Optoelectronic Engineering,
Chongqing University,Chongqing 400044,China)

23 March 2009;revised manuscript

22 June 2009)

The magnetoelastic damping in magnetostrictive material is investigated.It is noted that the quality factor(the inverse measure of damping)of giant magnetostrictive material Terfenol-D is strongly dependent on bias direct current (DC)magnetic field.Taking advantage of the DC field dependence of magnetoelastic damping in magnetostrictive material,a DC or quasistatic magnetic sensor is proposed.The sensor is designed as a composite piezoelectric transformer (CPT)which is fabricated by bonding magnetostrictive material and piezoelectric transformer in layers.Theoretical analysis shows that the output voltage of the CPT is directly proportional to the quality factor of the CPT.Therefore,the output voltage of the CPT also strongly depends on DC field due to the strong field dependence effect of quality factor in magnetostrictive material.In addition,theΔEeffect of magnetostrictive material has little influence on the magnitude of the output voltage.A Terfenol-D/PZT8 composite transformer is fabricated for experiment.The experimental results show that the output sensitivity to DC field achieves～5.12 mV·Oe-1when the CPT is driven near resonance by an AC voltage with amplitude of 0.5 V.

magnetic sensing,magnetoelastic damping,piezoelectric transformer,magnetostrictive material

＊國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(批準(zhǔn)號:2007AA12Z132)、國家自然科學(xué)基金重點項目(批準(zhǔn)號:50830202)和國家自然科學(xué)基金委員會與中國工程物理研究院NSAF聯(lián)合基金(批準(zhǔn)號:10776039)資助的課題.

?通訊聯(lián)系人.E-mail:ymwen@cqu.edu.cn

＊Project supported by theNationalHigh TechnologyResearch andDevelopment Program ofChina(GrantNo.2007AA12Z132),the Key Program of the NationalNatural Science Foundation of China(GrantNo.50830202),and the Joint Fund of the NationalNatural Science Foundation of China and the China Academy of Engineering Physics(GrantNo.10776039).

?Corresponding author.E-mail:ymwen@cqu.edu.cn