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一种基于磁电层合材料的新结构大电流传感器

电工技术学报 2016年第23期31卷 70-76页

作者：卢诗华于歆杰楼国锋电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系) 北京100084

设计并实现了一种新结构的大电流传感器,其核心是由PZT压电材料和Terfenol-D磁致伸缩材料构成的圆片形磁电层合材料,配合铁氧体磁环,可较准确地测量几安到几百安范围内的工频电流。该电流传感器的结构设计具有无需直接接入主电路、无需... 详细信息

设计并实现了一种新结构的大电流传感器,其核心是由PZT压电材料和Terfenol-D磁致伸缩材料构成的圆片形磁电层合材料,配合铁氧体磁环,可较准确地测量几安到几百安范围内的工频电流。该电流传感器的结构设计具有无需直接接入主电路、无需额外提供电源的优点,可以随时装卸,便于安装和维护。试验测试得到该电流传感器的电流测量灵敏度为0.058 5 V/A,并具有一定的可靠性。这种新型的大电流传感器具有继续研究的价值和应用潜力。

关键词：磁电效应磁电层合材料大电流传感器

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一种用于电流检测的长片形磁电层合材料

电工技术学报 2015年第10期30卷 26-30页

作者：文超于歆杰李臻清华大学电机系电力系统国家重点实验室北京100084

设计并实现了一种以Terfenol-D磁致伸缩材料和PZT压电材料为基础而构成的,用于检测交流电流的长片形磁电层合材料。这种层合材料的结构设计具有无需接入电路的优点,便于安装和维护。对该材料进行了若干实验,测试了其输出电压随输入电流... 详细信息

设计并实现了一种以Terfenol-D磁致伸缩材料和PZT压电材料为基础而构成的,用于检测交流电流的长片形磁电层合材料。这种层合材料的结构设计具有无需接入电路的优点,便于安装和维护。对该材料进行了若干实验,测试了其输出电压随输入电流幅值与频率的变化规律。该材料在实验中得到了0.401mV/mA的电流测量灵敏度。材料能够在毫安至安培级的电流检测范围内和30F{z至1kHz频率范围内输出稳定的电压。这种基于长片形磁电层合材料的电流检测方案具有重要的继续研究价值和应用潜力。

关键词：磁电效应磁电层合材料电流检测电压-电流/频率特性

磁电层合材料器件中预应力控制下的磁—力—电耦合效应研究

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磁电层合材料器件中预应力控制下的磁—力—电耦合效应研究

作者：欧小伟中国计量学院

学位级别：硕士

磁电效应（ME）是指材料中由外加磁场产生电场或由外加电场感生磁场，前者称为正磁电效应（DME），后者称逆磁电效应（CME）。磁电材料由于具有磁电效应而受到人们越来越多的关注，利用磁电材料制作的传感器、执行器、滤波器、移相器、... 详细信息

磁电效应（ME）是指材料中由外加磁场产生电场或由外加电场感生磁场，前者称为正磁电效应（DME），后者称逆磁电效应（CME）。磁电材料由于具有磁电效应而受到人们越来越多的关注，利用磁电材料制作的传感器、执行器、滤波器、移相器、谐振器等多种器件在现代电子器件小型化、多功能化发展的今天有着广阔的应用前景。与颗粒磁电材料相比，磁致伸缩材料和压电材料组成的层合磁电材料具有更大的磁电效应，结构更简单，在一些磁电器件中更具实用价值。研究其磁电耦合，尤其是预应力控制下的磁电耦合效应能为设计基于磁电层合材料的高精度、小型化器件提供理论依据。本文首先采用一个能完整描述超磁致伸缩材料中复杂力磁耦合特点的非线性磁致伸缩本构关系，建立起了低频下超磁致伸缩材料动态材料常数（如，杨氏模量、压磁系数及磁导率等）的显式表述。利用该显式模型可以有效预测出超磁致伸缩材料不同预应力和偏磁场水平下的材料常数的变化特征，尤其是可以很好的描述E效应。之后，将该模型预测的随外磁场与预应力变化的动态材料常数值与实验测量结果作对比，结果发现二者在定量上和定性上均吻合良好，证实了本文所建立的显式模型的有效性，该显式模型可以为通过设置合理的外加偏置条件来研制高性能的超磁致伸缩器件（如执行器、传感器、电子器件等）提供必要的理论依据。在建立了超磁致伸缩材料动态材料常数模型的基础上，进一步分析了MPM（磁致伸缩层/压电层/磁致伸缩层）三层磁电材料的低频状态和谐振状态磁电耦合情况。先利用等效电路法建立起层合结构的磁-机-电等效电路，根据电路得到磁电系数的表达式，由表达式可以清晰地看到磁电系数与外加偏置磁场、预应力和M层体积比三者有较强的非线性关系。将前面的到的动态材料常数代入磁电系数表达式而得到的结果与实验值能吻合良好，证实了公式的正确性。然后预测了磁电系数在不同偏磁场、预应力和体积比下的变化情况，可以看到存在一个最优的偏置磁场和体积比;同时，压缩预应力值越小，或者拉应力值越大时，磁电耦合效应越大，对应最大磁电耦合时的偏磁场越小。因此可以利用预应力提高器件性能，减少器件所需外加磁线圈，实现小型化。

关键词：磁电效应磁电层合材料动态材料常数谐振磁电效应磁-力-电耦合

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磁电层合材料的磁电双峰效应研究及器件设计

磁电层合材料的磁电双峰效应研究及器件设计

作者：陈晴中国计量学院

学位级别：硕士

以巨磁致伸缩材料Terfenol-D与压电材料PZT等复合而成的磁电层合结构由于具有强磁电耦合效应近年来成为一个研究热点。低频状态下，当外加交变磁场频率达到层合结构的固有振动频率时，层合结构处于谐振状态，磁电耦合效应大大加强。由... 详细信息

以巨磁致伸缩材料Terfenol-D与压电材料PZT等复合而成的磁电层合结构由于具有强磁电耦合效应近年来成为一个研究热点。低频状态下，当外加交变磁场频率达到层合结构的固有振动频率时，层合结构处于谐振状态，磁电耦合效应大大加强。由于磁电复合材料的复杂非线性磁力电耦合效应，磁电效应随磁场的变化曲线出现双峰现象，尚且没有完善的理论模型可以解释。此外，在谐振磁电耦合过程中，存在磁损耗、电损耗、机械损耗等，尤其是机械损耗，大大减弱了磁电耦合效应的强度。微波频段下，磁电层合材料主要是用来制备磁电可调的微波器件，以满足工作频段可选的需求。针对上述问题，本文开展了以下工作：首先，针对谐振状态下L-T模式Terfenol-D/PZT/Terfenol-D磁电层合结构的机械损耗随磁场非线性变化的实验现象，采用一个能完整描述超磁致伸缩材料中复杂力磁耦合特点的非线性磁致伸缩本构关系，采用等效电路法，建立起了一个同时考虑静磁场和预应力影响的磁电层合结构的非线性机械损耗模型。通过该理论模型预测的有效机械损耗、谐振/反谐振频率随外加磁场变化的结果都与实验测量结果在定量上和定性上均吻合良好，证明本文所建模型具有一定的有效性与可靠性。在此基础上，通过该模型预测预应力对机械损耗的影响，在小于零偏磁场谐振频率时，选择小于临界谐振磁场的偏磁场实现谐振可以有效降低机械损耗，在频率98.9kHz时机械损耗减小了62.1%。在大于零偏磁场谐振频率时，选择施加预压应力可以有效降低机械损耗，在频率103kHz时加-18Mpa的压应力机械损耗减小了51.2%。其次，针对L-T模式磁电层合材料在谐振状态下出现双峰磁电效应的实验现象，在建立了的磁-机-电谐振等效电路基础上，根据欧姆定律，给出综合考虑预应力、静磁场、交流磁场频率、非线性机械损耗的磁电转换系数表达式。通过该理论模型预测了不同谐振频率下磁电电场系数与静磁场的变化曲线，以及不同静磁场下磁电电场系数与谐振频率的变化曲线，并与实验结果进行对比，发现在谐振频率为10025kHz时理论预测结果与实验测量结果在定量与定性上均吻合良好，证明了该理论模型的有效性与可靠性。在此基础上，进一步预测了预应力对磁电效应双峰现象的影响，结果发现：随着预应力的增大，磁电系数中由压磁系数控制的第一个峰与由杨氏模量控制的第二个峰逐渐合并到一起，磁电效应双峰现象消失，整组磁电效应曲线出现“翻转”现象。特别是，无论是施加压应力还是施加拉应力都能提高双峰磁电效应中较小磁场对应峰的峰值，其中，拉应力的效果更为显著。最后，针对磁电层合材料在微波频段应用的突出优点，设计了一款以YIG/PZT磁电层合材料为基底的磁电双可调带通滤波器，并利用高频仿真软件Ansoft HFSS建立起了该滤波器的数值分析模型。仿真结果显示，以3GHz微波信号频段为例，滤波器的工作频率在2.9-4.2GHz内磁可调性偏移带外抑制最大达到了-20dB;当外加磁场保持100Oe不变时，其电场E在-10kV/cm至10kV/cm范围内存在近似线性的电可调特性。

关键词：磁电层合材料非线性机械损耗双峰磁电效应动态材料常数磁-力-电耦合效应磁电可调带通滤波器

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

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自动化与仪器仪表 2022年第5期 194-196,209页

作者：王景琦王楠夏明强鲁彩江曹中清张紫嫣西南交通大学机械工程学院成都610031 轨道交通运维技术与装备四川省重点实验室成都610031 重庆川仪自动化股份有限公司重庆4000700

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... 详细信息

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。

关键词：分芯式电流传感器磁电层合材料小电流监测工频电流

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磁电层合大电流传感器的改进和性能分析

电工技术学报 2017年第19期32卷 90-99页

作者：卢诗华于歆杰楼国锋电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系) 北京100084

对一种现有的磁电层合大电流传感器做了参数优化和改进。通过优化磁路设计、合理设置直流偏磁和扩大磁环气隙等方式,解决了原有传感器的测量波形失真问题,使其可以输出与待测交流电流具有线性幅值关系、波形形状一致的电压信号。试验测... 详细信息

对一种现有的磁电层合大电流传感器做了参数优化和改进。通过优化磁路设计、合理设置直流偏磁和扩大磁环气隙等方式,解决了原有传感器的测量波形失真问题,使其可以输出与待测交流电流具有线性幅值关系、波形形状一致的电压信号。试验测试表明,在测量700 A以内的待测电流时,改进后的电流传感器具有4.5 m V/A的电流测量灵敏度,在频率40~1 500 Hz范围内有平坦的输出,并具有一定的抗干扰能力。

关键词：磁电效应磁电层合材料大电流传感器

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基于非位移检测的串联同步开关电感电路

电工技术学报 2016年第2期31卷 25-30页

作者：于歆杰周新生清华大学电机工程与应用电子技术系电力系统国家重点实验室北京100084

在能量收集领域,传统的同步开关电感(SSHI)技术需要检测压电片的位移,无法应用于磁电层合材料能量收集器。针对这一问题,在考虑损耗项的磁电层合材料电气模型的基础上,依据振动同相原理和压电电压方程,提出一种利用辅助电极的开路电压... 详细信息

在能量收集领域,传统的同步开关电感(SSHI)技术需要检测压电片的位移,无法应用于磁电层合材料能量收集器。针对这一问题,在考虑损耗项的磁电层合材料电气模型的基础上,依据振动同相原理和压电电压方程,提出一种利用辅助电极的开路电压信号来确定主电极等效电流源的过零时刻的方法,以电压检测代替传统的位移检测,实现了串联SSHI技术。实验结果表明,与相同条件下的标准能量收集电路(SEH)相比,最大收集功率提高了60%以上。

关键词：磁电层合材料能量收集同步开关电感无线电能传输

基于自偏置磁-机-电耦合效应的电流传感器研究

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传感技术学报 2019年第1期32卷 62-66页

作者：吴宇杨爱超欧正宇鲁彩江周海朱忍忍高宏力国网江西省电力有限公司电力科学研究院南昌330006 西南交通大学机械工程学院机电测控系成都610036

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... 详细信息

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。

关键词：电流传感器磁电层合材料自偏置电流监测

耦合带磁电可调滤波器的等效电路建模及器件设计

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耦合带磁电可调滤波器的等效电路建模及器件设计

作者：朱锋杰中国计量学院

学位级别：硕士

多铁性磁电层合材料基于磁致伸缩相的铁磁共振效应和压电相的电致伸缩效应，可以实现外加磁场大范围调节铁氧体的铁磁共振频率和外加电场小范围内精确调节铁磁共振频率。将磁电层合材料与传统的微波器件相结合，可以实现磁电双可调的微... 详细信息

多铁性磁电层合材料基于磁致伸缩相的铁磁共振效应和压电相的电致伸缩效应，可以实现外加磁场大范围调节铁氧体的铁磁共振频率和外加电场小范围内精确调节铁磁共振频率。将磁电层合材料与传统的微波器件相结合，可以实现磁电双可调的微波器件如磁电可调滤波器、谐振器、移相器、延迟线等。这种新型磁电双可调微波器件具有体积小，功耗小，调节速度快的优点。磁电多铁性材料因其在新型多功能磁电器件和设备应用中的优越性，引起了研究人员的极大兴趣，使其成为近些年研究的新兴方向。虽然在微波磁电层合材料的制作工艺，磁电耦合机理，以及其在磁电可调微波器件中的应用等方面有了许多研究，仍有以下问题值得探讨：首先，如何根据用户需求设计灵活性高，复杂性高的微波器件成为了一个有待解决的重要问题。其次，在微波器件的设计中，由于磁电层合材料的薄膜制作工艺复杂，造价较贵，为了降低实验成本、确定磁电层合材料和器件尺寸，这都需要对器件开展仿真。然而，普遍的电磁场仿真计算量繁重而且耗时冗长，这就需要一种新的分析方法，可以快速的对器件性能预判评估和优化，预测磁电双可调微波器件的磁，电可调谐振特性。针对以上问题，本文开展以下工作：首先，本文基于铁磁共振机理和磁电耦合效应，考虑压电层的影响，引入磁电层合材料与耦合微带线之间的耦合因子，分别针对由单块磁电层合材料与两条耦合带构成的磁电可调带通滤波器，建立了集总等效电路模型。使用该集总等效电路模型分析磁电双可调滤波器中电、磁双重调节铁磁共振频率漂移现象，其结果与实验结果和电磁场仿真结果相比，在定性上还是定量上都具有较好的一致性，从而验证了该集总等效电路的有效性。在此基础上，通过该集总等效电路，预测和分析了外加电场，层合材料尺寸，微带线尺寸，微带线与层合材料间的距离对滤波器性能的影响。其次，在基于单块磁电层合材料的磁电双可调带通滤波器集总等效电路的基础上，构建了基于多块磁电层合材料的磁电双可调带通滤波器和磁电双可调多通带滤波器的集总等效电路。选取基于两块磁电层合材料的滤波器作为研究对象，通过该集总等效电路预测和分析了滤波器的通带特性，并通过与电磁仿真结果相比较验证了该集总等效电路的有效性。并基于该集总等效电路分析了滤波器通带频率，通带带宽的磁，电双可调特性。此外，基于磁电耦合效应和铁磁共振效应，通过将磁电层合材料与普通的耦合微带线滤波器相结合设计了一款应用于2-10GHz频段的磁电双可调双通带滤波器。通过HFSS仿真平台进行对其性能进行预测分析，结果表明滤波器通带性能良好，带外抑制大。该滤波器与传统带通滤波器相比，大大提高器件的灵活性，同时具有小，高效率，低能耗等优点，因此具有良好的应用前景。

关键词：磁电层合材料铁磁共振效应等效电路磁电双可调滤波器