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压电/压磁叠层复合材料换能特性研究

作　者: 黄娴
导　师: 李平
学　校: 重庆大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 磁电层合材料磁弹性内耗谐振频率预应变
分类号: TB33
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

磁电材料在传感器、换能器、存储器等领域具有广泛的应用前景。压电材料与磁致伸缩材料组成的叠层复合材料由于制备简单、磁电转换效率高,成为近些年的研究热点。分析磁致伸缩材料的磁弹性损耗特性,运用磁弹性内耗随磁场变化这一性质设计一种可进行静态磁场测量的磁电换能结构。该换能器为由压电/压磁叠合而成的PZT8/Tenfenol-D/PZT8三明治结构,以变压器方式工作:其中的一层压电片作为激励层,另一层作为输出层,当激励层输入交流电压时,输出层输出相应的交流电压。根据输出电压幅值与静态磁场的变化关系,实现对静态磁场的探测。分析层合结构在变压器方式工作时的振动模式;推导了表征输入输出电压关系的机电等效电路;得到了输出电压与机械品质因素、激励电压的依赖关系;测量了输出电压与激励电压频率、幅值关系;测试了不同激励电压大小时的磁灵敏度。以PMPMP五层层合结构为例,讨论了多层结构中不同激励方式和输出连接方式对输出电压幅值的影响。实验表明:1)与弯振模式相比,纵振模式下输出电压对静磁场的探测能力更强;2)偏置磁场一定,激励电压为2Vpp时,纵振输出电压对静磁场的灵敏度达22.6mV/Oe;3)输入电压越大,输出电压也越大,磁灵敏度也越大。依据磁致伸缩材料的ΔE效应,弹性模量可随材料的应力发生变化,利用该特性,研究了一种针对磁电层合材料的谐振频率控制方法。以压电/压磁层合结构PZT5/Tenfenol-D/PZT8为研究对象,根据逆压电效应,用压电驱动层的直流电压调整磁电层合结构的预应变。由于谐振频率大小与其弹性模量有关,而弹性模量又随应力/应变而改变,所以调节压电层的直流电压即可对谐振频率进行控制。分析了压电驱动层直流电压与磁电层合结构端部的应变关系。运用压电材料和磁致伸缩材料的本构方程,分别得到了磁电层合结构的一阶纵振频率及谐振磁电电压系数与弹性模量的函数关系。分析应力对弹性模量的影响,得到了可证明直流电压对谐振频率产生控制作用的公式。构建实验系统,测试和分析了层合结构的谐振频率、磁电电压系数以及两者与压电驱动层直流电压之间的关系。实验表明:1)偏置磁场一定,在压电驱动层极化方向施加-170V～170V的直流电压时,层合结构谐振磁电电压系数变化不大,一阶纵振频率的变化幅度达1KHz;2)直流电压与谐振频率之间近似为线性关系;3)偏置磁场为0Oe～225Oe时,直流电压对一阶纵振频率的控制幅度不受偏置磁场大小的影响。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-16
  1.1 研究背景及意义  8-9
  1.2 磁传感器研究现状  9-10
  1.3 磁电复合材料研究现状  10-13
  1.4 磁电复合材料理论分析方法  13-14
  1.5 存在的问题  14
  1.6 本论文主要研究内容  14-16
2 压电材料与磁致伸缩材料特性  16-27
  2.1 压电材料  16-20
    2.1.1 压电效应  16-17
    2.1.2 压电材料物理参数与损耗  17-19
    2.1.3 压电振子本构方程  19
    2.1.4 压电振子等效电路  19-20
  2.2 磁致伸缩材料  20-26
    2.2.1 磁致伸缩效应  20-22
    2.2.2 磁致伸缩材料物理参数  22-23
    2.2.3 磁致伸缩材料本构方程  23
    2.2.4 磁致伸缩材料内耗特性  23-24
    2.2.5 磁致伸缩材料应力特性  24-26
  2.3 小结  26-27
3 压电/压磁层合变压器的静磁场换能特性  27-45
  3.1 概述  27-28
  3.2 压电/压磁层合变压器结构制备与工作原理  28-30
    3.2.1 层合变压器结构  28-29
    3.2.2 工作原理  29-30
  3.3 PMP 层合变压器输出电压与偏置磁场的关系  30-35
    3.3.1 弯曲振动与纵向伸缩振动的谐振频率计算  30-31
    3.3.2 PMP 层合变压器的等效电路模型推导  31-34
    3.3.3 PMP 的磁弹性阻尼效应  34-35
  3.4 PMP 层合变压器实验  35-39
    3.4.1 实验测试系统  35
    3.4.2 实验结果与分析  35-39
  3.5 PMPMP 层合变压器  39-44
    3.5.1 PMPMP 的输入和输出连接方式  39-40
    3.5.2 PMPMP 层合变压器实验  40-44
  3.6 小结  44-45
4 压电/压磁叠层复合结构谐振频率控制方法  45-61
  4.1 概述  45-46
  4.2 层合磁电换能结构制备与工作原理  46-47
  4.3 谐振频率控制理论分析  47-53
    4.3.1 预应变控制  48
    4.3.2 谐振频率与弹性模量关系  48-50
    4.3.3 谐振磁电电压系数与弹性模量关系  50-51
    4.3.4 弹性模量与应力/应变关系  51-52
    4.3.5 谐振频率与直流电压关系  52-53
  4.4 实验与讨论  53-59
    4.4.1 实验测试系统  53-54
    4.4.2 实验结果与讨论  54-59
  4.5 小结  59-61
5 总结  61-63
  5.1 完成的主要工作  61-62
  5.2 进一步的工作与展望  62-63
致谢  63-64
参考文献  64-70
附录硕士期间发表论文  70

压电/压磁叠层复合材料换能特性研究

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