專利名稱：具有能量匯聚的復合磁電換能器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種"磁一機一電"能量轉換技術，尤其涉及一種具有能量匯聚的復合磁電換 能器。
背景技術：
ti然界和宇宙萬物之中，磁場無處不在，磁性是物體的最基本特性之一。隨著現代科學 技術的飛速發展和對亍事物本質特性認識的不斷深入，磁電換能器，特別是高效率磁電換能 器作為高靈敏磁傳感器和高效磁電自供能的關鍵和核心，已滲透于現代技術的各個領域中， 愈來愈引起人們關注。采用磁電換能器的磁傳感器是目前應用量最大的傳感器產品之一，廣 泛應用于國民經濟各個領域。目前較為成熟的高靈敏磁場探測主要采用磁通門磁強計和超導 量子干涉磁場測量儀(SQUID)。但是，目前的高靈敏度磁傳感器由于價格昂貴，體積較大， 對于環境、工作條件要求非常嚴格(如磁通門需線圈/天線，SQUID需制冷等)，需要外加電 源或者驅動，從而限制了其應用。因此，無源高效率磁電換能器的研制是解決上述問題的關 鍵。
磁電"自供能/電"或"能量采集"則是將環境中的磁電能量轉化為電能，為電子系統供能。 但是，自然界的電磁波能流密度通常小于10pW/cm2，不同的頻段的電磁能量密度相差很大， 要利用如此弱的電磁波能量供電是非常困難的。因此，高效的無源磁電換能器也是實現在自 然環境屮磁電自供能的基礎。
上世紀70年代，Shuitesin首先提出鐵電-鐵磁人工復合材料，其后很多材料學家參與到 這一領域中來。據此，上世紀卯年代末和本世紀初，研究者開始研究性能和成本更具有優勢 的采用復合磁電材料的磁傳感器。壓電材料如壓電單晶等材料，具有較高的機電耦合系數， 超磁致伸縮材料如Terfenol-D是目前伸縮量最大的材料之一，二者結合可以實現磁場能量到 電能量的轉換，作為敏感元件，即使沒有電源供電，也可以直接得到電信號輸出。近幾年來， 國內外研究者不斷采用新的壓電材料與超磁致伸縮材料復合，取得許多令人振奮的進展。但 是，截止目前，本領域研究者的研究方向則主要集中于希望通過改善材料的自身特性來提高 磁電轉化效率。然而，由于現有材料自身特性的限制，復合材料結構的品質因素低，能量轉 換過程中的損耗較高，如果僅僅通過材料的自身特性的改善，很難通過材料直接復合進一步 大幅度提高磁電效應，也難于制作出高靈敏、高效率的磁電換能器。
發明內容
本發明提出了一種具有能量匯聚的復合磁電換能器，該復合磁電換能器由一個變幅桿和 一個磁致伸縮材料片以及多個壓電單晶片構成；磁致伸縮材料片粘貼在變幅桿的重心位置上； 壓電單晶片粘貼在磁致伸縮材料片兩端的變幅桿振動最大位置；壓電單晶片與磁致伸縮材料 片之間絕緣；變幅桿在自身長度方向重心線上固定。變幅桿由高磁導率的鈹青銅、石英或者Si02構成；變幅桿的形狀可以是階梯形、楔形、 指數形、懸鏈線形或圓錐形。
本發明的有益技術效果是提高能量的收集和轉化效率，使得換能器輸出提高。
圖l、階梯形變幅桿l結構的磁電換能器結構示意圖；
具體實施例方式
針對背景技術中介紹的問題，發明人考慮在現有的"磁一機"轉換材料和"機一電"轉換材 料的基礎h，通過改變能量的收集和傳輸方式，來進一歩提高磁電換能器的輸出和效率；正 是基于甜述的研究思路，發明人經過潛心研究提出了本發明的具有能量匯聚的復合磁電換能器。
下面以階梯形變幅桿1結構的磁電換能器為例對本發明方案進行闡述。
參見附圖1，階梯形變幅桿1結構的磁電換能器，其結構為它由一個階梯形的變幅桿1、 一片矩形超磁致伸縮材料片2 (Terfenol-D)和3片矩形壓電單晶片3 (PMN-PT)構成；超 磁致伸縮材料片2粘貼在變幅桿1重心位置上；理論上，壓電單晶片3粘貼在變幅桿1上振 動最大(即應力最大，值得說明的是，應力最大的位置一般都不是形變最大的位置)位置即 可，但是，為了進一步提高能量采集的效率，在此例中的變幅桿1上設置了 3片壓電單晶片 3， 3片壓電單晶片3分別貼在變幅桿1的右端(貼1片)和左端(貼2片，并且沿變幅桿1 縱向順次排列)；Hi電單晶片3之間以及壓電單晶片3與超磁致伸縮材料片2之間絕緣；變幅 桿1的縱向重心線即為固定位置。
超聲聚能器結構是將能量匯聚、振幅放大的關鍵，變幅桿1 (亦稱變截面桿)本身就是 一種超聲聚能機構，它的基本原理就是將變幅桿I大截面處產生的能量聚集到更小的截面上， 以增加能量密度，產生聚能作用。變幅桿1的放大倍數與大端和小端的面積比及變幅桿1的 形狀有關，根據材料特性和工作頻率不同，可以采用不同形狀的變幅桿1。本例所述及的階 梯形變幅桿1是可選用的對稱變幅結構中的一種；變幅桿1在將振動能量匯聚的同時，由于 具有很奵的對稱性，使得能量傳遞時的損耗很小。此外，變幅桿1還可以作為機械阻抗變換 器，在換能器和負載之間搭起橋梁，進行阻抗匹配，使電磁激勵得到的機械振動能暈更有效 傳遞到壓電材料上。因此，變幅桿1能夠在磁-機-電轉化中對機械振動進行累積和匯聚，提 高磁電耦合系數和磁場靈敏度。
壓電單晶片3的作用是將變幅桿1在超磁致伸縮材料片2作用下產生的機械掁動能量轉 化為電能輸出，理論上將壓電單晶片3粘貼在變幅桿1振動最大位置，就可以獲取更大的電 能輸出，也可在非振動最大位置多貼幾片，通過電信號輸出串聯，提高響應電壓，提高能量 轉化的效率。
權利要求
1、一種具有能量匯聚的復合磁電換能器，其特征在于該復合磁電換能器由一個變幅桿(1)和一個磁致伸縮材料片(2)以及多個壓電單晶片(3)構成；磁致伸縮材料片(2)粘貼在變幅桿(1)的重心位置上；壓電單晶片(3)粘貼在磁致伸縮材料片(2)兩端的變幅桿(1)振動最大位置；壓電單晶片(3)與磁致伸縮材料片(2)之間絕緣；變幅桿(1)在自身長度方向重心線上固定。
2、 根據權利要求1所述的具有能量匯聚的復合磁電換能器，其特征在于變幅桿(1) 由鈹青銅、石英或者Si02構成；變幅桿(1)的形狀可以是階梯形、楔形、指數形、懸鏈線形或圓錐形。
全文摘要
本發明公開了一種具有能量匯聚的復合磁電換能器，該復合磁電換能器由一個變幅桿和一個磁致伸縮材料片以及多個壓電單晶片構成；磁致伸縮材料片粘貼在變幅桿的重心位置上；壓電單晶片粘貼在磁致伸縮材料片兩端的變幅桿振動最大位置；壓電單晶片與磁致伸縮材料片之間絕緣；變幅桿在自身長度方向重心線上固定。本發明的有益技術效果是提高能量的收集和轉化效率，使得換能器輸出提高。
文檔編號H02N2/00GK101594070SQ20091010421
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月30日 優先權日2009年6月30日
發明者文玉梅, 平 李 申請人:重慶大學