本實用新型屬于多鐵性磁電材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種降低振動噪聲的磁電傳感器敏感元件。

背景技術(shù)：

磁電型磁傳感器是探測磁場的重要器件，隨著傳感器的發(fā)展，對于超靈敏可探測弱磁信號的傳感器的需求日益增多，多重推拉模式的磁傳感器在1Hz下最佳靈敏度可達5pT/√Hz。抑制環(huán)境振動是弱磁信號探測的關(guān)鍵，成為制作超靈敏磁傳感器的技術(shù)難題之一，在實際應(yīng)用中尤為突出，因為超低頻弱磁探測的應(yīng)用環(huán)境往往伴隨著相近頻率的振動噪聲信號，真實低頻磁場響應(yīng)信號被低頻的振動信號所淹沒，難以實現(xiàn)對弱磁信號的探測。

為了降低環(huán)境振動對磁電傳感器探測靈敏度的影響，采用差分補償結(jié)構(gòu)是目前使用的主要技術(shù)手段。采用四端輸出，利用振動信號同相位、磁電信號反相位或者利用振動信號反相位、磁電信號同相位，然后利用差分的原理，消除振動信號而提高磁電有用信號。從以上技術(shù)手段的工作原理分析可知，這種差分原理對振動信號和磁電響應(yīng)信號的相位要求非常嚴格，器件制作的可重復(fù)性不高，能夠?qū)崿F(xiàn)差分原理的器件成功率不高，因此制作成本較高，實際應(yīng)用效果不明顯。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是針對傳統(tǒng)平板三明治結(jié)構(gòu)的磁傳感器易被環(huán)境振動噪聲影響問題，提供一種在不降低磁電信號的同時，簡單有效的降低環(huán)境振動噪聲對傳感器靈敏度影響的傳感器結(jié)構(gòu)。

為了實現(xiàn)本實用新型的目的提供的解決方案如下：

該磁電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)敏感元件設(shè)置為用于降低外部振動，具體為：將依次設(shè)置的第一磁致伸縮材料層、壓電材料層、第二磁致伸縮材料層彎曲為三明治空間層狀的曲面結(jié)構(gòu)。

該磁電傳感器敏感元件還包括：壓電纖維組成的壓電材料層上下表面均粘有叉指電極柔性電路板，在上下表面叉指電極柔性電路板上引出用以給壓電材料層通電極化和輸出信號的兩根導(dǎo)線。第一磁致伸縮材料層，壓電材料層，第二磁致伸縮材料層各層之間通過環(huán)氧樹脂粘結(jié)構(gòu)成磁電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。叉指電極柔性電路板通過環(huán)氧樹脂粘接至壓電纖維上。

優(yōu)選地，所述磁致伸縮材料層用的材料為非晶態(tài)合金Metglas。

優(yōu)選地，所述壓電材料層用的壓電纖維材料為PMN-PT、PZT、LiNbO3、BaTiO3等壓電材料。

優(yōu)選地，環(huán)氧樹脂為室溫固化的雙組分膠粘劑。

優(yōu)選地，環(huán)氧樹脂粘結(jié)過程中通過圓柱體的模具固定，通過真空壓縮機抽氣封裝固化。

本實用新型相對于現(xiàn)有技術(shù)相比，具有顯著優(yōu)點如下：

(1)該敏感原件結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，可批量生產(chǎn)且成功率高；

(2)該敏感原件通過改變結(jié)構(gòu)形狀在運用在磁電傳感器中降低外部環(huán)境噪聲方面有顯著的效果；

(3)本實用新型中的敏感原件可保持傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)敏感元件的磁電系數(shù)。

附圖說明

圖1(a)是本實用新型中磁電傳感器敏感元件、圖1(b)是磁電傳感器及壓電材料層的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實用新型元件振動噪聲電壓信號的頻譜圖。

圖3是本實用新型元件振動噪聲電壓信號的頻譜圖在100Hz左右頻率范圍內(nèi)的放大圖。

圖4是本實用新型元件100Hz下的噪聲波形圖。

圖5是本實用新型元件在準靜態(tài)下磁電系數(shù)隨偏置磁場的變化曲線。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，特結(jié)合本實施例中的附圖，對本實用新型中降低振動噪聲磁電傳感器敏感元件結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案進行清楚完整的描述：

該降低外部振動影響的磁電復(fù)合物彎曲結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示及其壓電材料層如圖1(b)所示，

具體結(jié)構(gòu)如下：

將依次設(shè)置的第一磁致伸縮材料層1、壓電材料層2、第二磁致伸縮材料層3彎曲為三明治空間層狀的曲面結(jié)構(gòu)；

該磁電傳感器敏感元件還包括：壓電纖維5上下表面粘有叉指電極柔性電路板4，6，組成壓電材料層2，從電極柔性電路板4，6上引出用以給壓電材料層2通電極化和輸出信號的兩根導(dǎo)線7，8；

實施例1

基于上述的磁電傳感器敏感元件結(jié)構(gòu)制作曲率半徑為5cm的磁電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)敏感元件，該磁電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制備方法如下：

選用PbZrO₃-(1-x)PbTiO₃陶瓷制作壓電纖維材料5，采用三層Metglas帶狀合金制作磁致伸縮材料層1和3。每根壓電纖維的尺寸為40×2×0.2mm³，在本實施例中選取的是5根PZT壓電纖維，1和3的尺寸為每層80×10×0.025mm³。5根PZT壓電纖維上下表面都有一層柔性叉指電極4和6，之間用環(huán)氧樹脂粘結(jié)。環(huán)氧固化過程中，利用真空袋提供的壓力使壓電復(fù)合材料固定在底面半徑為5cm的圓柱體模板上，真空密封24小時后取出，便得到了曲率半徑為5cm的壓電復(fù)合材料，從叉指電極上引出正負極導(dǎo)線7和8，給壓電材料極化，使其具有壓電性。極化后，用環(huán)氧樹脂在核心壓電材料層上下表面粘結(jié)Metglas帶狀合金，與壓電材料層和叉指電極粘結(jié)方式類似，利用真空袋提供的壓力使Metglas以同樣的方式彎曲并且固化，實現(xiàn)彎曲的多重推拉模式的磁電復(fù)合材料。

實施例2

用與實施例1中相同的制備方法使用底面半徑為3cm的圓柱體模板制備曲率半徑為3cm的磁電復(fù)合材料敏感元件。

對比例

用與實施例1中相同的制備方法使用平面模板制備傳統(tǒng)的平面磁電復(fù)合材料敏感元件。

分別對比例中曲率半徑為3cm，5cm以及平面結(jié)構(gòu)的磁電復(fù)合材料敏感元件所制磁電傳感器，將三種傳感器置于激振臺上，測試100Hz下的振動對它們的影響，將傳感器連到動態(tài)信號分析儀上得出振動噪聲電壓信號的頻譜圖，如圖2所示，可以看出在100Hz下，三種傳感器由于振動產(chǎn)生的噪聲電壓的大小對比是V_平面＞V_曲面-1＞V_曲面-2，得出磁電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)曲率半徑越小，其由于振動產(chǎn)生的噪聲越小。為了更明顯的看到噪聲的減小倍數(shù)，將100Hz左右的信號局部放大，如圖3所示，可以看出曲面結(jié)構(gòu)的磁電復(fù)合材料制成的傳感器收到的噪聲信號比傳統(tǒng)的至少減小了600倍。

將在100Hz下振動的傳感器連到示波器上，可以得出在100Hz下傳感器由于振動產(chǎn)生的噪聲電壓信號隨時間的變化波形圖，如圖4所示，由曲面結(jié)構(gòu)的磁電復(fù)合材料制成的傳感器產(chǎn)生的噪聲信號波形幅度遠小于平面結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合材料制成的傳感器，可見傳感器抗振動干擾的性能得到了大幅度的提升。

分別測試三個傳感器在準靜態(tài)(1kHz)下的磁電系數(shù)隨偏置磁場的變化，如圖5所示，可以看出在8Oe左右的偏置磁場下，它們的磁電系數(shù)都在16V/(cm×Oe)左右?？梢缘贸鼋Y(jié)論，由曲面結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合材料制成的傳感器與傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合材料制成的傳感器相比，在降低外部振動噪聲影響的同時，其磁電系數(shù)并未降低，從而提高了信噪比和靈敏度。