阅读说明：本技术 一种基于悬臂梁的广义磁电效应能量转换方法 (Cantilever beam-based generalized magnetoelectric effect energy conversion method ) 是由 张嘉伟 付庚 王力 于 2020-12-21 设计创作，主要内容包括：一种基于悬臂梁的广义磁电效应能量转换方法,包括以下步骤：步骤1,将PVDF压电薄膜一端固定,以悬臂梁结构固定到亥姆霍兹线圈与电磁铁两极中间部位,使交流磁场与直流磁场方向相互垂直；步骤2,设置亥姆霍兹线圈发出的交流磁场,得出PVDF样品输出电压与直流磁场的关系；步骤3,设置直流磁场发生器产生的磁场,用电流放大器和锁相放大器得到电流响应,得出PVDF样品输出电压与交流磁场频率的关系；步骤4,用传感器和激光控制器组成的激光振动计系统测试PVDF压电薄膜振动参数,验证所研究的电磁效应是一种通过机械耦合相互作用的电磁耦合现象；具有磁电效应能量转换准确、便捷的特点。(A cantilever beam-based generalized magnetoelectric effect energy conversion method comprises the following steps: step 1, fixing one end of a PVDF piezoelectric film, fixing the PVDF piezoelectric film to the middle parts of two electrodes of a Helmholtz coil and an electromagnet in a cantilever beam structure, and enabling the directions of an alternating current magnetic field and a direct current magnetic field to be vertical to each other; step 2, setting an alternating current magnetic field emitted by a Helmholtz coil to obtain the relation between the output voltage of the PVDF sample and the direct current magnetic field; step 3, setting a magnetic field generated by the direct current magnetic field generator, and obtaining current response by using a current amplifier and a phase-locked amplifier to obtain the relation between the output voltage of the PVDF sample and the frequency of the alternating current magnetic field; step 4, testing the vibration parameters of the PVDF piezoelectric film by using a laser vibrometer system consisting of a sensor and a laser controller, and verifying that the researched electromagnetic effect is an electromagnetic coupling phenomenon through mechanical coupling interaction; the method has the characteristics of accurate and convenient magnetoelectric effect energy conversion.)

一种基于悬臂梁的广义磁电效应能量转换方法

技术领域

本发明属于磁电材料能量转换技术领域，具体涉及一种基于悬臂梁的广义磁电效应能量转换方法。基于悬臂梁结构的压电薄膜在交直流磁场下的磁电转换方法。

背景技术

目前，随着智能科学技术和电子计算机应用的迅速发展，需要大量的传感器进行能量信息的检测和处理，转换成可与计算机相兼容的讯号，给磁传感器的发展提供了巨大的平台，形成了前景广阔的磁传感产业链。磁传感广泛应用于智能电网、地质勘探、自然灾害预测、生物医学、军事设备等各个方面，尤其在磁场检测领域有着极其重要的地位。在当前磁性传感器中，磁电转换方法主要基于霍尔效应、磁电阻效应、磁通门效应、磁致弹性效应、多铁性材料的自发性磁电效应等制成的。但是，基于上述效应的磁电转换方法有各自的优点，同时也有各自的不足之处，其主要体现在灵敏度低、结构复杂、制作成本高、使用环境条件苛刻、受外界干扰强等方面。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于悬臂梁的广义磁电效应能量转换方法，磁电效应能量转换准确、便捷，解决磁传感灵敏度、磁电转换率和制作工艺方面的技术难题，可用于制作磁场传感器；该方法基于压电薄膜PVDF实现磁电响应，压电薄膜PVDF在涡流产生的洛伦兹力作用下产生电荷，实现磁电能量转换，具有无源、高柔韧性、高压电性能和良好的机械性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明采用溶液流延法制备PVDF薄膜，随后通过极化、磁控溅射过程处理，最终制得一矩形尺寸的镀金压电薄膜，尺寸厚度为28μ_m，长度4cm，宽度为1cm；将压电材料PVDF以悬臂梁结构固定，两边是亥姆霍兹线圈，利用线圈提供交流磁场，线圈与一个电压放大器相连，电压放大器由波形发生器控制；压电材料PVDF侧面为电磁铁的两极，作为直流磁场发生器，与一个直流电压源相连接。实验中，通过特斯拉计(F.W.5080)在电磁铁两极之间的气隙中测量直流磁场的大小，直流磁场方向与亥姆霍兹线圈产生的交流磁场是相互垂直的。变化的磁场在样品内部产生涡流，因此，样品薄膜在涡流产生的洛伦兹力下沿厚度方向上下震动，发生磁电效应。通过在室温下用电流放大器和锁相放大器测量磁场诱导的压电电流，得到电流响应。

一种基于悬臂梁的广义磁电效应能量转换方法，包括以下步骤：

步骤1，将PVDF压电薄膜一端固定，以悬臂梁结构固定到亥姆霍兹线圈与电磁铁两极中间部位，使得交流磁场与直流磁场方向相互垂直；

步骤2，设置亥姆霍兹线圈发出的交流磁场为5oe，1000Hz，直流磁场发生器产生的磁场由-2500Oe到2500Oe，通过在室温下用电流放大器和锁相放大器测量磁场诱导的压电电流，得到电流响应，得出PVDF样品输出电压与直流磁场的关系；

步骤3，设置直流磁场发生器产生的磁场为1000oe，交流磁场为5oe，频率从10Hz到1470Hz变化，同样用电流放大器和锁相放大器得到电流响应，得出PVDF样品输出电压与交流磁场频率的关系；

步骤4，用传感器和激光控制器组成的激光振动计系统测试PVDF压电薄膜振动参数，验证所研究的电磁效应是一种通过机械耦合相互作用的电磁耦合现象。

本发明的有益效果是：

本发明基于压电材料PVDF在涡流产生的洛伦兹力作用下产生电荷，实现磁电能量转换，不需要外加激励电源，从而达到无源检测的目的。

本发明选材为镀金PVDF薄膜压电材料，相比易碎且应变水平有限的压电陶瓷材料，具有高柔韧性、高压电性能和良好的机械性能。

本发明研究方法并不是将压电材料与磁电材料复合起来产生磁电效应，而是通过压电材料以应变为媒介的磁-弹-电耦合，这种无磁相位的研究方法为磁电能量转换方法的研究开辟了新道路。

附图说明

图1(a)为本发明实施例提供的广义磁电效应能量转换方法测试装置局部示意图。

图1(b)为本发明图1(a)的俯视端面示意图。

图2为本发明实施例提供的PVDF压电薄膜被测样品在交流磁场作用下的原理图。

图3为本发明实施例提供的广义磁电效应能量转换方法测试实验平台整体图。

图4为本发明实施例提供的PVDF压电薄膜在确定交流偏置磁场B_ac为5Oe频率为1kHz的条件下，磁电电压与直流偏置磁场B_dc(-2500Oe～2500Oe)的变化关系曲线图。

图5为本发明实施例提供的PVDF压电薄膜在交流磁场频率从10Hz到1470Hz范围内磁电电压的实验测量结果曲线图。

其中：1-PVDF薄膜样品，2-亥姆霍兹线圈，3-磁铁，4-实验底座，5-样品夹，6-霍尔探针，7-特斯拉计,8-电压放大器，9-波形发生器，10-直流电压源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作出进一步详细说明。

参见图1(a)、图1(b)，一种基于悬臂梁的广义磁电效应能量转换方法，包括PVDF薄膜样品1，在实验底座4上以悬臂梁结构夹置在电磁铁3两极之间，电磁铁由直流电压源10驱动，产生直流磁场，最大幅值为3500Oe。亥姆霍兹线圈2与电压放大器8相连接，利用亥姆霍兹线圈2(最大振幅为30Oe)提供交流磁场。实验中，通过特斯拉计(F.W.5080)7在电磁铁两极之间的气隙中测量直流磁场的大小，直流磁场方向与亥姆霍兹线圈2产生的交流磁场是相互垂直的。当交流磁场穿过PVDF薄膜样品1时，通过法拉第效应在金电极内部产生涡流。在外加磁场作用下，产生了安培力作用在压电相上，从而产生了电压。

参见图2，本发明实施例提供的PVDF压电薄膜被测样品在交流磁场作用下的原理：当通过波形发生器9控制电压放大器8，设置亥姆霍兹线圈2发出的交流磁场穿透PVDF压电薄膜层状结构1时，通过法拉第效应在金属电极内产生涡流，在直流偏置磁场作用下，安培力作用在压电相位上，产生磁电转化输出电压。

参见图3，为本发明实施例提供的广义磁电效应能量转换方法测试实验平台整体图。一种基于悬臂梁的广义磁电效应能量转化方法，包括以下步骤：

步骤1，将PVDF压电薄膜1一端固定，以悬臂梁结构用样品夹5固定到亥姆霍兹线圈2与电磁铁3两极中间部位，使得交流磁场与直流磁场方向相互垂直；

步骤2，通过波形发生器9控制电压放大器8，设置亥姆霍兹线圈2发出的交流磁场为5oe，1000Hz。通过直流电压源10连接至直流磁场发生器3产生的磁场由-2500Oe到2500Oe。通过特斯拉计7连接的霍尔探针6进行测量磁场值，在室温下用电流放大器和锁相放大器测量磁场诱导的压电电流，得到电流响应，得出PVDF样品输出电压与直流磁场的关系；

步骤3，设置直流磁场发生器3产生的磁场为1000oe，交流磁场为5oe，频率从10Hz到1470Hz变化，同样用电流放大器和锁相放大器得到电流响应，得出PVDF样品输出电压与交流磁场频率的关系；

步骤4，用传感器(OFV-505Polytec.France)和激光控制器(OFV-5000Polytec.France)组成的激光振动计系统测试PVDF压电薄膜振动参数，用来验证所研究的电磁效应是一种通过机械耦合相互作用的电磁耦合现象。

参见图4、图5分别为PVDF样品输出电压与直流磁场和交流磁场频率的关系曲线图。图4为直流磁场在-0.25T到0.25T范围内磁电电压实验测量结果曲线图。图中表明随着外加直流磁场的增大，PVDF薄膜样品感应出的洛伦兹力和弯曲程度越大，磁电电压也越大。图5为交流磁场频率从10Hz到1470Hz范围内磁电电压的实验测量结果曲线。图中表明，随着交流磁场频率的增大，穿过金属表面磁场强度越强，产生的感应电流变大，压电材料PVDF输出电压越大。由于频率波动的影响，输出电压呈波动上升趋势。当交流频率小于1kHz时，输出电压随着频率的增大增长较快，当交流频率大于1kHz时，输出电压随着频率的增大增长较慢。