基于磁电换能器的柔性自供能磁传感器的研究.pdfVIP

中文摘要 摘 要 磁传感器作为现代信息技术的重要组成部分，被广泛应用于航天电子、智能电 网、生物医学等多个领域。而近年来，随着电子皮肤、可穿戴设备等领域的快速 发展，具有良好柔韧性的磁传感器成为一个新的研究热点。传统的磁传感器因为 很难具有柔性，已无法适应和满足测量环境多样性的需求，所以开展对柔性磁传 感器的研究显得更加重要。其次，由于目前在无线传感网络中，传感节点通常是 用电池进行供能，这使其可续航能力差、维护成本高还会对环境造成污染，在一 定程度上阻碍了无线传感网络的应用发展。因此，开展研究新型柔性自供能磁传 感器具有重要的研究价值和学术意义。 根据检测原理的不同，磁传感器可分为霍尔性、巨磁阻型和磁电复合型等几大 类别。其中，基于磁电换能器的磁电复合型磁传感器因为具有制备简单、灵敏度 高以及转换效率高等优点，表现出良好的发展潜力。本论文在国家自然科学基金 面上项目(No. 的资助下，以磁电换能器为研究对象，从理论和实验分别 研究了柔性磁传感器的磁电效应和传感特性。同时，结合电源管理电路设计了一 种新型的自供能磁传感器，将采集到的磁场能量用于给低功耗设备供能。论文的 具体工作内容如下： ① 研究分析了磁致伸缩材料和压电材料的种类以及性能参数。针对磁/极化方 向的不同，对比研究了磁电换能器不同工作模式下的输出性能。利用等效电路法 分别研究了换能器在谐振和低频状态下的磁电输出表达式，总结了影响换能器输 出的因素，为设计高性能柔性磁电换能器提供了理论基础。 ② 将磁致伸缩材料和压电材料层合以制备新型柔性磁电换能器样品。研究了 柔性磁电换能器的磁电响应性能。分别对换能器尺寸、外加偏置磁场、激励频率 以及弯曲状态对磁电输出性能的影响进行了研究。揭示了Hdc=5 Oe 是最优偏置磁 场，同时换能器长宽比越大，输出效果越好，获得最大的αME,r 为240.42 V/cm·Oe ； 优化了换能器结构，使其在具有较高磁电输出能力的情况下，还具有良好的柔性 性能。 ③ 搭建了换能器传感特性测试系统。分别对柔性磁电换能器的交变磁场和静 态磁场的传感特性进行了测量。发现在一定磁场范围内，换能器具有良好的直流/ 交流传感特性，线性度分别可达0.382%和 4.23% 。同时还研究了换能器对于微弱 磁场的、低频信号以及各向异性磁场的传感性能。 ④ 研究了传感器的磁场能量采集性能。利用三种不同的整流电路对传感器的 负载输出性能进行了对比分析，所获得的最大输出功率为16.18 μW，相应的最佳 I 重庆大学硕士学位论文 负载值为50 kΩ 。同时，分别对磁传感器参数：灵敏度、迟滞性、复现性和分辨率 8 进行了研究，结果表明其最小分辨率可达8.1910 T 。为了实现自供能功能，利 用电源管理电路对传感器采集到的磁场能量进行存储，并用于给低功耗无线收发 模块供电。最终将该传感器应用到高频通电导线的电流监测中。 关键词：磁电换能器；磁传感器；自供能；磁电复合材料 II 英文摘要 Abstract As an important part of modern information technology, magnetic sensors are widely used in aerospace electronics, smart grid, biomedical and other fields. In recent years, with the rapid development of electronic skin, wearable devices and other fields, magnetic sensors with good flex