磁电回旋器能量传输动态过程的非接触式光学测量装置及方法

摘要

本发明属于电子转换器件技术领域，公开了一种磁电回旋器能量传输动态过程的非接触式光学测量装置，所述测量装置包括激光多普勒测振仪、锁相放大器、PC机、静态偏置磁场施加装置、磁电回旋器和支架；所述激光多普勒测振仪通过内置的速度解码器的电压输出端与所述锁相放大器的电压输入端相连，锁相放大器通过内部振荡器的输出端与磁电回旋器的线圈端口连接，锁相放大器通过通信电缆与PC机相连；所述磁电回旋器固定于支架上，所述支架固定于静态磁场施加装置中间。本发明能够准确定位器件在历经高效动态磁‑机‑电转换过程中机械振动损耗的主要源头，具有可动态测量、非接触式测量、精度高和可定量描述等突出优点。

说明书

技术领域

本发明属于电子转换器件技术领域，具体涉及一种磁电回旋器能量传输动态过程的非接触式光学测量装置及方法。

背景技术

理想回旋器是一种无源、线性、非互易性的新型双端口元件，能够实现电压-电流直接互逆转换并伴随高效能量转换，成为继电阻、电容、电感和变压器之后的第五类基本网络电气元件。理想回旋器能够实现感性元件的容性特征，在大规模集成电路中可将不易在晶片上集成的电感元件用更容易集成的回旋器和普通电容器所替代。而且，普通电容较普通电感更加接近理想的元件，由回旋器与普通电容器模拟出的电感元件，相对于任何的普通电感，都要更加接近理想感性元件。理想回旋器的假想网络拓扑理论模型最初于1948年由荷兰飞利浦实验室的Tellegen提出，后人们致力于通过运算放大器等分立电气元件的搭建实现理想回旋器的回旋效应。直到本世纪初期，磁致伸缩/压电层合结构换能器因具有无源和室温下强磁电耦合等突出特性被广泛应用于数据存储、磁场探测、功率转换等领域，在其外围缠绕线圈后所构成的四线-双端口元件为理想回旋器的实现提供了新的途径。关于磁电回旋器里程碑式的工作报道于2006年，美国弗吉尼亚理工学院的Zhai等人借助超磁致伸缩材料Terfenol-D和压电陶瓷PZT复合出现的强磁电耦合效应并在其外围密绕线圈构建了磁电回旋器件，实现了感性-容性双端口电气网络的互逆转换。自2016年起，美国弗吉尼亚理工学院的Leung等人又通过稀土掺杂、改变层合方式、线圈尺寸优化等实验手段就如何进一步提高磁电回旋器稳定性及功率传输效率展开了相关理论建模和实验研究工作，并取得了一系列原创性的研究成果。

在进一步提升磁电回旋器能量传输效率中遇到的机械损耗偏大的问题中，研究者们多采用静态或准静态的电阻应变片接触式测量的方法对功率传输过程中所涉及的磁能、机械能和电能三者之间的耦合传递过程进行分析，试图寻求主要的能量损耗来源并使之进一步降低以提高效率。然而，磁电回旋器的正常工作是依靠谐振态激励下的强磁电耦合效应完成，期间历经动态的磁-机-电转换过程，而仅仅依靠静态或准静态的电阻应变片接触式测量方法无法准确描述这一过程，并且国内外用于描述器件在能量传输过程中的动态测量方法未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁电回旋器能量传输动态过程的非接触式光学测量装置，能够准确定位器件在历经高效动态磁-机-电转换过程中机械振动损耗的主要源头，具有非接触测量、精度高和可定量描述等突出优点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种磁电回旋器能量传输动态过程的非接触式光学测量装置，所述测量装置包括激光多普勒测振仪、锁相放大器、PC机、静态偏置磁场施加装置、磁电回旋器和支架；所述激光多普勒测振仪通过内置的速度解码器的电压输出端与所述锁相放大器的电压输入端相连，锁相放大器通过内部振荡器的输出端与磁电回旋器的线圈端口连接，锁相放大器通过通信电缆与PC机相连；所述磁电回旋器固定于支架上，所述支架固定于静态磁场施加装置中间；所述PC机通过程序调节锁相放大器对磁电回旋器的输入电压、交流磁场和频率大小，以及静态偏置磁场施加装置施加的偏置磁场大小。

优选地，所述磁电回旋器由磁电复合结构换能器及均匀围绕在磁电复合结构换能器外围的线圈构成，所述磁电复合结构换能器为非对称型或对称型的多层结构，磁电复合结构换能器包括至少一层的磁致伸缩层和一层的压电陶瓷层。

优选地，所述激光多普勒测振仪所发出的激光束为632nm的氦氖激光束。

优选地，所述静态偏置磁场施加装置由相对设置于导轨上的钕铁硼永磁体组成。

本发明还提供磁电回旋器能量传输动态过程的非接触式光学测量方法，包括以下步骤：

a、打磨磁电回旋器中磁致伸缩层和压电陶瓷层各单层样片的待测端面，用丙酮擦拭除去碎屑与氧化层；

b、裁剪反光膜并粘贴于各单层样片待测端面的中心位置；

c、将磁致伸缩层单层样片固定于支架中心处，使之处于自由边界振动状态；

d、启动激光多普勒测振仪，使激光束穿过静态偏置磁场施加装置的聚光孔并聚焦于贴有反光膜的磁致伸缩层单层样片待测端面的中心位置；

e、通过程序调节锁相放大器对单层样片的输入电压、交流磁场和频率大小，以及静态偏置磁场施加装置施加的偏置磁场大小；

f、磁致伸缩层单层样片待测端面的振动速度信号经激光多普勒测振仪内置的速度解码器转换为电压信号，锁相放大器采集电压信号，采用动态能量积分得到磁致伸缩层单层样片的输出动能；

g、将磁致伸缩层单层样片与压电陶层单层样片粘合得非对称型或对称型的磁电复合结构换能器，在磁电复合结构换能器外围均匀围绕线圈制成磁电回旋器，重复步骤c~f，并将激光束逐次逐层聚焦于磁致伸缩层单层样片与压电陶层单层样片待测端面中心位置，得到磁电回旋器的层间动态动能传递效率。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明通过激光多普勒测振仪的激光器发出的氦氖偏振光束聚焦至样片的振动端面中心位置，系统传感器收集由于样片表面振动而产生频移的反射光，并与参考光进行比较后，速度解码器将样片的振动频率信号转换为振动速度信号，通过程序调节锁相放大器对单层样片的输入电压、交流磁场和频率大小，获得不同频率激励下磁电回旋器的磁致伸缩层、压电层的振动信息，采用动态能量积分计算动态时磁电回旋器中逐层能量传输效率及损耗。

本发明非接触式光学测量法与传统接触式应力测量法相比，可对动态能量传递过程进行测量，能够准确定位器件在历经高效动态磁-机-电转换过程中机械振动损耗的主要源头，具有可动态测量、非接触式测量、精度高和可定量描述等突出优点。本发明对磁电回旋器能量传输过程中所涉及的动态磁-机-电转换过程进行了深入剖析，且通过实验数据直接证明了本发明非接触式光学测量方法的合理性，对磁电回旋器件的设计中进一步提升功率转换效率有着明确的指导意义，且为高效功率电子器件功率传输效率测试领域提供了一种新的途径。

附图说明

图1为本发明非接触式光学测量装置的结构示意图。

图2为本发明非接触式光学测量装置的原理示意图。

图3为实施例1单层、双层及三层结构的磁电回旋器的磁致伸缩层在谐振处的输出振动速度谱。

图4为实施例1双层结构的磁电回旋器在45kHz-70kH频率范围内NZTFO层与PZT层各端面振动速度谱。

图5为实施例1计算得到的单层与双层结构的磁电回旋器的输出机械动能谱。

图6为实施例2三层结构的磁电回旋器在52.5kHz-75kH频率范围内两个NZTFO层与PZT层各端面振动速度谱。

图7为实施例2计算得到的单层与三层结构的磁电回旋器的输出机械动能谱。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限定本发明的保护范围。若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。下述实施例中的试验方法，如无特别说明，均为常规方法。

如图1所示，本发明一种磁电回旋器能量传输动态过程的非接触式光学测量装置，该测量装置包括激光多普勒测振仪、锁相放大器、PC机、静态偏置磁场施加装置、磁电回旋器和支架。激光多普勒测振仪通过内置的速度解码器的电压输出端与所述锁相放大器的电压输入端相连，锁相放大器通过内部振荡器的输出端与磁电回旋器的线圈端口连接，锁相放大器通过通信电缆与PC机相连。磁电回旋器固定于支架上，支架固定于静态磁场施加装置中间。PC机通过程序调节锁相放大器对磁电回旋器的输入电压、交流磁场和频率大小，以及静态偏置磁场施加装置施加的偏置磁场大小。

在上述测量装置结构中，激光多普勒测振仪及其内置的速度解码器构成非接触式光学测量系统，而锁相放大器、静态偏置磁场施加装置、磁电回旋器、支架和PC机构成保持输入功率恒定的磁电回旋器信号输入功率控制系统。PC机中软件控制程序由LabVIEW编写，主要完成仪器控制、数据采集、人机交互和数据存储等功能。磁电回旋器由磁电复合结构换能器及均匀围绕在磁电复合结构换能器外围的线圈构成，磁电复合结构换能器为非对称型或对称型的多层结构，磁电复合结构换能器包括至少一层的磁致伸缩层和一层的压电陶瓷层。静态偏置磁场施加装置由相对设置于导轨上的钕铁硼永磁体组成。所用仪器型号：锁相放大器（美国阿美泰克公司生产，型号SR7280）；激光多普勒测振仪（德国宝利泰公司生产，型号OFV5000/505），激光多普勒测振仪所发出的激光束为632nm的氦氖激光束；速度解码器（德国宝利泰公司生产，型号VD-09）；USB-GPIB通信电缆（美国国家仪器公司生产，型号USB-GPIB-HS）。

依据上述磁电回旋器能量传输动态过程的非接触式光学测量方法，包括以下步骤：

a、采用600

b、将反光膜裁剪为面积约为待测端面1/2的大小，并粘贴于各单层样片待测端面的中心位置；

c、将磁致伸缩层单层样片固定于支架中心处，使之处于自由边界振动状态；

d、启动激光多普勒测振仪，使激光束穿过静态偏置磁场施加装置的聚光孔并聚焦于贴有反光膜的磁致伸缩层单层样片待测端面的中心位置；

e、通过LabVIEW程序调节锁相放大器对单层样片的输入电压、交流磁场和频率大小，以及静态偏置磁场施加装置施加的偏置磁场大小，使此件回旋器工作在最佳状态且保持输入功率恒定；

f、磁致伸缩层单层样片待测端面的振动速度信号经激光多普勒测振仪内置的速度解码器转换为电压信号，锁相放大器采集电压信号，采用动态能量积分得到磁致伸缩层单层样片的输出动能；

g、将磁致伸缩层单层样片与压电陶层单层样片粘合得非对称型或对称型的磁电复合结构换能器，在磁电复合结构换能器外围均匀围绕线圈制成磁电回旋器，重复步骤c~f，并将激光束逐次逐层聚焦于磁致伸缩层单层样片与压电陶层单层样片待测端面中心位置，得到磁电回旋器的层间动态动能传递效率。

如图2所示，非接触式光学振动速度测量的工作原理如下：激光多普勒测振仪的激光束分离器将激光束分成参考光束和测量光束，在通过第二个光束分离器后，激光多普勒测振仪的激光器发出的氦氖偏振光束聚焦至样片的振动端面中心位置，系统传感器收集由于样片表面振动而产生频移的反射光，并与参考光进行比较后，速度解码器将样片的振动频率信号转换为振动速度信号，通过程序调节锁相放大器对单层样片的输入电压、交流磁场和频率大小，获得不同频率激励下磁电回旋器的磁致伸缩层、压电层的振动信息，采用动态能量积分计算动态时磁电回旋器中逐层能量传输效率及损耗。

实施例1

本实施例中，磁电复合结构换能器包括一层镍锌铁氧体磁致伸缩层（Ni

测量过程如下：使用600#细砂纸分别对NZTFO和PZT8待测端面打磨；使用丙酮擦拭待测端面去除材料碎屑以及氧化层；将反光膜裁剪为面积约为3×1mm

图3为单层、双层及三层结构的磁电回旋器的磁致伸缩层在谐振处的输出振动速度谱。由图3可以看出，对于磁致伸缩层单层样片，在其谐振频率为74.45kHz处达到最大的振动速度8.74mm/s，对于双层结构的磁电回旋器样片，其磁致伸缩层在谐振频率54.13kHz处达到最大振动速度4.73mm/s，而对于三层结构的磁电回旋器样片，其磁致伸缩层的振动速度在谐振频率为59.01kHz处获得最大值5.81mm/s。也就是说，当磁致伸缩层粘合PZT作为机械负载以后，其振动速度的最大幅值和谐振频率均呈下降趋势，这是由于机械负载的介入使厚度增加引起的频偏。同时，随着磁致伸缩层在回旋器样片中体积分数的提高，其振动频率与振动速度均出现上升趋势。

图4为双层结构的磁电回旋器在45kHz-70kH频率范围内NZTFO层与PZT层各端面振动速度谱。由图4可以看出，随着频率的增加，各层端面振动速度明显增大，在频率为54.13kHz处达到谐振振动速度最大值4.73mm/s，且各层振动频率以及振动速度基本保持一致（如图4右上角的区间放大图），即经粘合后的双层结构磁电回旋器的每一层都基本保持同频同幅的机械振动。

图5为计算得到的单层与双层结构的磁电回旋器的输出机械动能谱。此时，单层NZTFO作为磁电回旋器的动态能量输入致动端，由所测得磁致伸缩层单层样片在无负载情况下谐振处的振动速度谱，经动态能量积分后作为输入总动能；由双层结构磁电回旋器的各层振动速度分别经动态能量积分后求和作为双层结构磁电回旋器的输出总动能。经计算双层结构磁电回旋器的输入总动能为0.07nJ，输出总动能为0.04nJ，则双层结构磁电回旋器的层间动态动能传递效率为57%。

实施例2

在另一个实施例中，磁电复合结构换能器包括两层镍锌铁氧体磁致伸缩层（Ni

图6为三层结构的磁电回旋器在52.5kHz-75kH频率范围内两个NZTFO层与PZT层各端面振动速度谱。由图6可以看出，随着频率的增加，各层端面振动速度明显增大，在频率为59.01kHz处达到谐振振动速度最大值6.21mm/s，且各层振动频率以及振动速度基本保持一致（如图6右上角的区间放大图），即经粘合后的三层结构磁电回旋器的每一层都基本保持同频同幅的机械振动。

图7为计算得到的单层与三层结构的磁电回旋器的输出机械动能谱。此时，两层相同尺寸的NZTFO作为磁电回旋器的动态能量输入致动端，由所测得磁致伸缩层单层样片在无负载情况下谐振处的振动速度谱，经动态能量积分后乘2作为输入总动能；由三层结构磁电回旋器的各层振动速度分别经动态能量积分后求和作为三层结构磁电回旋器的输出总动能。经计算三层结构磁电回旋器的输入总动能为0.14nJ，输出总动能为0.10 nJ，则三层结构磁电回旋器的层间动态动能传递效率为71%。

以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，仅仅用以解释本发明，并非限制本发明实施范围，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过置换或改变的方式轻易做出其它的实施方式，故凡在本发明的原理上所作的变化和改进等，均应包括于本发明申请专利范围内。