Диссертация (Резонансные магнитоэлектрические эффекты в структурах ферромагнетик-пьезоэлектрик и металл-пьезоэлектрик и датчики магнитных полей на их основе), страница 13

Регистрировали зависимости напряжения u, генерируемогоодной биморфной пластиной при пропускании тока через средний электродэтой пластины, или структурой в целом при пропускании тока через средниеэлектроды обеих пластин при параллельном или последовательном соединении их внешних электродов, от частоты f, тока I и напряженности поля H.Bu(f)ЦТСI(f)(а)(б)Рисунок 5.8 Конструкция (а) и внешний вид (б) макета датчика поля.98На рис. 5.9 показана зависимость напряжения u с датчика от частотытока f при параллельном соединении внешних электродов пластин.u (В)1,00,50,00,00,10,3f1Частота f (кГц)0,4Рисунок 5.9 Зависимость напряжения u с датчика в форме камертона отчастоты f тока при параллельном соединении пластин, H =1 кЭ, I = 40 мА.При встречном направлении токов через электроды пластин силы Ампера действуют навстречу друг другу и приводят к изгибу пластин в противоположные стороны.

Пик напряжения u1(f1) = 0.92 с центральной частотой f1 =0.203 кГц соответствует, как будет показано ниже, возбуждению в структуреколебаний камертонного типа. При противофазных колебаниях пластин центрмасс камертона не смещается и передача механической энергии в точке крепления пластин мала. Это обеспечило добротность колебаний камертона Q=145, превосходящую добротность колебаний одиночной пластины в ~3 разаНа рис.

5.10 показаны зависимости напряжения u1 с датчика от поля Hпри параллельном и последовательном соединении внешних электродов пластин. Для сравнения там же приведена аналогичная зависимость для одиночного биморфа. Видно, что u1 при параллельном соединении пластин в ~2.599раза, а при последовательном соединении - в ~5 раз превышает напряжение содиночного биморфа.u1 (В)1,0210,530,0012Поле H (кЭ)3Рисунок 5.10 Зависимость напряжения u1 с датчика в форме камертона отполя H: 1- при параллельном, 2 - при последовательном соединении пластин, 3 - для одиночной пластины, I = 10 мА.

Штриховые линии - линейная аппроксимация данных.Увеличение напряжения с датчика обусловлено более высокой добротностью структуры камертонного типа и суммированием напряжений при последовательном соединении пластин. С увеличением поля H частота резонанса f1 камертона практически не изменялась. Зависимость u1(H) для камертонного датчика в исследованном диапазоне полей имела линейный вид, в отличие от нелинейной зависимости для одиночной биморфной пластины, котораянасыщается при увеличении поля и тока.На рис. 5.11 приведена зависимость напряжения u1 с датчика от тока Iпри параллельном соединении внешних электродов пластин и H = 1 кЭ.

Зависимость также имеет линейный вид, что свидетельствует о линейности механических колебаний структуры в рассматриваемом диапазоне токов.100u1 (В)1,51,00,50,002040Ток I (мА)60Рисунок 5.11 Зависимость напряжения u1 с датчика в форме камертона оттока I при параллельном соединении пластин, H = 1 кЭ.Подставив в (4.14) параметры ЦТС-46 (Y=7∙1010 N/m2, γ=7.7∙103 kg/m3) и размеры биморфной пластины, получаем частоту основной моды изгибных колебаний f1 = 0.184 кHz, хорошо совпадающую с измеренной. Подставляя в(4.19) параметры ЦТС-46 (ε =2000, d31=190·10–12 Кл/Н), соответствующиеэксперименту размеры пластин камертона, измеренную добротность камертона Q = 145, I = 40 мА и H = 1 кЭ, получаем значение u1 ≈ 2 В, согласующееся с данными рис.

5.10.Чувствительность датчика, рассчитанная по наклону линейных зависимостей на рисунках 5.10 и 5.11, равна S = u/(IH) = 24 В/(А∙кЭ). Оценка поформуле (4.19) дает для чувствительности величину S ~50 В/(А∙кЭ), удовлетворительно согласующуюся с измеренной. При последовательном соединении пластин чувствительность датчика возрастала в 2 раза, до S ~ 46 В/(А∙кЭ).Величину минимального измеряемого датчиком поля Hм оценим из условия равенства силы Ампера, действующей на отдельную пластину со сто-101роны поля H, силе взаимодействия между двумя пластинами с текущими поним токами. При I ~10 мА и расстоянии между пластинами ~1 мм расчет даетHм ~ 10−2 Э. Чувствительность датчика можно повысить, а величину минимального регистрируемого поля уменьшить еще на 1-2 порядка за счет оптимизации размеров биморфных пластин, использования пьезоэлектриков сбольшим пьезомодулем и вакуумирования камертонной структуры для увеличения добротности колебаний.5.4 Датчик на пьезоэлектрическом биморфе с объемной катушкойКак следует из результатов исследований, описанных в разделе 4.4,PZT-структура в виде биморфа с намотанной на него катушкой, закрепленнаяна одном конце на массивном основании, может быть использована в качестве датчика постоянных магнитных полей.

При пропускании через катушкупеременного возбуждающего тока от внешнего генератора, на катушку действует переменная сила Ампера, приводящая к возбуждению изгибных колебаний биморфа и генерации напряжения между его электродами вследствиепьезоэффекта. Частота изгибных колебаний структуры дается выражением(4.14), а амплитуда генерируемого датчиком напряжения – выражением (4.23).Теория предсказывает линейную зависимость амплитуды генерируемого датчиком напряжения от тока и постоянного магнитного поля, что полностьюподтвердили результаты проведенных экспериментальных исследований (см.рисунки 4.15 и 4.16).Чувствительность такого датчика, определенная по наклону прямыхлиний u1(H) и u1(I) на рисунках 4.15 и 4.16, соответственно, составила S =u/(IH) =24.5 В/(А∙кЭ).

Это значение на два порядка выше чувствительностидатчика на основе PZT-кольца и более, чем в два раза превышает чувстви102тельность датчика на основе планарной биморфной PZT-структуры [81], которые возбуждались током, протекающим через электроды структур. Из данных рисунка 4.17 следует, что датчик на основе биморфной структуры с током весьма чувствителен к направлению постоянного магнитного поля относительно продольной оси биморфной структуры и поэтому может быть использован для определения направления постоянного поля. Отметим, что вописанном датчике отсутствует электрическая связь между возбуждающей(катушка) и регистрирующей (биморфная структура) цепями, что значительно уменьшило уровень прямой электромагнитной наводки. Без магнитногополя при токе через катушку 20 мА амплитуда наводки в измерительной цепине превышала ~0.1 мВ.

Отсюда, используя измеренную чувствительностьдатчика, получаем оценку для минимальной величины регистрируемого поляHмин ~ 0.2 Э. Предложенный пьезоэлектрический датчик с возбуждающей катушкой, сопротивление которой ~5 Ом, легче согласовать с генератором, чемдатчики, возбуждаемые током, протекающим через электрод пьезоэлемента ссопротивлением ~0.1 Ом.

Потребляемая катушкой датчика мощность при токе 20 мА составляла ~2 мВт.5.5 Датчик на пьезоэлектрическом биморфе с планарной катушкойКонструкция датчика на основе биморфной пьезоэлектрической структуры с планарной магнитной катушкой схематически изображена на вставке крис. 5.12, а его внешний вид - на рис. 5.13 [84, 90]. Использование планарнойкатушки делает конструкцию более компактной и технологичной, доступной для изготовления методами планарной технологии.

Биморфная структураодним концом закреплена на жестком основании и может совершать изгибные колебания. На поверхности биморфа вблизи его свободного конца закре103плена планарная катушка, через которую протекает переменный ток Icos(2πft)с частотой f и амплитудой I. Датчик помещен в постоянное магнитное поле H,направленное вдоль длинной стороны структуры. Текущий через катушку токсоздает переменный магнитный момент M, который взаимодействует с полемB=μ0H и стремится повернуть катушку.

В результате биморфная пластина начинает совершать изгибные колебания и между ее внешними электродами генерируется напряжение c амплитудой u, пропорциональной полю H. Присовпадении частоты тока с частотой изгибных колебаний структуры напряжение возрастает в Q (добротность) раз. Резонансная частота датчика даетсяформулой (4.14) для частоты основной моды изгибных колебаний балки.Амплитуду сигнала u1 с датчика с планарной катушкой оценим, как и ранее, используя неоднородное распределение механических напряжений T при изгибепластины и связь механических напряжений с электрическим полем E в пьезоэлектрике.Рисунок 5.12 Зависимость напряжения с датчика u от частоты f тока черезкатушку при поле H = 1 кЭ и токе I = 20 мА.

Конструкция датчика схематически изображена на вставке..104Рисунок 5.13 Внешний вид датчика с плоской возбуждающей катушкой.Протекающий по планарной катушке квадратной формы ток I создает.переменный магнитный момент с амплитудой pm =(1/3)NIa2, где a – сторона иN - число витков катушки. В магнитном поля H на катушку действует механический вращающий момент M = pmµ0H.

Будем считать, что момент приложен в центре катушки, т.е. на расстоянии x = a/2 от свободного конца пластины. Момент создает в области a/2 < x < L пластины касательные механические напряжения, величина которых постоянна вдоль оси x и линейно изменяется по толщине пластины:T x ( x, y ) My.J(5.5)Используем связь (4.16) между компонентами деформации S и электрическойиндукции D и компонентами механического напряжения T и электрическогополя E в слое пьезоэлектрика и условие разомкнутой цепи D = 0.