基于磁致伸缩/压电多场耦合效应的多功能传感机理及方法研究

This proposal researches a new mechanics and method for multifunctional sensing which is based on magnetostrictive/ piezoelectric composites featuring multi physical field (electric, magnetic, thermal, force, sound, etc.) coupling effect. To realize the multifunctional sensor capable of static magnetic field, dynamic magnetic field, acoustic noise, pressure and sound velocity, the main research efforts may include: 1) analyzing the intercoupling and transfer mechanics of piezomagnetic and piezoelectric effect of the composites, 2) developing the model on how to predict the influence of the bias magnetic field, preload stress, and temperature on the magnetoacoustic, acoustoelectric, magnetoelectric and its conversely conversion as well as resonance behaviors, 3) proposing the mechanics and design method of simultaneous and time-shared multi-parameters measurement by single sensing structure, 4) employing reasonable signal separation and signal reconstruction method. With the goal of precision measurement of multi-parameters by one device, the magnetostrictive/piezoelectric sensor array technology is also studied. In addition, this technology greatly reduces the size, weight and power consumption of the measurement system. Therefore, it have promising prospects and potential requirement in many fields, such as aeronautics, astronautics, oceanics, environmental perception and target detection and communication underwater.

基于磁致伸缩/压电复合材料，利用其电、磁、热、力、声学等多物理场耦合效应，开展多功能传感的机理和技术实现方法研究。分析磁致伸缩/压电复合结构中压磁和压电效应相互作用、传递的机理，建立偏置磁场、预应力、温度对磁-声、声-电、磁-电以及其逆向转换特性和谐振特性的影响模型。提出采用同一敏感结构，以同时和分时测量相结合的方式，实现多参量敏感的机理和设计方法，结合信号分离和信号重构技术，实现静态磁场、动态磁场、声学噪声、温度、压力以及声速等参量的测量。研究将磁、声以及环境参量测量等功能集成于一体的磁致伸缩/压电复合传感阵列技术，实现同一装置、多种功能，利用较少的敏感元件实现对多参量测量，降低系统的体积、重量和功耗，在航空航天、海洋工程、环境感知以及水下目标探测和通讯等国防军事领域，有广泛而迫切的技术需求。

磁致伸缩/压电叠层复合结构在磁传感器、换能器领域具有重要的潜在应用价值。本项目采用磁致伸缩材料、压电材料及音叉谐振器复合，设计了多种不同传感器结构，对磁场、力、电压等多个物理参量敏感机理、传感原理展开研究。分析了磁致伸缩材料多物理场耦合效应，注意到磁致伸缩应力耦合与应变耦合性能具有不同的特性。因此，基于磁致伸缩应变/应力耦合，瞄准多功能传感器这一研究，开展了系列研究：a）基于磁致伸缩应力耦合设计了磁致伸缩/压电谐振器复合的新型超材料磁电耦合结构，由于磁致伸缩材料高磁机阻尼被隔离，获得了具有极高Q值的磁电复合结构；b）基于应力耦合设计思路，将磁致伸缩材料和压电材料分别与石英音叉谐振器复合设计了频率输出的谐振式磁场/电压传感器，开展了传感原理、结构、建模分析及验证；c）设计了小型化磁致伸缩应力加载机构，通过施加预应力增强了磁电效应，对于FeGa/PZT复合结构，施加4N预应力后磁电电压系数是未施加预应力的1.79倍；d）基于磁致伸缩应变耦合，开展了非晶合金/PZT非线性效应研究，据此设计了DC/AC双功能磁传感器；e）针对目标探测应用，设计了灵敏度倍增的非晶合金/PZT复合磁力梯度探头。总的来说，采用磁致伸缩材料、压电材料及音叉谐振器设计多种复合结构，实现磁场、力、电压等多个物理参量传感，为后续实现三个以上参数同时测量的多功能传感器奠定了技术基础。在本项目资助下的研究，已经发表SCI论文10篇，申请了相关发明专利14项，其中已授权2项。