转动能量采集和转动参数传感一体化的磁电技术研究

A magnetoelectric device with the function of rotational energy harvesting and rotational parameters sensing can not only be used to compose self-powered wireless rotational parameters sensors, but also can be a promising alternative solution to batteries for powering wireless sensors in many important applications, including the pressure sensing and condition monitoring of machinery, where the structures undergo continuous rotations. So the magnetoelectric device has wide applications in both military and civil areas. On the base of the study of the magnetoelectric energy harvesting technology and the time grating displacement measurement technology, this project studies the magnetoelectric technology to harvest rotational energy and measure rotational parameters, proposes a novel magnetoelectric device composed of magnetostrictive/piezoelectric laminated transducers, a multi-pole magnetic ring, and essential magnetic circuit. Concrete research content include: revealing the magnetoelectric dvice’s energy conversion mechanism of mechanical-magnetic-electric energy, to provide scientific foundations for its applications of rotational enery harvsting and rotational parameters sensing, and provide scientific guidance for its material selection and structural design; combining the magnetoelectric technology and the time grating technology to realize rotational parameters measurement with high accuracy; researching power management technology and integrating the rotational parameters sensing function into the rotational energy harvester, to establish theory and experimental foundation for the actual application of magnetoelectric technology. This project can provide a new theory and an effective solution for powering wireless sensors in rotational environment, and can offer a novel mean and idea for rotational parameters sensing.

转动能量采集和转动参数传感一体化的磁电器件，不仅可用于构建自供电无线转动参数传感器，还可为安装在转动环境中的胎压、螺旋桨应力、温度等无线传感器供电，在军事和民用领域都有重要的应用价值。本项目在磁电能量采集技术和时栅精密位移测量技术研究基础上，研究转动能量采集和转动参数传感一体化的磁电技术，基于磁电换能器和多极磁环构建新型的多功能磁电器件。具体内容包括：研究基于磁电换能器和多极磁环磁电器件的机械—磁—电转换机理，为磁电技术在转动能量采集和转动参数传感中的应用提供科学依据，为磁电器件的材料选择和结构设计提供科学指导；研究将磁电技术与时栅技术相结合，为实现高精度转动参数传感提供技术手段；研究磁电器件的电源管理技术及转动能量采集和转动参数传感的多功能融合技术，为磁电技术的实际应用奠定基础。该项研究能够为转动环境中的无线传感器供电提供新的理论和解决方案，为转动参数传感提供新的手段和思路。

为了构建自供电无线转动参数传感器，以及为安装在转动环境中的胎压、螺旋桨应力、温度等无线传感器供电，本项目研究了转动能量采集和转动参数传感一体化的磁电技术，基于磁电换能器和多极磁环构建了新型的多功能磁电器件。结合多极磁环的磁场分布模型与磁电效应的磁电电压转换系数表达式，完成了多功能磁电器件的机械—磁—电转换机理的建模。搭建了将磁电器件旁置在多极磁环边上的实验系统，研究了该多功能磁电器件的动态转动参数传感机理，提出了分别采用鉴频和鉴相的方式对转动速度和转动位置进行测量。进一步，为了实现对转动参数的静态测量，采用了在磁电器件上绕制调制线圈并对通过调制线圈对磁电器件预施加一个等于其谐振频率的交流磁场，进而通过鉴幅的方式实现对静态位置的测量。进一步，为了提高多功能磁电器件的输出性能，设计了由均带有U形槽的扼磁环与配套的四个扼磁弧构建的磁路，通过将磁致伸缩层嵌入U形槽，在显著减少漏磁的同时成倍提高了磁电器件的输出性能。在此基础上，完成了对多功能磁电器件的封装。为了在省去线圈的同时能够实现对动态乃至静态转动参数的测量，磁电器件被指定成PMP型，且其中一个PMP型磁电器件被用作复合压电变压器，两个压电层分别被用作驱动层和输出层。通过对驱动层施加调制电压，然后采用鉴幅的方式处理输出信号，从而实现了对转动参数的静态测量。实验测试表明，转动速度的测量误差为0.25%，角度分辨率低至0.1°。通过优化多极磁环的对极数，上述分辨率可以进一步提高。为了实现磁电技术转动参数传感和转动能量采集的融合，在0-1200 rpm的测试过程中，多功能磁电器件的输出电压稳定达到了45.3 Vpp。通过优化多极磁环的对极数以及提高转速可以进一步显著提高，为后续研究指明了方向。