高压放大器在复合材料磁电性能研究中的应用

时间：2023-01-12

实验名称：复合材料的磁电性能和高频谐振响应

研究方向：材料测试

测试目的：

由于在磁场探测、能量收集等领域具有潜在应用前景，多铁性磁电复合材料已经引起了持续的关注。磁电复合材料包含磁致伸缩相和压电相，通过两相界面进行应力应变传递，从而通过对材料施加交流磁场引发振动，这种振动传递到压电相会引发电极化，进而引发磁电响应。通过两相材料的选择、振动模式的优化，复合材料磁电耦合系数明显提高，特别是近年来剪切磁电系数受到广泛关注，在高频磁场探测中具有广阔的应用前景，可获得高的信噪比，先前的工作使用铽镝铁合金和钇铁石榴石等磁致伸缩材料提供伸缩或剪切应力，带动具有较大剪切压电系数的铌镁酸铅、钛酸镓镧、聚偏氟乙烯等材料实现剪切应变，制备伸缩-剪切或剪切-剪切振动模式磁电复合材料。而作为一种具有高机械品质因数Qm和低介电常数ε的无铅压电材料，铌酸锂单晶具有较大的剪切压电系数d15和d24，有望实现大的剪切磁电响应；同时铌酸锂可以通过单晶切型变化获得不同的压电系数，有利于设计各向异性的剪切振动模式磁电器件。因此，通过使用不同切型铌酸锂单晶研究剪切磁电系数具有理论和实用意义。

测试设备：机械夹持装置、ATA-4014高压放大器、阻抗频谱分析仪、铌酸锂单晶材料、氧树脂或α-氰基丙烯酸乙酯、铁氟龙胶带。

图：伸缩-剪切模式磁电复合结构示意图

实验过程：

将单片尺寸为16mm×5mm×25µm的3,5,10片Metglas薄片分别用环氧树脂粘接成Metglas叠层，从而提高其厚度和磁致伸缩应力。使用尺寸为13mm×5mm×0.5mm的铌酸锂单晶制备Metglas/LiNbO3/Metglas叠层复合材料。伸缩-剪切结构的机械夹持玻璃通过环氧树脂或α-氰基丙烯酸乙酯进行粘接，制备成叠层磁电复合材料，其中使用具有不同压电系数d15(或d16)的铌酸锂xzt/0◦,xzt/30◦,xyt/0◦,xyt/30◦,xyt/41◦等单晶切型。然后，使用ZJ-6型准静态d33/d31(+d15)测量仪测试铌酸锂的剪切压电系数，使用阻抗频谱分析仪测试铌酸锂的电容和阻抗频谱并计算介电常数。之后，将尺寸为12mm×5mm×1mm的薄磁带放于伸缩-剪切结构磁电复合材料的单侧或两侧各放一片，并通过铁氟龙胶带固定其位置，使用实验室自行搭建的测试系统在1kHz时测试复合结构的磁电系数，并在1kHz—1MHz频率范围内使用ATA-4014功率放大器测试磁电响应随频率的变化。

实验结果：

不同粘接层数Metglas/LiNbO3(xzt/0◦)伸缩-剪切复合结构分别用环氧树脂和α-氰基丙烯酸乙酯粘接机械夹持玻璃时的磁电系数，图中写明了相应的剪切磁电系数，计算剪切磁电系数的公式为αE15=αE-Clamping−αE-Freedom，其中αE-Clamping表示机械夹持状态测得的伸缩+剪切磁电系数，αE-Freedom表示机械自由状态测得的伸缩磁电系数。图中显示较优直流偏置磁场Hdc随着Metglas薄片层数的上升而上升，这是由于更厚的磁致伸缩层需要更大的直流偏置磁场，而在10层Metglas薄片粘接时需要的直流偏置磁场仍小于100Oe(1Oe=79.5775A/m)，这得益于Metglas在面内方向比传统磁致伸缩材料Terfenol-D拥有更高的磁导率。在5层Metglas粘接时，磁性层厚度和压磁系数的乘积有较优值，此时复合材料具有较大磁电系数。当把机械夹持玻璃的粘接剂换为环氧树脂时，剪切磁电系数从82mV/(cm·Oe)提高到109mV/(cm·Oe)，且更换粘接剂使剪切磁电系数在不同层数Metglas的复合材料中均有提高，这是因为环氧树脂比α-氰基丙烯酸乙酯粘接剂具有更高的弹性模量，可以对Metglas向两侧的振动起到更好的抑制效果，使振动能量更多地施加在压电相上。为了证实剪切磁电系数和压电系数的对应关系，通过准静态d33/d31(+d15)测量仪实测了铌酸锂单晶的剪切压电系数d15。结果表明实测剪切压电系数和理论值能够较好符合，铌酸锂xzt/30◦切型的较大d15为77pC/N，实测值略小于理论值，是由于购买的正常切型铌酸锂剪切压电系数66pC/N也小于理论值74pC/N。为了研究晶体方向和介电常数的关系，使用阻抗频谱分析测试了铌酸锂的电容。尺寸为13mm×5mm×0.5mm的铌酸锂晶片电容值Cp和频率f的关系，xyt和xzt系列切型铌酸锂在频率为1kHz时的电容值均为90pF，计算得到对应的介电常数εT11为80，与理论结果一致。

图：粘接不同层数Metglas伸缩-剪切复合结构磁电系数αE15与直流偏置磁场的关系

安泰ATA-4014高压功率放大器：

图：ATA-4014高压功率放大器指标参数

本文实验素材由西安安泰电子整理发布。Aigtek已经成为在业界拥有广泛产品线，且具有相当规模的仪器设备供应商，样机都支持免费试用。

词条
词条说明
高压放大器怎么驱动陶瓷的
高压放大器驱动陶瓷的过程涉及到压电效应，这是一种将机械能转化为电能（或反向转化）的现象。以下安泰电子就带来西安高压放大器如何驱动陶瓷的详细解释。压电效应：压电效应是指某些材料在受到外部力或应力作用下会产生电荷分离现象。具有压电性质的材料，如压电陶瓷（例如PZT陶瓷），在受到外力压缩或拉伸时会产生正负电荷分离，并在材料的两端形成电势差。这个电势差可以被看作是材料内部的电压信号。输入信号：高压放大器的
水声功率放大器应用：潜艇水下通信方式
潜艇能长期隐蔽于水下几百米深处，大海是一个巨大而深厚的导体，屏蔽了几乎所有的电磁波和光线，给潜艇的水下通信带来了巨大困难。本文为大家浅析潜艇在暗无天日的水下，如何联系“人间”？水声功率放大器在水声通信过程中又起到了什么作用？传统的潜艇水下隐蔽通信方式主要是长波通信，长波通信是潜艇较传统的通信方式之一。长波通信较主要的特点是其穿透海水的能力很强，在甚低频通信情况下，可穿透约30米的海水；在**低频情况
功率放大器主要作用是提供给负载什么信号
功率放大器是一种电子设备，其主要作用是将输入信号放大到足以驱动扬声器或其他负载所需的电平。它们可以从音频、视频或射频源接收信号，并放大这些信号以便能够在扬声器或其他负载上产生清晰、准确的声音或图像。因此，功率放大器主要作用是提供高品质的声音和图像信号。在音频系统中，功率放大器通常用于驱动扬声器，其输出信号需要具有适当的幅度（即音量）和频率响应，以产生高质量的声音。扬声器的特性决定了其对信号传输的要
高压放大器在哪些领域中可以进行测试实验
高压放大器是一种重要的电子设备，在众多领域中都可以进行测试实验。本文将为您介绍高压放大器在几个主要领域中的测试实验应用。高压放大器在电力系统领域中扮演着重要的角色。电力系统需要经常进行各种实验，包括测量电压、电流、功率和阻抗等参数。高压放大器可以被用于放大电流和电压信号，以实时监测电力系统的运行状态。通过高压放大器，可以对电力系统的稳定性、负载能力和故障进行精确而可靠的测试实验。此外，高压放大器还