非接触式柔性自偏置磁电电流传感器设计与应用

针对电网中现有电流传感器存在的易磁芯饱和、体积大、响应带宽窄、制备成本较高等问题,设计了一种柔性自偏置磁电电流传感器。首先,测试了磁电电流传感器在零偏置状态下的磁电性能,磁电电压系数可达17.65 V/(cm·Oe),表明传感器在零偏置状态下具有优异的磁电响应性能;然后,通过搭建的电流测试平台对传感器电流检测能力进行了验证,结果表明,传感器在谐振及工频频率时都具有良好的电流监测能力,且在工频电流50 Hz时灵敏度为33.07 mV/A,具有优异的灵敏度和线性度;最后,设计的磁电电流传感器在电力电缆护层环流监测业务上进行了试点应用,运行良好,表明非接触式柔性自偏置磁电电流传感器在电网非接触电流检测领域具有很大的应用价值和广阔的应用前景。

谐振型自偏置磁电换能器的建模与性能研究

基于磁化等效和非线性磁致伸缩本构关系,建立了L-T模式下的自偏置磁电换能器的多物理场耦合仿真模型,研究了弯曲、伸缩谐振模式下的磁电耦合性能.在所建模型基础上,制备了相应的实验样品进行测试.实测结果与仿真数据相吻合,从而验证了模型的准确性和有效性.实测结果表明,Metglas/Galfenol/PZT-5A结构在伸缩谐振模式下展现出更为显著的自偏置磁电效应,其磁电系数为10.7 V·cm^(–1)·Oe^(–1)@99.4 kHz,磁电功率系数为5.01μW·Oe^(–2)@97.9 kHz.无需阻抗匹配,其有载磁电功率系数最高可达4.62μW·Oe^(–2)@99.3 kHz.施加外部偏置磁场至25 Oe,磁电系数可提升至47.06 V·cm^(–1)·Oe^(–1)@99.4 kHz,磁电功率系数提升至82.13μW·Oe^(–2)@99 kHz.进一步的仿真研究表明,高磁导率层厚度的增加能显著提升自偏置磁电换能器的性能:当Metglas层厚度增加至90μm时,磁电系数和功率系数分别提升至原先的2.47倍和6.96倍.自偏置磁电换能器具备减少对外部偏置磁场依赖的能力,为磁电复合材料在低频无线功率传输系统中的应用与发展提供了新途径.

一种用于磁悬浮汽车的永磁电动轮的优化策略

为了改善磁悬浮汽车的基础性能,基于目前国内外永磁电动悬浮的研究现状,提出了一种基于更优磁化角的永磁电动轮结构。首先从原理的角度分析磁化角度变化实现更优电动轮结构的理论合理性,通过优化环形永磁电动轮的磁化角可以增加单极对的永磁体数量增加外围磁场强度,并利用等效面电流法推导得出更简洁的解析计算公式,分析得到了永磁电动轮与导体板之间的结构关系、磁场特性和涡流分布特点;然后在三维电磁仿真优化方面,从磁场、悬浮力、驱动力、浮重比和浮驱比等多个性能参数对比传统的永磁电动轮和改进的永磁电动轮。结果验证了改进后的永磁电动轮结构对其悬浮-驱动一体化功能具有有益提升,并从解析计算和实验分析两个角度共同验证三维电磁仿真的准确性和可靠性,为后续设计优化工作提供了可靠手段。这种Halbach阵列永磁电动轮的优化方案有助于磁悬浮概念车的基础性能提升,为“碳达峰、碳中和”背景下新型绿色环保交通工具的形成提供了可行的技术选择。

对称谐振式甚低频发/接磁电天线耦合性能研究

甚低频段由于低传播损耗特性,在远距离信号传输及军事通信方面有巨大潜力。传统天线庞大物理尺寸以及复杂网络匹配限制了低频天线通信的发展。磁电(ME)天线基于声波谐振原理可以突破尺寸极限且易于阻抗匹配,在甚低频段传输具有独特优势。基于此设计了P/T/P结构的发射天线和T/P/T结构的接收天线组成的新型ME天线系统。依据磁机电耦合模型分析天线在接收/发射电磁波时的规律;依据辐射模型研究近场范围内天线磁场分布情况;以声波介导激励,实现ME天线在甚低频段的发/收通信实验。实验得到在谐振频率下,ME发射/接收天线在压电占比分别在0.66, 0.34时,结构优化前较于优化后输出电压提升82.6%,通信距离提升42.2%;相较于同等尺寸电小天线辐射效率提高3个数量级;可实现传输速率为5bit/s的调制通信,依据结构优化实现了天线性能的提升。

功能梯度多孔磁电弹板的等几何建模与自由振动分析

针对功能梯度多孔磁电弹(functional graded porous-magneto electro elastic,FGP-MEE)板结构,该文基于等几何分析法(isogeometric analysis,IGA),采用一阶剪切变形理论(first-order shear deformation theory,FSDT)建立了等几何数值分析模型。首先,根据修正幂律(modified power law,MPL)方法得到了具有4种不同孔隙分布形式(V_(u),V_(o),V_(x),V_(v))功能梯度多孔磁电弹结构的等效材料参数;然后,利用磁-电-弹耦合本构方程、哈密顿变分原理以及等几何分析方法推导了FGP-MEE板的控制方程,并通过与已有文献对比,验证了所建模型的有效性和准确性;最后,研究了孔隙系数、功能梯度指数、孔隙分布形式、结构的几何参数(宽厚比、长宽比)以及边界条件对FGP-MEE板自由振动的影响。研究结果表明,材料中孔隙分布形式、孔隙系数以及功能梯度指数的变化对FGP-MEE板的固有频率有较大影响,且在孔隙呈V_o型分布时板的固有频率最大。

磁电弹性材料中含有带四条裂纹的正方形孔的反平面断裂问题

针对反平面剪切力作用下,磁电弹性材料中含有带四条裂纹的正方形孔口的断裂问题进行了深入地探索。基于线弹性断裂理论和Riemann-Schwarz解析延拓定理,利用复变函数方法和留数定理,通过构造合适的数值保角映射函数,将解析函数边值问题转化为柯西积分方程组进行解答,获得了磁电非渗透边界条件下裂纹尖端断裂力学参数的显式表达式。通过与已有结果的对比,验证了方法的有效性。利用数值算例描述了孔洞尺寸、四条裂纹长度和机–电–磁载荷等因素对裂纹扩展参数的影响规律。结果表明:水平右裂纹对孔口裂纹扩展影响更显著;垂直裂纹影响水平裂纹的扩展趋势;在磁电非渗透边界条件下,随着机械载荷的增大,裂纹尖端的应力强度因子变大,而电载荷和磁载荷对裂纹的扩展与机械载荷的大小和方向密切相关。该分析方法为求解复杂多连通域的智能复合材料问题提供了一条有效途径,研究成果为含裂纹的复合材料或结构的优化设计提供了科学依据。

Ga_(2-x)Fe_(x)O_(3) 单相多铁性及室温磁电耦合效应的研究进展

在单相多铁材料中,利用电场代替磁场来可逆控制磁性这一手段是实现下一代高密度、低功耗磁电多功能器件的理想方法。然而,目前所发现的单相多铁材料大多数都表现出了弱的室温铁电性、铁磁性或者低于室温的磁电工作温度,这严重限制了其在实际生产中的应用。近年来的研究发现,具有强磁电(ME)耦合的第Ⅱ类室温单相多铁Ga_(2-x)Fe_(x)O_(3),其剩余铁电极化强度(Pr)和饱和磁化强度(Ms)在最优的条件下分别可以达到25μC/cm^(2)和1.2μB/f.u.,因而是一种极有可能同时解决上述问题的新型替代材料。首先介绍了单相多铁材料的研究现状以及潜在的应用;然后总结了Ga_(2-x)Fe_(x)O_(3)材料单相多铁性和ME耦合效应的研究历程;最后,围绕Ga_(2-x)Fe_(x)O_(3)未来面临的关键科学问题和挑战进行了详细讨论。

磁电弹性材料含正六边形纳米缺陷的表面效应研究

在磁电弹性材料断裂力学框架下,利用表面弹性理论和解析函数边值理论,解析研究了反平面机械载荷、面内电载荷和磁载荷耦合作用下磁电弹性体中正六边形孔边均布六条等长裂纹的Ⅲ型断裂力学问题,确定了考虑表面效应时纳米尺寸裂纹问题的精确解.基于以上解析解,通过数值算例揭示了表面效应、缺陷几何参数及所施加的损坏载荷分别在两种理想裂纹面电磁条件假设下对断裂参数的影响规律.研究发现:考虑表面效应时影响裂纹扩展的因素与经典弹性理论解答明显不同.各个物理分量呈现出显著的尺寸依赖效应,但随着缺陷尺寸的增加,表面效应的影响呈下降趋势,并趋于经典弹性理论值.研究可为该材料应用于微纳米结构和微机电系统提供理论指导.

磁电弹性体中正三角形孔口快速传播裂纹问题分析

目的探索含运动缺陷的磁电弹性材料的力学性能和断裂机理。方法基于磁电弹性材料断裂理论和广义复变函数理论展开力学行为研究,通过作伽利略变换,将磁电弹性材料的断裂问题转化为稳定裂纹动力学问题进行解答。结果获得了磁电非渗透边界条件下裂纹尖端处动态应力强度因子以及机械应变能释放率的解析表达式。结论磁电弹性材料损伤、断裂现象的发生不仅受缺陷的几何参数和损坏载荷的影响,还与缺陷的运动速度有密切关系。

推拿联合磁电治疗在盆腔器官脱垂中的应用效果

目的探究推拿联合磁电治疗在盆腔器官脱垂中的应用效果。方法选取2022年1月—2023年1月本院收治的100例盆腔器官脱垂(POP)患者为研究对象,采用随机数字表法将其分为对照组和研究组,每组50例。对照组采用常规的中医推拿治疗,研究组采用中医推拿联合磁电刺激治疗,对两组患者的临床治疗效果进行比较。结果治疗后,研究组盆底肌各项功能指标评分优于对照组,研究组的治疗有效率高于对照组(P<0.05);治疗后,研究组的POP-Q分度等级较对照组更优(P<0.05);治疗后,研究组盆底肌功能的各项指标评分比对照组更高(P<0.05)。结论在产后盆腔器官脱垂的临床治疗中,中医推拿联合磁电刺激具有理想的应用效果,可显著改善患者的盆底肌功能,可有效改善患者的POP情况,以帮助患者提升性生活质量,具有临床推广价值。

层合磁电能量采集器的研究进展

层合磁电(ME)能量采集器具有微型化、柔性化和功能多样化等优点,在植入医疗、物联网(IoT)和微机电系统(MEMS)等低功耗设备的自供电监测中具有广阔的应用前景。评述了该采集器的最新研究进展,介绍了其磁-机-电耦合能量转换机理,梳理了各种高频、低频磁能采集器和低频混合能采集器的类型与结构特点,综合比较分析了器件性能,指出高频磁能采集器在植入设备无线供电医疗诊治中的潜在优点和低频采集器在载流IoT设备自供电传感监测中的显著优势。最后总结了该采集技术目前存在的问题和未来发展方向。

一种柔性磁电复合材料让磁场发电

俄罗斯莫斯科电子技术学院研发出一种能将地球磁场转换为电流的新型柔性材料,其可以成为计算机和智能植入物的一部分。相关研究发表在《磁学和磁性材料杂志》上。磁电材料是一种可以将磁场能量转换为电能(逆效应)的材料,在电场的影响下也会导致磁化(正效应)。这种材料的类似物在现代汽车中随处可见,如速度传感器、发动机转速传感器等。但目前磁电材料有一个显著缺点:基板脆弱且无法弯曲。这使其无法用于制造植入物或柔性电视和智能手机屏幕。

基于磁电耦合的高频变压器监测设备自供电技术研究

高频变压器稳定运行的关键在于稳定供电的监测设备对其运行状态的实时监测,而监测设备的长时间稳定供电则是监测稳定性的保障。本文首先对目前高频变压器监测设备常用自供电技术进行分析,之后提到磁电耦合效应具有将高频磁场能量转换为电场能量的能力,且输出效率和转换效率均优于其他常用自供电技术。因此本文基于磁电耦合效应提出一种新型自供电技术,构建了以磁电换能器和蓄电池为基础的供电系统,根据磁电换能器等效电路以及其他系统组成电路搭建系统仿真电路,并在此仿真电路的基础上进行该系统在环境扰动情况下电压输出稳定性实验,仿真结果显示当高频变压器电流变化时,系统输出电压在0.003s之内恢复给定输出电压值,证明该系统具有稳定电压输出的快速性和可靠性。

基于高性能Metglas/PMNT的MPP结构磁电复合材料的交流极化研究

近年来,基于高性能Metglas/PMNT的磁电复合材料的弱磁传感器受到广泛关注。随着磁电复合材料的深入研究,发现Multi-Push-pull磁电复合材料具有磁电系数高,内部噪声低等诸多优点,在弱磁场探测领域展现出巨大的应用前景。考虑到MPP结构的磁电复合材料的通常使用的是三方相的PMNT单晶和Metglas非晶合金,使用交流极化(ACP)方法改善MPP结构磁电复合材料的磁电响应。采用交流极化的方法来提升PMNT单晶的性能,通过探索不同的极化条件(包括极化温度、极化电压和极化频率)来提升MPP结构磁电复合材料的磁电系数,从而提升磁电传感器的弱磁探测能力。

磁电弹性材料含纳米尺度唇口次生两不对称裂纹的反平面问题

基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论和磁电弹性(MEE)理论,利用解析函数的保角映射技术,研究了反平面机械载荷和面内电磁载荷作用下,MEE材料中含有纳米尺度唇口次生两不对称裂纹的断裂行为,给出了缺陷(裂纹和唇口孔)周围广义MEE应力场和裂纹尖端MEE场强度因子以及能量释放率的解析解.在特殊条件下,所得结果退化为已有结果或者给出新的结果.数值算例揭示了缺陷表面效应对裂纹尖端MEE场强度因子的影响与纳米圆孔半径、唇口孔的大小、唇口次生裂纹大小,以及外加的机-电-磁载荷有关,也揭示了考虑表面效应时,无量纲能量释放率随唇口宽度、无穷远处机械载荷、电载荷和磁载荷的变化而变化.

新型磁电催化纳米粒子的活性氮释放与抗菌性能研究

相比于功能单一且易催生细菌耐药性的抗生素等药物,具有催化活性的无机纳米功能材料凭借自身对感染微环境(弱酸、高H_(2)O_(2)含量)或外部物理刺激(激光、超声)的高响应性和广谱杀菌等优势,在致病菌感染的治疗中占据愈发重要的地位。然而,感染微环境酸性微弱且不稳定,光、声信号功率密度过高会对人体细胞造成伤害,而诸如交变磁场等非侵入性、高组织穿透性和易于远程控制的信号类型及其介导的磁电催化在抗菌中的应用尚未见报道。本研究将基于磁致伸缩-压电催化效应的交变磁场响应性纳米催化策略应用于抗菌,并使用含氮基团L-精氨酸(LA)修饰CoFe_(2)O_(4)-BiFeO_(3)磁电纳米颗粒(BCFO)表面,以实现磁电响应可控释放强杀菌物种活性氮(RNS)。在交变磁场中,BCFO同时产生羟基自由基(·OH)和超氧阴离子(·O_(2)^(-))两种活性氧(ROS),前者与LA反应产生一氧化氮(NO),后者与NO反应生成RNS物种过氧亚硝酸根(ONOO^(-))。作为高活性的硝化和氧化剂,ONOO^(-)可在生物友好的交变磁场下展现出比ROS更强的抗菌能力。本研究证实BCFO能产生ONOO^(-),并发挥更强的杀菌功效。这一研究不仅将磁电纳米催化医学策略用于抗菌,还通过ROS向RNS转变显著提升了材料的抗菌性能。

声激励低频多模磁电天线谐振特性

传统的低频通信系统成本高、体积大、功耗高,这限制了它在透地/透水通信、地质勘探和军事等领域的应用。基于多铁性材料构成的磁电天线是利用声谐振取代电磁谐振从原理上克服传统低频天线小型化的难题。磁电天线不同的谐振模态对应着不同的谐振特性,这决定了天线的工作频率和辐射强度,然而磁致伸缩层厚度影响天线的谐振特性。针对这些问题,利用有限元方法得到了磁致伸缩层厚度对天线谐振特性的影响。结果表明,随着磁致伸缩层厚度增加,厚度纵波谐振的谐振频率降低,弯曲谐振、长度剪切波谐振和宽度兰姆波谐振的谐振频率增加。制备了不同磁致伸缩层厚度的天线样机,对天线的谐振特性进行测试,实测结果与仿真结果基本一致。此外,研究了磁致伸缩层厚度对天线机械损耗的影响。随着磁致伸缩层厚度增加,天线的机械损耗先减小后增加。多模低频磁电天线的谐振特性和机械损耗的研究可以为天线的频率设计提供指导,并为增强其辐射强度提供思路。

基于磁电耦合作用下雾化效率影响参数研究

针对高压静电雾化的作用原理,以提升静电雾化的雾化效率为最终目标,加入了磁场,以磁电耦合的方式来达到提高雾化效率的目的。以磁场加电场为主要研究对象,以喷针在磁场与电场中的液滴变化形态以及粒径密度为参考,通过有限元软件对磁场与电场进行数值模拟,观察液滴在微观状态下的运动模式,进行电场与磁场的调整。自行设计和构建了实验装置,通过对不同参数状态下的液滴进行分析,以净化实验腔室内CO的浓度作为评判指标,从而验证磁电耦合作用及改进后机械装置的可行性,实验表明,磁电耦合装置的设计增加了静电雾化的整体雾化效率,在同等条件下,其净化CO浓度降低了11%,雾化颗粒的分布密度也提高了5%左右。

磁电弹性材料中圆弧形裂纹的反平面断裂问题

利用广义复变函数理论和保角映射技术,研究磁电弹性复合材料中圆弧形裂纹在无穷远处受到沿磁电极化方向的磁/电载荷和反平面机械载荷的共同作用下的反平面问题,给出应力场及位移场的精确解析解,并获得在磁电全非渗透及全渗透边界条件下圆弧裂纹尖端场强度因子和能量释放率的解析解。基于数值解进行数值分析,由数值结果表明:控制圆弧形裂纹半弦长与弓高比值的减少,可以提高材料的可靠性能;在两种边界条件下,机械载荷的不断增加最终会促进裂纹的扩展;在磁电全渗透边界条件下,裂纹扩展不受磁/电载荷的影响,但与材料常数和机械载荷的大小水平有关;在磁电全非渗透边界条件下,正(负)磁/电载荷的增加会阻碍裂纹扩展。

磁电刺激联合盆底肌肉锻炼对女性压力性尿失禁患者盆底功能的应用效果分析

目的研究磁电刺激+盆底肌肉锻炼在女性压力性尿失禁患者中的价值。方法选取我院收治的女性压力性尿失禁患者80例,随机分为联合组和单一组,各40例。联合组采取磁电刺激+盆底肌肉锻炼,单一组实施盆底肌肉锻炼,比较两组总有效率、盆底功能、最大尿流逼尿肌压(Qmax)、最大尿道闭合压(MUCP)、盆腔器官脱垂-尿失禁性生活(PISQ-31)与国际尿失禁问卷(ICIQ-SF)、漏尿量。结果联合组总有效率高于单一组,比较差异有统计学意义(P<0.05)。干预后,联合组持续收缩力、协调能力、最大收缩力均高出单一组,但肌肉静息状态肌电值较单一组更低(P<0.05)。干预后,联合组Qmax低于单一组,但MUCP较单一组更高(P<0.05)。干预后,联合组ICIQ-SF低于单一组,但PISQ-31较单一组更高(P<0.05)。干预后,两组均较干预前降低,但联合组更低于单一组(P<0.05)。结论磁电刺激+盆底肌肉锻炼的效果更为理想,可有效改善患者尿流动力学和盆底功能,同时缓解尿失禁程度,减少漏尿量,促进性生活质量提升,值得推广。