1.本发明属于双端口电气网络元件技术领域，涉及一种四线-双端口磁电隔离器的测量装置及测量方法。
背景技术：2.通常电气隔离装置为双端口电气网络提供了一种无缝连接和进行信号传输（信号隔离）或功率传输（功率隔离）的通用媒介，被隔离开的电路之间要求能够承受一定的电压差，并且常用于隔离接地电位差和共模瞬态噪声，能够较好地保护电气系统，使其免受不可预测的浪涌和噪声的影响，目前已广泛应用于例如传感器接口模块、数据通信、现场总线隔离、外围接口和电信电路等需要数据接口及功率模块的隔离装置来保护核心电路和消除基准电压差等场合。从根本上讲，电气隔离器是在双端口电气网络之间提供电流隔离的接口电路，用来确保电气绝缘和隔离，但同时允许两个模块之间进行可靠的数据传输，有助于消除接地回路并为高压敏感电路提供保护。
3.传统隔离技术主要分为光电隔离技术、电容隔离技术以及变压器磁耦隔离技术。光电隔离器因存在光电之间的能量转换会产生的功耗较高，且传输速率受限制，但因无法产生差分信号在传输时易受噪声干扰。电容隔离器是通过电场的形式实现隔离传输，且采用双通道构成的差分通道，进而解决了单通道传输时无差分信号的问题，相对于磁耦隔离，其突出优点是抗电磁干扰能力强。磁耦隔离器通常采用分立式变压器来实现，体积较大且不利于集成，且抗电磁干扰能力不强；磁耦隔离器中还常用到运算放大器，使得隔离器带宽有限而在低压应用场合受到限制，然而磁耦隔离是目前唯一可实现集成功率传输的隔离技术。作为一种新型的磁电隔离元件，磁电复合结构因其在电场作用下的有序磁化亦或是磁场作用下的电极化固有特性，能够伴随着磁场能量和电场能量的相互转化，使其在磁耦隔离领域有着潜在应用。
技术实现要素：4.本发明的目的在于提供一种四线-双端口磁电隔离器的测量装置及测量方法，验证了磁电隔离器能够实现在低频领域内具有信号隔离的功能，在功率传输和信号隔离中有潜在应用价值。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明提供一种四线-双端口磁电隔离器的测量装置，包括磁电隔离器、阻抗分析仪、静态偏置磁场施加装置和支架；所述磁电隔离器固定在支架上并置于静态偏置磁场施加装置的中心位置，所述阻抗分析仪用于测量磁电隔离器在扫频过程中的电流和电压进而得到磁电隔离器的输入端阻抗和输出端阻抗以得到磁电隔离器的隔离度；所述磁电隔离器为由磁电复合材料及均匀围绕在磁电复合材料外围的线圈构成的四线-双端口元件，所述磁电复合材料为由一层压电陶瓷层和位于压电陶瓷层两侧的磁致伸缩层构成的对称结构，所述线圈端作为输入端连接阻抗分析仪，磁电复合材料端作为输出端连接阻抗分析仪，所
述静态偏置磁场施加装置由相对设置于导轨上的钕铁硼永磁体组成。
6.在一个技术方案中，上述测量装置还包括锁相放大器和100ω的定值电阻；所述100ω的定值电阻与线圈端串联或与磁电复合材料端串联，所述锁相放大器用于测量线圈端的输出电压或磁电复合材料端的输出电压进而得到磁电隔离器的正向转移阻抗和反向转移阻抗以验证磁电隔离器的非互易性。
7.在一个技术方案中，所述磁致伸缩层为ni
0.8
zn
0.2
fe2o4镍锌铁氧体磁致伸缩层，所述压电陶瓷层为pzt-8压电陶瓷层。
8.本发明还提供一种四线-双端口磁电隔离器的测量装置的测量方法，包括以下步骤：制作四线-双端口磁电隔离器；将磁电隔离器固定在支架上，并置于静态偏置磁场施加装置的中心位置；将线圈端作为输入端连接阻抗分析仪，调整两块永磁体与磁电隔离器的距离以改变施加在磁电隔离器上的磁场大小，得出磁电隔离器的输入端阻抗的模值随频率和磁场的变化曲线；将磁电复合材料端作为输出端连接阻抗分析仪，调整两块永磁体与磁电隔离器的距离以改变施加在磁电隔离器上的磁场大小，得出磁电隔离器的输出端阻抗的模值随频率和磁场的变化曲线；通过磁电隔离器的输入端阻抗的模值和磁电隔离器的输出端阻抗的模值计算得到磁电隔离器的隔离度，进而得到隔离度随频率和磁场的变化曲线；将100ω的定值电阻与线圈端串联，磁电复合材料端与锁相放大器连接，在线圈端施加电压，测得磁电复合材料端的输出电压，计算得到流经定值电阻的电流，进而得到磁电隔离器的正向转移阻抗；将100ω的定值电阻与磁电复合材料端串联，线圈端与锁相放大器连接，在磁电复合材料端施加电压，测得线圈端的输出电压，计算得到流经定值电阻的电流，进而得到磁电隔离器的反向转移阻抗；若磁电隔离器的正向转移阻抗的模值与磁电隔离器的反向转移阻抗的模值相等，则磁电隔离器具有非互易性。
9.相比现有技术，本发明的有益效果在于：相较于传统的铁氧体隔离器，本发明三层对称的磁电隔离器利用铁磁材料的磁致伸缩效应以及压电材料的压电效应并通过层间应变传递实现强磁电耦合，实现了磁场能-电能之间转换功能，通过器件自身的优点，起到了很好的正向传输、反向隔离的功能，而且进一步减小了器件的体积，具有制备工艺简单，成本低，机械损耗低等优点，在功率传输和信号隔离中有潜在应用价值。
附图说明
10.图1为本发明测量装置的结构示意图之一。
11.图2为本发明测量装置的结构示意图之二。
12.图3为输入端阻抗和输出端阻抗随频率和磁场（0oe~190oe）的变化曲线。
13.图4为本发明设计的磁电隔离器的隔离度随频率和磁场的变化曲线。
14.附图中标号：1为磁电隔离器，2为阻抗分析仪，3为静态偏置磁场施加装置，4为支架，5为锁相放大器。
具体实施方式
15.以下实施例用于说明本发明，但不用来限定本发明的保护范围。若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。下述实施例中的试验方法，如无特别说明，均为常规方法。
16.实施例一1）制作四线-双端口磁电隔离器四线-双端口磁电隔离器由磁电复合材料及均匀围绕在磁电复合材料外围的线圈构成，三层对称结构磁电复合材料由一层压电陶瓷层和位于压电陶瓷层两侧的磁致伸缩层构成，两层磁致伸缩层和压电陶瓷层通过环氧树脂胶层合成m-p-m三明治结构。本实施例采用的磁致伸缩层为镍锌铁氧体ni
0.8
zn
0.2
fe2o4，尺寸为38mm
×
5mm
×
1mm；压电陶瓷层为pzt-8，尺寸为40mm
×
5mm
×
1mm。
17.四线双端口磁电隔离器的制备方法如下：（1）分别选取打磨后厚度为1mm、长度为40mm的ni
0.8
zn
0.2
fe2o4镍锌铁氧体样片和压电陶瓷pzt-8片状材料；（2）使用600#细砂纸对镍锌铁氧体样片进行打磨并用丙酮清洗去除氧化层和附着物待用；（3）将40mm长的压电陶瓷样片和处理好的镍锌铁氧体样片用环氧树脂胶层合黏结后在恒温为120
°
c的温度下放置烤箱烘烤2小时即可制成三层对称结构的磁电复合结构；（4）对制备完成的磁电复合元件进行电极的焊接工作，使用导电铜丝作为电极，焊接在pzt上下两表面，同时检查其连通性；（5）再使用线径0.2mm的漆包线均匀密绕在磁电复合元件的外周，并留出两个线端作为器件的输入端，完成四线双端口磁电隔离器的制备。
18.由于线圈和磁电复合材料之间没有直接的电气连接关系，故器件本身就具有电气隔离的特性，又因器件两端口的输入阻抗的大小不同，对信号的流通也有不同的影响，阻抗大的一端可以阻碍信号的流通，而阻抗小的一端允许信号的流通。
19.将线圈端作为输入端，磁电复合材料端作为输出端，电流信号通过外绕线圈，将电能转换为磁场能，而磁电复合材料中的镍锌铁氧体会随周围磁场的变化而震动，即将磁场能转换为振动的机械能，后通过胶层将机械能传递给中间的压电陶瓷层，压电陶瓷受到压力的影响，会在两极板上产生电压，即完成了机械能到电能的转换，随后将电压信号向后输出，完成信号的传输功能。
20.相反，当电压信号从磁电复合材料端输入时，由于该端的阻抗非常大（数值是线圈端的300~500倍），故该端对信号的流通有很大的阻碍作用，可以完成信号的隔离功能。
21.2）搭建测量装置如图1所示，测量装置包括磁电隔离器1、阻抗分析仪2、静态偏置磁场施加装置3和支架4。静态偏置磁场施加装置3由相对设置于导轨上的钕铁硼永磁体组成，为磁电隔离器提供静态偏置磁场。将制备好的磁电隔离器1固定在支架上并置于静态偏置磁场施加装置3的中心位置。所用阻抗分析仪的型号为e4990a，购自是德科技。
22.3）测量隔离度将线圈端作为输入端连接阻抗分析仪2，调整两块永磁体与磁电隔离器的距离以
改变施加在磁电隔离器上的磁场大小，得出磁电隔离器1的输入端阻抗的模值|z
11
|随频率f和磁场（0oe~190oe）的变化曲线，如图3-a所示。由图3-a可知，随着频率f的增加，输入端阻抗的模值|z
11
|逐渐增大，在谐振频率处出现正反谐振，同时输入端阻抗的模值|z
11
|达到最大值或最小值；输入端阻抗的模值|z
11
|随外加磁场的增加呈现出先增后减、最后趋于饱和的趋势。
23.将磁电复合材料端作为输出端连接阻抗分析仪2，调整两块永磁体与磁电隔离器的距离以改变施加在磁电隔离器上的磁场大小，得出磁电隔离器1的输出端阻抗的模值|z
22
|随频率f和磁场（0oe~190oe）的变化曲线，如图3-b所示。由图3-b可知，随着频率f的增加，输出端阻抗的模值|z
22
|逐渐增大，在谐振频率处输出端阻抗的模值|z
22
|达到最大值；输出端阻抗的模值|z
22
|随外加磁场的增加呈现出先增后减、最后趋于饱和的趋势。
24.用输入端阻抗的模值|z
11
|与输出端阻抗的模值|z
22
|的比值来定义磁电隔离器1的隔离度，该比值越大表明磁电隔离器的隔离效果越好。通过磁电隔离器1的输入端阻抗的模值和输出端阻抗的模值计算得到磁电隔离器1的隔离度，进而得到隔离度随频率f和磁场的变化曲线，如图4所示，右上图为隔离度随磁场的变化曲线。从图4可以看出，当外加最优偏置磁场为190oe时，输入端阻抗的模值|z
11
|与输出端阻抗的模值|z
22
|相差达到峰值点（输出端阻抗的模值|z
22
|约为输入端阻抗的模值|z
11
|的1220倍），证明本发明选用的设计ni
0.8
zn
0.2
fe2o4镍锌铁氧体样片与pzt-8压电陶瓷材料构成的磁电隔离器1可以起到很好的正向传输、反向隔离的功能。
25.4）测量转移阻抗参数如图2所示，转移阻抗的正向测量：将100ω的定值电阻与线圈端串联，磁电复合材料端与锁相放大器5连接，在线圈端施加u1=100mv的电压，使用锁相放大器5测得磁电复合材料端的输出电压u2，计算得到流经定值电阻的电流i1，由正向转移阻抗公式z
21
=u2/i1，计算得到磁电隔离器的正向转移阻抗z
21
。
26.转移阻抗的反向测量：将100ω的定值电阻与磁电复合材料端（输入端）串联，线圈端（输出端）与锁相放大器5连接，在磁电复合材料端施加u2=100mv的电压，使用锁相放大器5测得线圈端的输出电压u1，计算得到流经定值电阻的电流i2，由反向转移阻抗公式z
12
=u1/i2，计算得到磁电隔离器的反向转移阻抗z
12
。
27.通过正反两次测量，将计算得出正向转移阻抗的模值|z
21
|和反向转移阻抗的模值|z
12
|对比，得出|z
12
|=|z
21
|，从而验证了隔离器具有正向传输、反向隔离的的非互易性，直接证明了本文所设计的四线双端口磁电隔离器设计方案的合理性。这种三层对称结构的磁电隔离器与传统铁氧体隔离器相比，它有更低的工作频率，适合应用在电子领域，且具有更小的体积，具有更高效的空间利用率，和传统有源电路相比，因其是无源型器件，所以更适合在电力电子信号传输中使用。故本发明可替代传统铁氧体隔离器和有源电路并在功率传输和信号隔离中有潜在应用价值。
28.以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，仅仅用以解释本发明，并非限制本发明实施范围，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过置换或改变的方式轻易做出其它的实施方式，故凡在本发明的原理上所作的变化和改进等，均应包括于本发明申请专利范围内。
技术特征：1.一种四线-双端口磁电隔离器的测量装置，其特征在于，包括磁电隔离器、阻抗分析仪、静态偏置磁场施加装置和支架；所述磁电隔离器固定在支架上并置于静态偏置磁场施加装置的中心位置，所述阻抗分析仪用于测量磁电隔离器在扫频过程中的电流和电压进而得到磁电隔离器的输入端阻抗和输出端阻抗以得到磁电隔离器的隔离度；所述磁电隔离器为由磁电复合材料及均匀围绕在磁电复合材料外围的线圈构成的四线-双端口元件，所述磁电复合材料为由一层压电陶瓷层和位于压电陶瓷层两侧的磁致伸缩层构成的对称结构，所述线圈端作为输入端连接阻抗分析仪，磁电复合材料端作为输出端连接阻抗分析仪，所述静态偏置磁场施加装置由相对设置于导轨上的钕铁硼永磁体组成。2.根据权利要求1所述的四线-双端口磁电隔离器的测量装置，其特征在于，还包括锁相放大器和100ω的定值电阻；所述100ω的定值电阻与线圈端串联或与磁电复合材料端串联，所述锁相放大器用于测量线圈端的输出电压或磁电复合材料端的输出电压进而得到磁电隔离器的正向转移阻抗和反向转移阻抗以验证磁电隔离器的非互易性。3.根据权利要求1所述的四线-双端口磁电隔离器的测量装置，其特征在于，所述磁致伸缩层为ni
0.8
zn
0.2
fe2o4镍锌铁氧体磁致伸缩层，所述压电陶瓷层为pzt-8压电陶瓷层。4.利用权利要求1~3任一项所述的四线-双端口磁电隔离器的测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：制作四线-双端口磁电隔离器；将磁电隔离器固定在支架上，并置于静态偏置磁场施加装置的中心位置；将线圈端作为输入端连接阻抗分析仪，调整两块永磁体与磁电隔离器的距离以改变施加在磁电隔离器上的磁场大小，得出磁电隔离器的输入端阻抗的模值随频率和磁场的变化曲线；将磁电复合材料端作为输出端连接阻抗分析仪，调整两块永磁体与磁电隔离器的距离以改变施加在磁电隔离器上的磁场大小，得出磁电隔离器的输出端阻抗的模值随频率和磁场的变化曲线；通过磁电隔离器的输入端阻抗的模值和磁电隔离器的输出端阻抗的模值计算得到磁电隔离器的隔离度，进而得到隔离度随频率和磁场的变化曲线；将100ω的定值电阻与线圈端串联，磁电复合材料端与锁相放大器连接，在线圈端施加电压，测得磁电复合材料端的输出电压，计算得到流经定值电阻的电流，进而得到磁电隔离器的正向转移阻抗；将100ω的定值电阻与磁电复合材料端串联，线圈端与锁相放大器连接，在磁电复合材料端施加电压，测得线圈端的输出电压，计算得到流经定值电阻的电流，进而得到磁电隔离器的反向转移阻抗；若磁电隔离器的正向转移阻抗的模值与磁电隔离器的反向转移阻抗的模值相等，则磁电隔离器具有非互易性。
技术总结本发明属于双端口电气网络元件技术领域，涉及一种四线-双端口磁电隔离器的测量装置，包括磁电隔离器、阻抗分析仪、静态偏置磁场施加装置和支架；所述磁电隔离器固定在支架上并置于静态偏置磁场施加装置的中心位置，所述阻抗分析仪用于测量磁电隔离器在扫频过程中的电流和电压进而得到磁电隔离器的输入端阻抗和输出端阻抗以得到磁电隔离器的隔离度；所述静态偏置磁场施加装置由相对设置于导轨上的钕铁硼永磁体组成。通过该测量装置验证了磁电隔离器能够实现在低频领域内具有信号隔离的功能，在功率传输和信号隔离中有潜在应用价值。值。值。
技术研发人员：张吉涛 张宝杰 张庆芳 武洁 陶加贵 张培 任林娇 赵艺芳 姜利英 曹玲芝
受保护的技术使用者：郑州轻工业大学
技术研发日：2022.05.24
技术公布日：2022/11/1
