超磁致伸缩材料力传感执行器关键技术研究

正超磁致伸缩材料以其大磁致伸缩系数、高机电耦合系数、快速响应能力、易于驱动等特点而备受关注。该材料具有强磁致伸缩正效应和磁致伸缩逆效应,在工作过程中表现出双向能量转换特性。利用磁致伸缩正效应可制作驱动装置,利用磁致伸缩逆效应可制作传感器。当超磁致伸缩材料工作在机械约束条件下,磁致伸缩正效应和逆效应会发生耦合。如果研究磁致伸缩正逆效应耦合特性,可利用正逆耦合效应开发兼具执行和传感功能的磁致伸缩器件。开发单体微位移驱动设备使之兼具执行和传感等多种用途,是微位移驱动领域理论研究与工程应用的趋势所在;并且,在精密、超精密加工领域,例如精密机械抛光加工中的压力控制,需要一种具有恒定输出力或输出力可控的驱动机构。因此,利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩正逆     

影响超磁致伸缩执行器中逆效应性能的主要因素

超磁致伸缩材料(GMM)是一种具有双向可逆换能效应(磁-机、机-磁)的新型功能材料,利用其逆效应在超磁致伸缩执行器(GMA)驱动过程中感知出传感信号,可实现自感知执行器.探讨超磁致伸缩逆效应的机理,设计一种试验方法,验证了超磁致伸缩执行器中的磁致伸缩逆效应.揭示预压应力、偏置磁场和激振力频率等因素对超磁致伸缩逆效应性能的影响规律,预压应力越大则逆效应性能越差,适当的偏置磁场可使逆效应性能显著增强,激振力频率越高,力感知灵敏度越高,但不成简单的正比关系.试验证明了GMA作力传感器有效性,提出一种分时结构的自感知GMA.     

基于磁致伸缩逆效应的超磁致伸缩力传感器

磁致伸缩逆效应是稀土超磁致伸缩材料的一个重要应用特性,应用磁致伸缩逆效应可以制作超磁致伸缩力传感器。但由于缺乏相应的设计理论分析,从而制约了其发展。在分析了磁致伸缩逆效应的基础上,给出了超磁致伸缩力传感器的设计原理,设计了超磁致伸缩力传感器的结构,并采用数值计算方法对其磁场进行了计算。计算结果与实验结果的比较表明:二者符合较好,设计的超磁致伸缩力传感器方案是可行的,对其今后进行深入应用研究和优化设计具有重要意义。     

超磁致伸缩材料微位移执行器的设计理论及方法

超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料,其微位移执行器的设计理论和方法具有特殊性。分析了超磁致伸缩材料的工作特性,给出了超磁致伸缩微位移执行器的原型。在此基础上,建立了执行器的微位移传递机构、磁路、驱动线圈及其冷却等几个关键部分的数学模型,并提出其设计理论和方法。同时,采用上述理论和方法研制了超磁致伸缩微位移执行器样机,通过试验验证了其正确性和实用性。     

超磁致伸缩微位移执行器的矢量阻抗分析模型

超磁致伸缩微位移执行器应用于精密、超精密加工场合时,执行器系统易受外负载影响,且在动态工作状态下会产生磁滞和涡流等效应,引起工作性能发生改变。应用线性压磁方程,机电换能方程和阻抗分析理论建立超磁致伸缩执行器的矢量阻抗分析模型。模型中将执行器系统的矢量阻抗分为机械导纳和电气阻抗两部分讨论,在机械导纳中引入负载影响,将压磁系数定义为复常数,模拟磁滞效应;在电气阻抗中,通过在求解的超磁致伸缩材料内部磁场引入涡流影响项来模拟系统的非线性特性;两部分之和得出超磁致伸缩微位移执行器系统的矢量阻抗。试验结果显示模型计算的系统矢量阻抗值与测量值间幅值误差约7%,相位误差约7.7%,表明所建立的模型能够近似描述系统在精密加工场合时的阻抗特性,可为超磁致伸缩微位移执行器的设计、控制和性能优化提供指导。     

磁致伸缩式扭转超声波位移传感器的研究与设计

介绍磁致伸缩式扭转超声波位移传感器的工作原理及设计机制。该传感器利用磁致伸缩的Wiedeman效应发射扭转波，利用磁致伸缩逆效应接收回波信号，根据发射脉冲与回波信号的时间差计算活动磁铁的位置，由于磁致伸缩材料和扭转波传播的特性，以及测量电路对于精确测时功能的实现，使和该传感器同时具有精度高，成本低，寿命长和安装简便，适用范围宽等优点。     

基于超磁致伸缩材料微位移驱动器的原理及实验研究

文章分析了超磁致伸缩材料的特性和驱动原理,在此基础上自行研制了超磁致伸缩微位移驱动器,并设计了测控系统。经实验获得该驱动器偏置电流、预压力和静态位移输出等性能参数,结果表明驱动器性能达到精密定位控制的要求,为研制精密加工部件奠定基础。     

功能材料驱动的微执行器及其关键技术

以新型功能材料为驱动元件的微执行器是精密加工、超精密加工和微机械发展的关键技术之一,对其驱动元件、结构设计、加工制造和精密测控等方面的研究具有重要的科学意义和实用价值。分析了国内外研究热点和具有代表性的压电、形状记忆合金和磁致伸缩材料等功能材料的优异性能及其微执行器的驱动原理和结构特点,阐述了功能材料驱动的微执行器技术的发展趋势,指出了功能材料驱动微执行器技术发展的关键技术。     

超磁致伸缩微位移驱动系统的研究

超磁致伸缩材料是近年来发展起来的一种新型功能材料,具有在室温下应变量大,能量密度高,机电耦合系数大等特性。文章分析了超磁致伸缩材料的驱动原理,介绍了超磁致伸缩微位移驱动系统的组成及工作原理。并对该系统的伸长量,微位移精度等性能指标进行了实验研究。     

磁致伸缩执行器驱动的精密流量阀建模与仿真

提出了一种磁致伸执行器驱动的精密流量阀,该流量阀采用新颖的液压缸比例放大结构以提高磁致伸缩执行器的输出位移。论文针对目前磁致伸缩流量阀建模方法的局限性,通过分析阀的受力模型以及位移-阀口关系,得到电流-流量的数学模型,建立了磁致伸缩流量阀线性模型。最后,利用线性模型设计了流量阀的参数,并进行仿真实验。结果表明,磁致伸缩流量阀系统具有良好的开环特性,响应时间可达1 ms,具有控制精度高、响应速度快的特点。     

稀土超磁致伸缩功能薄膜材料的特性及应用研究进展

稀土超磁致伸缩功能薄膜是一种新型的功能材料，具有器件微型化、位移量大、非接触式驱动等性能，其优良的特性和广泛的应用前景在国际范围内得到普遍重视，已经成为超磁致伸缩材料研究的重点。本文介绍了稀土超磁致伸缩功能薄膜的特点，重点阐述了超磁致伸缩功能薄膜材料在流体控制系统、线性超声马达和微小行走机械等领域的研究成果及其应用，并对稀土超磁致伸缩功能薄膜材料在国内的发展前景进行了展望。     

超磁致伸缩驱动器及有限元分析方法的研究

新型超磁致伸缩材料TbDyFe具有输出力大、位移分辨力高及位移范围大等特点,将其应用于微位移驱动器中,将极大的提高驱动器的性能指标,从而推动超精加工技术的发展.文中介绍了应用超磁致伸缩材料研制的驱动器的结构及性能,并利用有限元方法对建立磁-机械耦合模型进行分析,以利于计算机的模拟仿真,对驱动器进行分析及设计.     

超磁致伸缩电静液作动器输出流量影响因素分析

首先对作动器的工作原理进行分析,随后建立了作动器系统的数学模型,通过仿真分析得到超磁致伸缩执行器输出位移与驱动频率的关系,泵腔内活塞直径、泵腔高度与作动器输出流量的关系以及系统偏压与作动器输出流量的关系。对超磁致伸缩执行器进行实验和仿真对比,验证了仿真模型的正确性。对影响超磁致伸缩电静液作动器输出流量的几种因素进行总结,给出了这些影响因素在超磁致伸缩作动器设计与优化中的选取准则。     

基于圆形膜片柔性结构的超磁致伸缩执行器的研究

分析了超磁致伸缩材料的工作机理及特性，介绍了超磁致伸缩微位移驱动系统的组成原理和微位移执行器的结构。在此基础上，提出一种元摩擦和无爬行现象的圆形膜片柔性结构作为微位移执行器的力和位移的传递机构，建立其简化的力学模型，并采用弹性力学和有限元的方法对其力学性能进行了理论分析。实验结果表明，基于圆形膜片柔性结构的超磁致伸缩微位移执动器具有结构紧凑、重复精度高、输出位移大（可达40um）的优点。     

超磁致伸缩微位移执行器控制方法的研究

超磁致伸缩材料是近年来发展起来的一种新型功能材料。在分析了超磁致伸缩材料的驱动原理 ,并给出了它的两种驱动结构形式的基础上 ,对采用电流和磁感应强度做为控制量的两种控制方法进行了对比分析和实验研究 ,得出了基于磁感应强度的控制方法可提高超磁致伸缩微位移执行器的线性度和控制精度、减小迟滞的结论。     

Galfenol薄片式力传感器的理论研究与设计

为了提高磁致伸缩传感器的性能,并解决材料的脆性问题,设计了铁镓合金(Galfenol)薄片复合非磁性基底作为敏感元件。以基于J-A模型和磁-机效应法的动态耦合模型为依据,利用感应线圈采集Galfenol磁致伸缩逆效应的力感知信号,实现外力检测的目的。COMSOL仿真结果验证了模型描述磁化过程的有效性,传感器经信号采集系统放大后的输出电压可达60 mV以上,并与外力保持良好的线性度。     

超磁致伸缩微位移执器控制方法的研究

超磁致伸缩材料是近年来发展起来的一种新型功能材料，在分析了超磁致伸缩材料的驱动原理，并给出了它的两种驱动结构形式的基础上，对有用电流和磁感应强度做为控制量的两种控制方法进行了对比分析和实验研究，得出了基于磁感应强度的控制方法可提高超磁致伸缩微位移执行器的线性度和控制精度，减小迟滞的结论。     

稀土超磁致伸缩执行器优化设计及控制建模

研究了超磁致伸缩执行器设计中电、磁、机械及热设计中的优化方法，包括线圈的几何尺寸优化、磁路及偏磁场设计、预压力设计、考虑温度效应的修正模型等；建立了超磁致伸缩执行器基于输入电压一输出位移的控制模型，实验测得系统频率响应曲线与仿真结果一致。     

磁致伸缩位移传感器检测信号分析

实验研究了磁致伸缩位移传感器的探测电压信号,以便提高磁致伸缩位移传感器的检测精度。分析和验证了波导丝材料、驱动脉冲电流、检测线圈等参数对磁致伸缩位移传感器输出电压的影响规律。对检测线圈进行了优化设计,基于实验数据确定了传感器的各项参数值。实验发现磁致伸缩系数大、魏德曼效应显著的Fe-Ga材料作为波导丝,可明显提高电-磁-机械能的转换效率,获得较大的检测电压信号。研制了新型Fe-Ga波导丝磁致伸缩位移传感器样机,并与Fe-Ni波导丝传感器进行了性能对比。结果表明,与Fe-Ni波导丝相比,Fe-Ga波导丝磁致伸缩位移传感器的检测信号明显增强,信噪比显著提高,其检测电压信号幅值比Fe-Ni波导丝检测电压信号幅值提高了40mV,相应的传感器精度提高了2倍。     

具有阻抗匹配功能的磁致伸缩换能器驱动电源

磁致伸缩换能器是以磁致伸缩材料为驱动元件的特种电机。其工作电流和输出位移、输出力受磁致伸缩材料的非线性和温度、负载等因素的影响较大。为优化工作电流波形、实现频率闭环,以串联谐振电路为基础,设计了具有阻抗匹配功能的驱动电源,并进行仿真与实验研究,结果显示该电源能够使换能器保持谐振工作状态,同时具有较好的正弦电流波形。