超磁致伸缩微位移驱动器设计

针对超磁致伸缩材料,设计一种超磁致伸缩微位移驱动器并实现对其控制。在分析超磁致伸缩材料工作特性和超磁致伸缩驱动器工作原理的基础上,确定超磁致伸缩驱动器的结构参数,并应用有限元软件对超磁致伸缩驱动器的机械结构进行电磁场分析,比较无偏置磁场和含偏置磁场下超磁致伸缩材料所处位置的平均磁场强度,验证驱动器机械结构的合理性。同时设计压控电流源,利用基于数字信号处理器的控制器中数模转换电路控制压控电流源,使激励线圈配合偏置线圈产生所需磁场。实验表明,在给定预紧力和偏置磁场条件下,超磁致伸缩材料在2A激励电流下可输出行程为27.1μm,位移精度0.1μm,磁滞回线的平均厚度为3.29μm,验证了超磁致伸缩驱动器结构设计的合理性。     

稀土超磁致伸缩应力测试仪的设计及实验研究

基于超磁致伸缩材料自身在不同偏置磁场下应力和应变之间的复杂非线性关系.以单片机89C52为核心设计了稀土超磁致伸缩应力测试仪.该测试仪的硬件由静态电阻应变仪和89C52控制电路2部分组成,软件部分主要完成应力和应变之间复杂关系的拟合计算.进行了一定偏置磁场下超磁致伸缩器件的应力和应变的测试,测试结果表明:该应力测试仪工作稳定,应力测量结果可靠.目前该应力测试仪已经在杭州715研究所投入使用.     

超磁致伸缩薄膜磁致伸缩耦合机理的有限元分析

从微观能量角度分析了超磁致伸缩薄膜的磁致伸缩机理,建立了超磁致伸缩薄膜的非线性强磁—机械耦合模型。设计了简支梁式超磁致伸缩薄膜的驱动磁场并对其进行实验研究。通过Ansys有限元分析软件对简支梁式超磁致伸缩薄膜驱动模型进行了模拟分析,最终得到的薄膜的内部磁场分布结构及固有频率。结果表明,采用椭圆积分法得到薄膜内部磁场分布的数学模拟计算结果与有限元仿真结果基本一致。     

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。     

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。     

超磁致伸缩换能器预应力优化设计方法研究

为优化超磁致伸缩换能器的工作性能、提高输出振幅,基于预应力对磁致伸缩效应的作用机理,建立了饱和磁致伸缩系数与预应力的关系模型。提出磁致伸缩灵敏度的概念,建立其与预应力和外磁场强度之间关系的理论模型。以超声换能器输出振幅最大为目标,提出以磁致伸缩平均灵敏度最大为准则的最佳预应力值确定方法。实验结果表明:随着预应力的增大,磁致伸缩平均灵敏度存在极大值,该预应力可在一定驱动磁场强度下获得最大的超声振幅,由此验证了磁致伸缩灵敏度模型的正确性和最佳预应力确定方法的可行性。提出的最佳预应力模型对超磁致伸缩换能器设计中预应力的选择具有指导意义,有助于大振幅超磁致伸缩换能器的设计及应用。     

磁处理过程中磁致伸缩与残余应力关系的研究

提出通过测量磁处理过程中的磁致应变来反映磁场对残余应力作用规律的研究思路.通过TIG焊表面重熔和不同热处理规范加工初始应力水平不同的45钢试块,测量这些试块在相同低频间歇磁场作用下的磁致伸缩曲线,比较磁场作用前后残余应力的变化.试验结果表明,不同初始应力水平的试块在磁处理过程中表现出不同的磁致伸缩行为,而磁处理过程中磁致伸缩的相对变化与残余应力的相对变化具有良好的对应关系,通过磁致伸缩曲线可以判断出残余应力变化的大小及是否已趋于稳定.在试验现象的基础上,从能量微分方程建立的磁致伸缩应变量与应力水平间的对应关系,结果显示脉冲磁场作用下磁致伸缩幅值与主应力的乘积为常量,与试验值很吻合.     

偏置优化对Terfenol-D致动器性能的影响

从分析Terfenol-D材料的磁致伸缩机理出发,引申出预应力和偏置磁场是影响超磁致伸缩致动器性能的重要因素.零偏置磁场驱动下不同预应力对致动器位移输出影响的实验和零预应力下两种偏置磁场对致动器输出性能的比较实验,验证了合理选择预应力和偏置磁场可有效地改善致动器性能的论点.预应力和磁偏置的实验矩阵确定了不同预应力对应的优化偏置磁场,实际设计中需根据致动器要求确定优化的偏置条件.     

阀用超磁致伸缩致动器偏置磁场分布结构设计

在液压阀工作空间环境限制的条件下,设计了一种体积精小、结构紧凑的阀用超磁致伸缩致动器。针对该种致动器内部偏置磁场强度均匀性较差的问题,利用有限元仿真方法对其偏置磁场分布结构进行了分析及设计,通过引入磁场不均匀度及平均磁场强度两性能指标对偏置磁场分布结构进行区别,同时结合实际情况,确定了最佳偏磁分布结构为超磁致伸缩棒段数n=3时;制作了阀用超磁致伸缩致动器试验样机,并对样机磁场强度进行了测试。实验结果表明,超磁致伸缩棒表面的磁场分布与仿真结果具有相同的变化趋势,其磁场不均匀度约为22.7%,说明所设计偏置磁场结构是合理的,该研究对于液压阀件的设计具有一定意义。     

超磁致伸缩体内涡流效应有限元分析

为补偿涡流效应产生的温度与反相磁场对超磁致伸缩微位移驱动体位移输出造成的非线性,从电磁场基本原理出发,推导了超磁致伸缩驱动器内的涡流分布和大小的数学模型。利用伽辽金加权余量法和牛顿-拉夫逊迭代法得到涡流效应数学模型的解析公式。通过解析公式分析超磁致伸缩驱动器内驱动体横截面上的电磁场分布,进而得到驱动体上各部分涡流大小及分布与输入电流频率增加的对应关系。当输入频率大于1 kHz时,涡流有限元模型计算得到的涡流导致磁场损耗量与实测磁场强度相差约4.6 mT,表明此模型可以对超磁致伸缩驱动体内的涡流损耗进行有效的补偿。     

超磁致伸缩驱动偏转放大机构

偏转弹通过控制弹头相对于弹体偏转一定角度改变弹箭的气动特性和弹道特性,实现对弹箭落点的控制。基于该背景设计了一种柔性铰链放大机构,放大超磁致伸缩驱动器(GMA)的输出位移。首先对放大机构可输出的最大位移进行推导和计算。然后在给定位移下,计算得出输入作用力和输出位移存在线性关系,通过有限元软件仿真验证了线性关系的存在,并与计算结果对比,得出结构内部反力的存在造成额外位移损失。最后结合GMA输出力可控原理,推导出放大机构输出位移和GMA输出力、总磁化强度间的关系。     

超磁致伸缩电-机械转换器模型分析

讨论超磁致伸缩电－机械转换器集中参数机电模型及滞回特性模型建模方法。建立的超磁致伸缩电－机械转换器集中参数模型在中低频段能反映其动态行为,滞回特性模型能有效描述电－机械转换器的电流－位移滞回关系。仿真结果与实验特性能很好地吻合,表明提出的２种模型是有效的。     

超磁致伸缩材料驱动器的数学模型

本文从有助于理解压磁效应的角度,建立了超磁致伸缩驱动器（GMA）的静态力、位移模型。作出了几个有利于指导设计的推论,并对设计中的一些问题做了定性讨论。动态建模时,在Bryant and Wang所建模型的基础上,作了一些重要改进。首次提出了采用磁通反馈的动态模型,解决了将电感作为常量而出现的建模失真问题。     

应用于磁致伸缩传感器的SSI-USB转换器

为了实现磁致伸缩传感器与上位机的交互,研制了一种由高档8位单片机ATmega128控制的SSI-USB转换器.通过对SSI协议规范的研究,以及对由PDIUSBD12实现的USB接口电路的研究,提出了相关的软硬件设计.最终实现了SSI信号与USB信号的相互转换,从而实现了磁致伸缩传感器与上位机的通信.     

用于纹理探测的磁致伸缩触觉传感器

为了实现对不同物体表面微观结构的检测,并判断出不同物体的粗糙度和细密度,利用铁镓合金材料(Galfenol)的逆磁致伸缩效应设计并制作了一种高精度和高响应的纹理探测触觉传感器。基于欧拉-伯努利梁结构动力学理论、磁致伸缩材料线性本构方程和法拉第电磁感应定律建立了纹理表面微观结构与输出电压之间的关系。实验结果表明:在粗糙度大于6.5的范围内,传感器可以精确识别物体的粗糙度;在细密度大于6的范围内,提取谐波频率的方法对细密度的识别具有较高的灵敏度;在细密度小于6的范围内,提取功率谱重心的方法对细密度的识别具有较高的灵敏度。因此,利用传感器获得的信号,通过特征值提取可以表征物体的粗糙-光滑、稀疏-细密属性。     

超磁致伸缩力传感器及其实验研究

超磁致伸缩材料具有相对磁导率高、磁机转换率高等优良特性,对于传感器装置是一种很好的材料.文中基于维拉里效应原理完成了超磁致伸缩力传感器的设计,并利用有限元分析方法验证了所设计传感器磁场分布的合理性.提出了基于电感测童力传感器输出特性的方法,并进行了实验,确定了该传感器的灵敏度最高状态的最佳偏置磁场强度;并测量了0～10(3)作用力下传感器的输出特性,实验结果表明该传感器输出特性良好,可用于高精度要求的场合.     

超磁致伸缩驱动器双向可控恒流驱动电源的研究

针对超磁致伸缩驱动器的工作原理和电源驱动特点,设计了一种基于DSP控制能实现电流-4 A～+4 A连续可调的双向可控恒流驱动电源.该电源经实际测试性能良好,能满足超磁致伸缩驱动器的工作要求.     

超磁致驱动器迟滞系统逆模补偿控制

设计了超磁致驱动器和实验系统。针对超磁致伸缩执行器的磁滞非线性问题，对迟滞系统进行了可逆性分析后，采用BP神经网络对超磁致驱动器的迟滞特性建立了逆模型。分别进行了有逆模前馈的开环控制、传统PID控制和PID加逆模前馈的闭环控制来补偿迟滞特性。实验结果表明，逆模前馈补偿器有效地减小了系统的非线性误差，提高了执行器的控制精度。     

超磁致伸缩电─机械转换器热变形补偿试验研究

介绍了为克服超磁致伸缩电─机械转换器热形变输出而研制的可微调的热变形补偿机构的结构、理论分析和试验结果。结果表明,提出的补偿机构能有效地补偿GMM棒的热变形,提高了GMA的位移输出特性。     

磁致伸缩液位仪的应用研究

介绍了磁致伸缩液位仪的工作原理、技术特征、应用范围,分析了磁致伸缩原理在液位测量中的典型应用。从油品计量与监控、过程监控、LPG罐区监测等方面,讨论了磁致伸缩液位仪在实际测量中所具有的优越特性,成为液位测量中的理想选择。