双棒型磁致伸缩换能器的结构设计和特性分析

针对高频激励下磁致伸缩换能器磁场环境较差和能量损耗过高的问题,提出一种新型双棒驱动的磁致伸缩换能器设计方案.基于COMSOL仿真软件,从超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)、磁路结构和驱动线圈3个方面对双棒型磁致伸缩换能器进行优化设计.按照设计方案制作了一台双棒型磁致伸缩换能器样机,对样机的输出特性进行了实验测试,结果表明该双棒型磁致伸缩换能器在6.4 kHz的高频激励下,输出振幅达48 μm,输出力幅值能稳定在15 N左右,输出特性良好,为高频磁致伸缩换能器的结构设计和仿真优化提供了较好的依据.     

计及涡流效应和应力变化的超磁致伸缩换能器的动态模型

文中在Jiles—Atherton磁滞模型和换能器振动系统的结构动力学原理的基础上，考虑交流驱动时的涡流效应和应力状态的变化，建立了超磁致伸缩换能器的磁弹性动态模型。对换能器系统不同工作情况进行模型的仿真计算并与实验结果对比，发现模型与实验吻合较好。说明所建立的动态模型能较好地描述换能器系统输出应变与驱动磁场之间的关系。根据模型的计算结果拟合出了换能器系统的伯德图，用于指导对换能器系统进行频率跟踪控制。     

基于磁场传感器的层状磁电复合材料动态特性的有限元模型研究

依据Hamilton变分原理,运用有限元方法建立了用于磁场传感器的核心元件—磁电复合材料动态特性的有限元模型。应用所建立的模型求解了LT型Terfenol-D/PZT/Terfenol-D三层磁电复合材料的输出特性,并与实验结果进行对比分析。结果发现当静态偏置磁场为22.1 kA/m,正弦交流驱动磁场为7.4 kA/m、频率100 Hz时,计算结果和实验结果误差为0.9%。表明该模型适用于磁电复合材料输出特性为线性变化的区域。     

磁致伸缩力传感器输出特性及其影响因素分析

为揭示磁致伸缩力传感器的物理机制,研究了磁致伸缩传感器输出电压与核心元件磁特性的关系。基于磁致伸缩材料的逆磁致伸缩效应,使用片状Fe-Ga和Fe-Co合金设计一种新型的力传感器,根据霍尔效应原理和Jiles-Atherton模型推导了力传感器输出电压模型,通过传感器输出特性测试平台对传感器输出特性进行测试,实验结果表明在偏置磁场6kA/ｍ、 外力2N时,Fe-Ga合金力传感器的最大输出电压为112mV,Fe-Co合金力传感器最大输出电压为58mV,与输出电压模型具有较好的一致性,从物理机制层面上分析磁致伸缩力传感器输出电压的影响因素,确定力传感器的输出电压主要由偏置磁场、外力、以及传感器核心元件磁致伸缩(λ/ λｓ)和Ms/ λｓ1/ 2决定,并且传感器的输出电压与(λ/ λｓ2)１/2成正比,与(Ms/ λｓ１/2)成反比,揭示了磁致伸缩力传感器输出特性的物理机制。     

偏置磁场对Fe-Ga合金磁致伸缩导波传感器性能的影响

利用Fe-Ga合金应变大、驱动简单和磁机耦合系数高的优点制成的Fe-Ga合金磁致伸缩导波传感器是一种新型导波 检测装置,为提高传感器的换能效率,结合Fe-Ga合金材料的非线性本构关系,并且通过实验测量Fe-Ga合金材料的静态特性,初步得到了 Fe-Ga合金材料工作的最佳磁场强度范围,将Fe-Ga合金材料的非线性本构关系耦合到导波传感器中,建立了 Fe-Ga合金磁致伸缩导波传感器激励、传播、接收的模型。通过分析传感器永磁体的提离效应,得出最佳提离距离为2.5ｍｍ,通过对接收电压及应变的分析,得到了传感器的永磁体剩余磁场强度为 1.0Ｔ,选取非均匀分布的静态偏置磁场大小为1.0Ｔ,提离距离为2.5ｍｍ,仿真计算得到接收端的电压峰值为 0.15Ｖ。     

智能楼宇变风量空调系统的节能控制

论述了在充分利用智能楼宇设备资源及其智能化特点的基础上,对智能楼宇变风量空调系统进行节能控制,使其达到最佳的运行效果和节能效果的一些方法和思路,在预冷阶段,采用神经元网络算法得出空调系统的最佳预冷期;在调节控制阶段,通过前馈方式提前调节控制量,进行对风量的变频调节,在提前停机控制中,结合估算和现场采样的方法,确定理想的提前停机时间,通过物理仿真实验系统的验证,此方法具有很好的控制效果和节能效果。     

双线圈铁镓合金换能器的输出特性

为了探究铁镓合金在不同磁场频率下产生应变和输出能量的变化规律,设计了一种双励磁线圈结构的铁镓换能器,研究了铁镓合金换能器的静态和动态输出特性。基于有限元法计算了铁镓合金换能器上棒状铁镓合金在不同频率下的磁场分布情况。利用磁能与机械能的转换关系,分析了铁镓合金换能器在不同磁场频率下的电磁损耗、磁能存储和输出机械能变化规律。结果表明,随着磁场强度的增加,铁镓合金换能器的静态输出应变和输出位移先线性增大之后趋于饱和。铁镓合金换能器静态输出的最大应变为80×10~(-6),输出的最大位移为3×10~(-6)m。棒状铁镓合金的最顶端和最底端的磁场强度较大,且随着磁场频率的增加而降低;棒状铁镓合金的中间部分磁场强度较小但分布均匀,且随着磁场频率增加而增加。铁镓合金换能器的动态输出位移曲线为蝶形曲线,在磁场频率为50 Hz时,铁镓合金换能器输出的机械能最大为69.598 J/m~3。     

以Terfenol-D为核心元件的致动器低频输出特性实验研究

对无偏置磁场时低频(0～20Hz)范围内致动器的输出位移和致动器中Terfenol-D棒的伸长量同时进行了实验测试,并分析了致动器输出位移与Terfenol-D棒伸长量之间的关系.实验主要进行了交流输入电流频率一定时改变输入电流值和交流输入电流值一定时改变输入电流频率两种情况.分析实验结果可知,致动器的输出位移比致动器中Terfenol-D棒的伸长量小,器件有机械损耗,可见器件的结构设计有很重要的意义.为发挥Terfenol-D棒的性能,提高器件效率,可以优化结构设计.该实验研究结果对致动器的设计、优化具有一定的指导作用.     

基于磁致伸缩逆效应的纹理触觉传感器研究

纹理是物体表面微观结构分布特征的体现,为了提取不同物体表面微观结构特性,提出一种基于Galfenol材料的新型磁致伸缩触觉感知系统。基于磁致伸缩逆效应、悬臂梁挠度理论等建立纹理触觉传感器输出电压与纹理表面微观结构的关系。实验选取5种织物样本测试,测试的输出电压明显不同,然后利用MATLAB软件提取输出电压中与纹理有关的峰值平均电压和功率谱密度,表明在粗糙度大于6.0的范围内,传感器可以识别物体的粗糙度;在细密度大于6时,细密度的识别具有较高的灵敏度。最后通过测试触觉传感器的线性度为0.019%,灵敏度为97.31 mV/mm,重复性小于0.33%,验证纹理触觉传感器的稳定性,满足设计要求。     

扭转力作用下Fe-Ga磁致伸缩位移传感器的 输出特性

为提高磁致伸缩位移传感器的测量精度,需要从理论和实验上分析传感器的输出特性。针对扭转力作用下波导丝发生磁化状态的改变进而影响传感器的输出特性这一问题,基于材料力学求解扭转应力,并从磁畴角度分析扭转力对魏德曼效应的影响,结合Fe-Ga合金的非线性本构模型和磁致伸缩逆效应等建立磁致伸缩位移传感器的输出电压模型,计算不同螺旋磁场和扭转力下的输出电压。搭建预加扭转应力下输出电压的测试平台,从理论和实验上确定输出电压随扭转应力的增大呈非线性减小的变化规律。研究还表明:在同一磁场下,正向扭转应力导致的电压降小于反向扭转应力导致的电压降,提高偏置磁场或激励磁场可以从一定程度上抵消扭转应力对电压的影响。研究可为设计大量程高精度的位移传感器提供理论依据与指导。