超磁致伸缩力传感器的模型研究

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,基于能量变分原理,建立了超磁致伸缩力传感器的有限元模型。应用该模型计算了超磁致伸缩力传感器空气隙中的磁感应强度和磁致伸缩棒上施加力的关系,并与实验值进行了比较。计算结果与实验结果符合较好,表明建立的超磁致伸缩力传感器的有限元模型是有效的。     

微位移驱动器的控制模型及仿真技术研究

介绍了超磁致伸缩驱动器(GMA)的结构、工作原理、特性方程以及超磁致伸缩效应模型,从有助于理解压磁效应的角度,建立了GMA的静态位移—力模型和磁—机耦合模型,并对后者进行了仿真研究,仿真结果显示:机械部分响应时间比较缓慢,减小阻尼会带来一些不利影响,如超调量增大,波动增大,要改善系统的动态性能,需要在控制系统部分增加合理的调节器。     

超磁致伸缩换能器磁棒磁场及应变的数值仿真

研究不同驱动电流频率下超磁致伸缩棒的磁场和磁致伸缩应变,针对传统实验测量应变时将仪器置于磁棒内带来的破坏以及很难得到棒内任意点的应变分布问题,为实现换能器的功能,通过电磁理论和有限元理论建立了超磁致伸缩换能器磁场的有限元模型,并在ANSYS电磁场模块下对模型进行了仿真,分析了磁场轴向、径向均匀性及涡流效应对应变几何分布的影响.结果表明:频率增大,涡流效应增强,磁场轴向均匀性增加、径向均匀性减小,应变几何分布变化显著.结果表明对超磁致伸缩换能器驱动频率的选择及器件的设计具有一定的指导意义.     

偏置磁场对超磁致伸缩致动器输出特性的影响分析

采用Terfenol-D棒作为超磁致伸缩致动器GMA(Giant Magnetostrictive Actuator)的主要材料,研制了有偏置磁场和无偏置磁场两种超磁致伸缩致动器,分析了具有分段式永磁偏置和无偏置致动器的结构及性能.基于安培定律、磁路基尔霍夫定律、叠加原理对致动器的磁场进行理论分析.为进一步分析磁场分布,创建三维模型,利用有限元仿真软件对GMA内部磁场进行分析和比较,仿真结果表明:分段式永磁偏置结构致动器能够达到理想的偏置要求,无磁场偏置的致动器在电流作用下磁场分布更均匀.实验结果表明:超磁致伸缩致动器输出位移和力的大小分别与Terfenol-D棒长度、直径呈正相关,施加偏置磁场能够改善超磁致伸缩致动器的动静态输出特性,提高致动器静态输出位移和力的线性度,消除动态输出位移与输出力的倍频现象,提高其输出精度.     

基于GMA的列车主动悬挂系统垂向振动分析

针对列车被动悬挂系统对列车减振效果不明显的问题，提出一种超磁致伸缩作动器(Giant Magnetostrictive Actuator, GMA)用于主动悬挂系统中的方法。基于列车主动振动特性和超磁致伸缩作动器的磁致伸缩工作机理，搭建GMA为作动器的主动悬挂系统模型，通过MATLAB/Simulink仿真软件得到车体垂向振动响应。仿真结果表明，基于超磁致伸缩作动器的列车主动悬挂系统，与被动悬挂系统相比，抑制了列车垂向振动，列车垂向平稳性指标优化了12.62%,提高了列车运行品质。     

基于改进PSO算法的GMA迟滞模型参数辨识

使用改进的粒子群优化算法辨识Jiles-Atherton模型参数。针对J-A模型对超磁致伸缩致动器(giant magnetostrictive actuator,GMA)迟滞特性建模中磁化参数互相嵌套难以辨识的特点,改进磁滞模型并建立了考虑超磁致伸缩材料磁机耦合特性的动态磁滞模型;为了克服普通粒子群算法实际求模型参数时计算量大,运行时间长的缺点,提出基于粒子群算法和遗传算法的改进算法--带交叉因子的粒子群优化算法,将模型仿真所求的磁化强度和实验测得的磁化强度的差值的平方作为适应度函数,并结合最小二乘法思想对J-A模型的几个参数进行辨识;最后,在Matlab 7.0上进行仿真,给出了模型辨识后的结果。在不同预压力和驱动频率下的仿真结果与GMA已有实验数据进行对比,验证得出辨识后的模型可较好地与实验数据拟合,磁致伸缩位移误差在5%以内。     

GMM换能器的设计优化

以超磁致伸缩材料(GMM)Terfenol--D为主动材料的换能器的性能可以通过改善驱动线圈和GMM的形状,选择合适的材料进行优化.对于尺寸有限制的微型换能器,本文用matlab分析了磁场与线圈内径和漆包线线径之间的关系,提出了提高线圈的磁场生成能力的方法;仿真了能量转换效率与GMM棒的外径和它的内外径比值之间的关系,提出了提高线圈能量转换效率的措施;分析了如何提高GMM的有效磁通量、减小涡流损耗的方法.用ANSYS软件对三种换能器的材料组合进行磁通量分布的有限元仿真,确定了换能器材料选择的规律.多个换能器的对比实验验证了此优化设计方法的正确性.     

基于双芯光纤滤波器解调的光纤光栅电流测量

利用光纤光栅(Fiber Bragg grating,简称FBG)、超磁致伸缩材料(Giant magnetostriction material,简称GMM)和基于双芯光纤滤波器的解调系统实现了交流电流的测量。在介绍超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应、光纤光栅检测电流原理以及双芯光纤滤波器解调原理的基础上,借助超磁致伸缩材料和光纤光栅等构建了电流测量单元。利用设计的电流测量单元,在施加0～4.5A(50Hz)范围的交流激励电流时,经基于双芯光纤滤波器的解调系统解调,验证了采用该方案检测电流的可行性。     

长线磁致伸缩位移传感器的磁极化强度模型

长线磁致伸缩位移传感器是一种利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应及其逆效应实现位移测量的传感器.运用电磁学和铁磁学相关理论,构建了磁极化强度模型,讨论了该种传感器中扭转式弹性波的产生机理.通过建立有限元模型,使用ANSYS仿真平台进行了激励磁场的仿真模拟.理论模型对仿真结果数据的进一步计算获得了磁致伸缩线体内应力的分布特性.计算结果与实验数据的比较,证明了磁极化强度模型相关理论的合理性.为构建有效的弹性波信号,提高该种传感器检测精度提供了理论依据和实验数据.     

微弱应变测量传感器设计及应用

通过对现有磁致伸缩系数测量方法的分析,提出了一种非平衡电桥法测定磁致伸缩系数的新方法,并设计制作了微弱应变测量传感器,获得了温度在295 K时铁—镓(Fe-Ga)合金材料在0~60 mT磁场中的关系曲线,并建立了磁致伸缩系数与磁场的关系公式.实验结果表明:传感器能够稳定和精确地获取磁致伸缩系数,为精确测量磁致伸缩材料在磁场中的变化特性开辟了新途径,在一定程度上,解决了当前实验仪器研究中存在的超微弱信号极难测量和稳定性的问题,为以后相关仪器的研究提供了范例,可作进一步推广.     

基于流-热耦合模型的GMM智能构件温升控制系统设计

热效应对超磁致伸缩执行器中超磁致伸缩材料性能产生非常大的影响,从而影响超磁致伸缩执行器的定位精度;提出一种简化的强制水冷策略保证磁致伸缩材料温度恒定;同时建立了超磁致伸缩材料智能构件流-热多场耦合的有限元模型,运用COMSOLMultiphysics 3.4软件对模型进行仿真,仿真结果验证了模型的正确,进一步的实验结果证实了提出的温度控制策略的有效性。     

一种涡流传感器恒流驱动电路设计

针对现有涡流传感器采用开环恒压驱动方式驱动,存在驱动电流受电路温漂和负载变化影响的问题,设计了一种应用线性控制理论的涡流传感器恒流驱动电路。详细介绍了该电路的各模块及多输入单输出反馈控制系统应用电路的设计。仿真和电路试验结果表明,相比于传统的涡流传感器开环恒压驱动电路,该电路不仅能提供恒定驱动电流,还具有较小的温漂及较强的负载变化能力。     

基于科赫雪花图形激励装置的涡流传感器工作原理分析

首次提出并设计了一种基于分形理论自相似结构的科赫雪花图形激励装置涡流传感器,对这种传感器的工作原理和物理模型进行了深入的分析,分析表明,基于分形结构激励线圈的涡流传感器,在多处具有涡流叠加效应,随着科赫雪花图形阶次的提高,这种涡流叠加效应越来越明显,分布密度不断增加,可以显著提高涡流传感器激励效果和检测灵敏度,从而提高对微小裂纹缺陷的检测能力.研制了实际装置,通过实验证了这一结论.     

方向性脉冲涡流应力检测研究进展

方向性脉冲涡流检测技术是一种新型的脉冲涡流检测技术,由于具有方向特性,在脉冲涡流各向异性金属部件应力检测中具有明显的优越性。综述了方向性脉冲涡流无损检测技术在理论、信号特征提取、应力检测等方面的国内外研究进展,分析了方向性脉冲涡流无损检测技术的发展方向。     

基于Ansys有限元法的电涡流位移传感器分析

为了满足磁悬浮飞轮系统高精度的位置检测要求,必须进行传感器性能的分析与设计。从涡流传感器的原理出发,利用Ansys软件进行有限元建模仿真,得到涡流传感器的阻抗与检测距离的关系,从而可得到经过测量电路后的输出电压受位移变化的影响。按照线圈仿真模型和电路中各元件的参数制成实际的传感器线圈检测回路,实验结果与仿真结果的一致性表明:基于Ansys的有限元分析法对涡流传感器设计有重要指导意义。     

电涡流传感器建模与仿真分析

利用电涡流位移传感器可以研制出防水性电子数显卡尺。应用有限元技术(ANSYS软件)对空心平面线圈的三维电磁模型进行了仿真分析,建立了以空心平面线圈为特征的电涡流传感器数学模型,并将线圈分解为多个导线,分别独立仿真,最终进行合成。将仿真结果与实验结果相对照,结果表明:上述仿真结果与实际传感器的特性是吻合的。本研究结果为这种传感器的实际应用提供了有利的分析方法和手段。     

基于二阶矢量位的线圈横向移动三维涡流理论建模

针对电涡流传感器探头线圈相对导体横向移动时阻抗变化的涡流问题,以二阶矢量位电磁理论为基础,在直角坐标系下,推导出线圈相对导体横向移动时的阻抗及阻抗变化量公式,建立其电磁场三维涡流理论模型,且通过试验验证了模型的正确性.使用Mathematice软件建立模型计算分析线圈几何尺寸(内径、厚度、线宽、线间距)对传感器灵敏度的影响,为合理选择线圈参数和优化传感器性能提供参考.     

有限元方法在涡流传感器设计中的应用

为满足特定的涡流检测要求,须进行涡流传感器设计与分析。在解析型设计的基础上,分析了有限元方法用于涡流传感器设计的正确性。实现了不同状态下单个线圈的阻抗计算,并对差分线圈的检测应用进行了分析。最后,应用三维模型,计算出了线圈的阻抗,可用于特殊结构传感器设计的数值分析。