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.     

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.     

基于ARM的超磁致伸缩微驱动器的偏置与驱动电路设计

超磁致伸缩微驱动器的工作主要需要提供一个可控的偏置磁场和驱动磁场,前者使超磁致伸缩材料的磁致伸缩特性得到优化,消除倍频效应,后者实现对微驱动器的输出位移控制;设计一个可控电流源,采用悬浮负载功率放大恒流电路,并通过ARM处理器的数模控制,使指定电流通过电磁线圈以产生所需磁场强度;该设计的可控电源,可输出最大±5A的电流,提供给偏置和驱动线圈,实现微驱动器的直观、灵活的控制。     

高频磁致伸缩换能器输出力特性分析与测试

磁致伸缩换能器可以将电能转换成机械振动,输出力特性是影响换能器机电转换效率的关键因素。基于动力学方程和阻抗特性研究,采用机－电类比方法,建立换能器机电等效电路。为了扩大模型应用范围,研究了不同频率对机电转换变量的影响并对模型参数进行修正,分析换能器的输出力特性, 搭建实验平台,通过力传感器测量换能器不同输入电流与频率下的输出力特性。结果表明,谐振频率下的输出力振幅与阻抗分析结果相吻合,模型参数修正后可以较好的预测换能器不同工作状态下输出特性。     

一种铁镍合金磁致伸缩位移传感器设计

阐述了基于铁镍合金材料的磁致伸缩效应的位移传感器的工作原理,通过在磁伸材料两端施加电流脉冲信号,产生的纵向环形磁场与永磁产生的恒磁耦合产生磁弹性波,激励电流与反射弹性波在检测线圈中产生两脉冲信号,其时差与永磁位移呈线性关系.设计了脉冲激励电流发生和检测线圈感应信号处理电路,将反映位移的两脉冲信号时差转换成脉宽调制(PWM)信号,从而实现了用时差和模拟电压反映位移量的两种输出形式.通过对量程84 cm的铁镍合金材料实验,结果表明:当激励脉冲信号脉宽为10μs,功放幅值为10.3V,检测线圈匝数为600匝时,时差和模拟电压测量位移量的线性度分别为0.165％ FS和0.175％ FS.     

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。     

大位移磁致伸缩传感器的弹性波建模与分析

磁致伸缩位移传感器是一种测量精度高,测量位移大的新型位移传感器.传感器设计涉及多学科交叉,难以建立统一数学模型.以FeGa材料作为磁致伸缩位移传感器的核心波导丝,建立了波导丝材料磁致伸缩弹性波振动模型,波导丝磁机耦合模型和信号检测模型;同时分析了弹性波信号的受限因素,信号衰减特性.在数学模型基础上,搭建磁致伸缩位移传感器系统,设计了扭转波信号检测电路.实验结果表明信号的输出随着传感距离的增加而减小,该模型对大位移磁致伸缩传感器研究有积极意义.     

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。     

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。     

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.     

Fe-Ga合金换能器动态输出特性分析

Fe-Ga合金具有应变大、响应时间短、能量密度高、磁机耦合系数高、驱动方式简单等优点.Fe-Ga合金换能器在高频驱动电流下会产生涡流损耗.驱动电流频率越大,集肤效应越明显,涡流损耗越大,磁场分布越不均匀,从而影响换能器的输出位移和输出功率.首先基于麦克斯韦方程组分析了不同频率下Fe-Ga棒内的磁场分布,结合结构动力学模块分析了Fe-Ga合金换能器棒内的磁场分布,进而得到Fe-Ga合金换能器的输出位移和频率的关系.结果表明,所使用的Fe-Ga合金换能器共振频率为700 Hz,最大输出位移为6μm.     

Fe-Ga磁致伸缩位移传感器驱动电流位置调整与回波速度校正

通过对传统Fe￣Ga磁致伸缩位移传感器驱动脉冲电流输入端位置的改进,降低了驱动脉冲电流噪声对检测线圈输出电压的影响,并使检测线圈输出电压信噪比由15.5 dB提高至23.7 dB。基于应力波无阻尼反射原理提出一种新的回波速度校正法,确立了回波速度与波导丝长度、应力波传播时间、反射波传播时间的数学关系,并给出此表达式适用的驱动脉冲电流频率范围。制作了样机,通过实验验证了此方法最大位移测量误差减小到原来的1/5,为Fe￣Ga磁致伸缩位移传感器输出性能研究提供了理论依据。     

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.     

磁致伸缩位移传感器双磁环间测量盲区的影响分析

为减小双磁环磁致伸缩位移传感器磁环间的测量盲区,对传感器在测量盲区内的输出信号进行了分析。从双磁环偏置磁场与磁环间距的关系进行研究,建立了双磁环磁致伸缩位移传感器的输出电压模型,计算了不同偏置磁场强度的双磁环在不同间距与放置方向时传感器的输出电压,并通过实验进行了验证。结果表明,磁环规格相同时,测量盲区的大小与磁环放置方向无关,磁环偏置磁场强度越小,磁环间的测量盲区越小,磁场叠加影响的电压幅值变化量也越小。且在传感器的测量盲区内,电压输出信号将会受到偏置磁场与电压输出波形叠加的影响,这两种因素都会导致传感器检测失效。该研究结果为多磁环位移传感器磁环的选型及减小传感器磁环间的测量盲区提供理论基础。     

A novel Terfenol-D transducer for guided-wave inspection of a rotating shaft

The purpose of this study is to develop a new ultrasonic transducer capable of transmitting and receiving guided-waves in a rotating shaft. The key idea in this development is the use of wireless capability of the magnetostrictive effect. In this investigation, relatively low-frequency longitudinal waves are generated by Terfenol-D, a giant magnetostrictive alloy (GMA). After an underlying magnetostrictive transducer configuration is presented, the effects of various design parameters on the transducer performances are studied experimentally. The material behavior of Terfenol-D is also briefly discussed. To show the effectiveness of the developed transducer, the transducer is used for guided-wave damage inspection in a rotating shaft having an artificial crack.     

一种新型的智能化位移温度测量系统

本文介绍了磁致伸缩位移传感器的工作原理,PIC16C63单片机的主要特性,以及核心器件TDC-GP1和DS18820的功能及使用方法,研制了基于PIC16C63、TDC-GP1和DS18820的数字式位移、温度智能化测量系统。该系统能同时实现多液位多点温度测量,并用RS-422或RS-485串行通信进行远距离传输,不仅测量精度高、而且稳定性好。作为新一代智能化传感器,该系统已完成试验,并投入试生产和推广应用。     

非导磁金属隔层对差动变压器式位移传感器的影响

针对加入到差动变压器铁芯和衔铁之间的非导磁金属隔层对差动变压器式位移传感器性能的影响进行了研究.通过分析非导磁金属隔层上产生的电涡流得到加入非导磁金属隔层后差动变压器式位移传感器输出模型,应用MATLAB仿真得到非导磁金属隔层电导率、线圈激励频率和隔层与线圈距离对传感器性能的影响;对加入非导磁金属隔层后的传感器进行静态...     

Towards dynamics of controlled multibody systems with magnetostrictive transducers

The paper addresses mechatronic issue of multibody systems comprising giant magnetostrictive material based transducers (sensors and/or actuators). Interaction between dynamics and control in multibody system with smart material based transducers makes it possible to change system properties and functionality substantially as a response to applied electric, magnetic or temperature fields. To use this interaction in an optimal way, the proper mathematical models of controlled electro-magneto-elastic multibody systems need to be developed. In the paper, a general mathematical model of multibody systems with magnetostrictive transducers is presented. The model consists of the constitutive equations of magnetoelastic behavior of transducers, standard formulae of electromagnetism for induced voltage and current in the pick-up coil due to variation of magnetic field intensity, and finally, the equations of motion of multibody system itself. The last one can be derived using one of the well-known multibody dynamics formalisms. General model has been developed in detail for linearized dynamics of magnetostrictive transducers and implemented virtually for two practically important cases of interaction of hosting multibody system with transducers, namely for systems with displacement driven transducers and for systems with force driven transducers. Physical prototype of magnetostrictive transducer and test rig (hosting multibody system) have been built and used successfully for verification of developed models.     

基于AD698的半桥式电感位移传感器高灵敏度测量电路设计

针对主动磁轴承系统中电感位移传感器的高灵敏度设计要求,在对AD698芯片的输入输出特性进行了实验测量的基础上,对AD698的典型应用电路加以改进,提出了一种基于AD698的半桥式电感位移传感器高灵敏度测量电路设计方案。实验证明,相对于AD698的典型应用电路,这种方案能够显著地提高电路的灵敏度,并且输出电压的噪声没有明显增大。