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超磁致伸缩材料力传感执行器关键技术研究

刘慧芳  
【摘要】: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效应,开发具有力测量、输出力感知、输出力可控功能的微位移执行器具有一定的应用前景。但是,目前的研究主要集中在超磁致伸缩材料的单一磁致伸缩正效应特性或逆效应特性、和以单一效应作用为基础研发各种执行器或传感器。关于磁致伸缩正逆效应耦合特性及输出力可控原理的研究偏少,利用正逆耦合效应开发的集驱动、力测量、输出力感知、输出力可控等多种功能于一体的磁致伸缩器件未见报道。本论文在研究超磁致伸缩材料的磁致伸缩正逆效应耦合特性的基础上,研制了带有力传感和输出力可控功能的超磁致伸缩力传感执行器,其除了具有输出位移和力的基本执行功能外,还具有力测量、输出力感知和输出力可控的功能。具体研究工作包括以下几点: 首先,从磁致伸缩表现形式及产生原因的角度出发,分析了磁致伸缩正效应和逆效应的发生机理,研究了磁致伸缩正效应、逆效应及法拉第效应之间的映射传递关系,明确了多物理效应映射传递过程的物理学原理。 明确超磁致伸缩材料的磁致伸缩正逆效应耦合关系特性,是准确描述超磁致伸缩力传感执行器输出特性的关键。从超磁致伸缩材料内部能量角度出发,建立了发生磁致伸缩正效应和逆效应时,输出位移与力和磁化强度的关系,为实现输出力感知、输出力可控过程中对控制电流的求解提供了理论依据。依据Weiss铁磁学理论及超磁致伸缩材料的磁化本质,以J—A磁化理论和磁机械效应方法为基础,推导了发生磁致伸缩正效应和逆效应时材料内部磁化强度的量化方程,分析了正逆效应发生耦合时磁化强度与磁场和力的关联关系,为磁致伸缩正逆效应的解耦提供了理论基础。通过将遗传算法和模拟退火算法结合,提出了一种改进的遗传模拟退火算法,对材料的磁化参数和磁致伸缩参数进行了辨识。结果表明:该算法具有所需待测参数少、辨识精度高、速度快的特点。同时,在确定了的磁化参数及磁致伸缩参数的基础上,采用牛顿迭代法及欧拉法等数值分析方法,对磁化强度与磁场和应力的关系进行了仿真分析。 针对超磁致伸缩微位移执行器具有的力测量、输出力感知和输出力可控功能,从磁致伸缩压磁方程出发,结合霍尔效应和法拉第电磁感应原理,建立了力测量过程中霍尔电压与力、感应电压与力的关系,实现了力测量功能。以建立的输出位移与力和磁化强度的关系、内部磁化强度的量化方程为基础,提出了两种硬软件相结合进行解耦获得输出力的方法,实现了对输出力的感知。同时,提出了输出力可控过程中,控制电流的求解方法,实现了输出力可控功能。 基于超磁致伸缩微位移执行器的工作原理,结合力测量、输出力感知、输出力可控的实现方法,以超磁致伸缩棒为核心元件,采用理论计算与有限元电磁场仿真相结合的方法,设计研制了具有执行器功能、力传感器功能、执行传感功能及输出力可控功能的超磁致伸缩力传感执行器。同时,针对输出力可控功能,提出一种利用磁致伸缩正逆耦合效应映射关系求解控制电流与PID结合的控制方法,开发了输出力控制系统。 最后,通过搭建不同的实验平台,对超磁致伸缩力传感执行器的输出性能进行了实验研究。力测量的相关实验结果表明:当作为力传感器使用而进行力测量时,静态力测量的线性度约为±1.01%、灵敏度约为-0.29mV/N;动态力测量时线圈中感应电压峰峰值与力幅值近似成正比。输出位移的相关实验结果表明:无机械约束条件下,执行器输出位移的线性工作范围约为0.3A-1.0A(对应的磁场范围约为4.26KA/m-14.2KA/m)。输出力可控的相关实验结果表明:当人为扰动使执行器的约束发生位移突变,控制系统能够控制执行器的输出位移快速跟进,直至与约束间的作用力达到控制目标力,实现了执行器的输出力可控功能。 本论文在分析磁致伸缩正效应、逆效应与法拉第效应之间映射传递过程的物理学原理的基础上,研究了磁致伸缩正逆效应耦合特性,分析研究了输出位移(输出力)、力测量、输出力感知及输出力可控功能的实现原理方法及其集成技术,研制了带有力传感器功能、执行传感功能及输出力可控功能的超磁致伸缩力传感执行器。研究成果为磁致伸缩正逆效应的复合应用及加快新型多功能磁致伸缩器件的发展提供了理论支持和一种新途径。


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