CN102593966A - 电磁-机械同步共振测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电磁-机械同步共振测量系统，该系统根据功率发射电路的谐振频率，利用信号发生器产生该频率在经过功率放大器放大，使与能量接收端相联的电-机换能装置将电能转化为同频率的机械能，从而为不易拖带电线的微型管道机器人的电能供给及电能-机械能高效转换提供有效的解决方案。本发明设计提供了整套频率、电压及机械输出位移的测量系统，具有结构简单、效果明显、维护方便和操作灵活的特点，主要包括：函数信号发生器(1)；功率放大器(2)；功率发射电路(3)；功率接收电路(4)；电-机换能装置(5)；电压监测环节(6)；振动监测环节(7)。

Description

电磁-机械同步共振测量系统

技术领域

本发明涉及一种电磁-机械同步共振测量系统，该系统利用大功率振荡电路产生交变的电磁场作用于功率发射电路以发射电磁能量，然后电-机换能装置吸收后高效的转化为机械能，以实现电磁能与机械能之间的同步高效转换，从而为不易拖带电线的微型管道机器人的电能供给及电能-机械能高效转换提供有效的解决方案。本发明设计提供了整套频率、电压及机械输出位移的测量系统，具有结构简单、效果明显、维护方便和操作灵活的特点。

背景技术

磁致伸缩材料、形状记忆材料和压电材料不但能够对外界或内部的物理、化学变化具有感知能力，同时能够针对发生的变化作出响应，在传感器与执行器领域具有广泛应用，因此成为新型功能材料的代表。其中利用磁致伸缩效应制成的电-磁-机高精度快速微位移执行器具有易于集成、微型化、智能化等优点，目前被广泛应用于现代精密加工、建筑工程、机器人、医学和航空航天等领域。

本发明主要利用超磁致伸缩材料自身可实现电磁能与机械能高效相互转换的特点，针对不易拖带电线的微型管道机器人的电能供给问题，利用大功率振荡电路产生交变的电磁场作用于功率发射电路以发射电磁能量，然后电-机换能装置吸收后高效的转化为机械能，并通过多种测量手段对能量转换过程的相关参数进行实时监控，具有结构简单、效果明显、维护方便和操作灵活的特点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在电能的无线传输基础上产生大功率的交变电磁场并作用于功率发射电路，并使电磁能量无线的传输到功率接收电路，然后向电-机换能装置供电，从而将电磁能同步的转换为机械能，同时在此过程中实现电压与机械应力的实时监测。

本发明所采用的技术方案是：电磁-机械同步共振测量系统，包括有函数信号发生器(1)；功率放大器(2)；功率发射电路(3)；功率接收电路(4)；电-机换能装置(5)；电压监测环节(6)；振动监测环节(7)。

所述的功率放大器(2)由可以工作在高频、高电压下的大功率电子管为主要核心，结合外围电子器件组成大功率线性放大器，当函数信号发生器(1)根据功率发射电路(3)谐振频率输出一个正弦波形时，功率放大器(2)将该正弦信号放大为一功率信号，并通过电子管的调压旋钮改变输出功率。

所述的功率发射电路(3)由两部分组成：一部分是由高电导率无氧铜线密绕于线圈骨架上形成具有一定电感量的空心线圈；另一部分是选取高频金属薄膜电容器构成补偿回路并联在空心线圈首尾，功率发射电路(3)的工作频率由以上两部分同时决定。

所述的功率接收电路(4)由三部分组成：第一，由线径较细的无氧铜漆包线密绕在线圈骨架上形成空心电感线圈；第二，首尾并联金属薄膜电容器，电容器的容值选择要使功率接收电路(4)谐振频率与功率发射电路(3)的工作频率保持一致；第三，线圈骨架中间装入由超磁致伸缩材料制成的线性超磁致伸缩致动机构。

所述的电-机换能装置(5)由超磁致伸缩棒料与钕铁硼永磁块组成，将永磁快吸附于超磁致伸缩棒料的首端与尾端，从而提供偏置磁场以消除材料的倍频效应。当功率接收电路(4)工作于激励频率时，超磁致伸缩棒料将以同一频率向外输出轴向应力或者位移，从而实现电能与机械能的同步转换。

所述的振动监测环节(7)由高频特性良好的压电传感器SNAA51为核心元件，通过传感器在应力或应变作用下产生对应的电压信号，由上位机采集该电压信号并转换为对应的应力或应变信号，从而实现应力或应变的实时监测。

本发明的电磁-机械同步共振测量系统，在无线电能传输的基础上，将电磁能通过无线的方式由功率发射电路传送到功率接收电路并向电-机换能装置提供电能，然后利用超磁致伸缩材料的自身特性将电能转换为统一频率的机械能，在此过程中通过示波器及SNAA51压电传感器测量系统实现电压与应力、应变的实时监测。

附图说明

图1是本发明的整体结构原理图；

图2是功率发射电路与功率接收电路示意图；

图3是高频应力、应变采集原理图；

图4是电磁-机械同步共振测量系统各部分关系的示意图；

其中：

(1)：函数信号发生器；(2)：功率放大器；(3)：功率发射电路；(4)：功率接收电路；(5)：电-机换能装置；(6)：电压监测环节；(7)：振动监测环节。

a₁：功率发射端            a₂：功率接收端

V₁：发射端电压            V₂：接收端电压

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明的电磁-机械同步共振测量系统做出详细说明。

如图1所示，本发明的电磁-机械同步共振测量系统，包括有函数信号发生器(1)；功率放大器(2)；功率发射电路(3)；功率接收电路(4)；电-机换能装置(5)；电压监测环节(6)；振动监测环节(7)。

如图2所示，所述的功率发射电路(3)工作于自身谐振频率，该频率由密绕无氧铜线构成的电感与并联金属薄膜电容同时决定。功率接收电路(4)与功率发射电路(3)同轴放置，其工作频率通过密绕无氧铜线与并联金属薄膜电容的相互配合与调节后保证与功率发射电路(3)的谐振频率一致。

如图3所示，所述的电-机换能装置(5)是由提供偏置磁场的永磁体吸附在超磁致伸缩棒的首尾两关构成的。当功率接收电路(4)中产生一定强度的交变电磁场时，超磁致伸缩棒将以外部电磁场的频率工作，将电磁能转换为机械能。同时超磁致伸缩棒一端固定，由SNAA51传感器进行耦合，完成应力与应变的测量。

如图4所示，所述的电磁-机械同步共振测量系统首先由函数信号发生器(1)按照功率发射电路(3)所预定的工作频率发出正弦波信号，该信号在本系统中设定为10kHz。然后由功率放大器(2)将该信号放大为一功率信号，经过限流保护环节后，向功率发射电路(3)进行供电。功率发射电路(3)发生电磁谐振，并通过无线电能传输技术将电磁能传送到功率接收电路(4)。而后功率接收电路(4)获得电能，并在密绕线圈中间产生一定磁场强度的空间电磁场。电-机换能装置(5)在该电磁场中产生磁致伸缩效应，将电磁能转换为同一频率的机械能。检测方面，一方面通过示波器测量功率发射电路(3)与功率接收电路(4)的电压；另一方面，通过SNAA51传感器配合前置放大器、高速AD及上位机共同实现应力、应变的信息采集与分析。

本发明的电磁-机械同步共振测量系统，当系统开始工作时，由函数信号发生器输出一10kHz的正弦波，经过功率放大器后形成一10kHz的功率信号，该功率由功率发射电路无线的传送到功率接收电路，并在密绕铜线圈中间形成一定强度的10kHz的交变电磁场，从而使电-机换能装置将电磁能转换为10kHz的机械应力或应变输出。功率发射电路与功率接收电路的电压由示波器测量，应力或应变由SNAA51传感器测量。

Claims (3)

1.电磁-机械同步共振测量系统，其特征在于包括有函数信号发生器(1)；功率放大器(2)；功率发射电路(3)；功率接收电路(4)；电-机换能装置(5)；电压监测环节(6)；振动监测环节(7)。

2.根据权利要求1所述的电磁-机械同步共振测量系统，其特征还在于，所述的功率放大器(2)由可以工作在高频、高电压下的大功率电子管为主要核心，结合外围电子器件组成大功率线性放大器，当函数信号发生器(1)根据功率发射电路(3)谐振频率输出一个正弦波形时，功率放大器(2)将该正弦信号放大为一功率信号，并通过电子管的调压旋钮改变输出功率。

3.根据权利要求1所述的电磁-机械同步共振测量系统，其特征还在于，所述的振动监测环节(7)由高频特性良好的压电传感器SNAA51为核心元件，通过传感器在应力或应变作用下产生对应的电压信号，由上位机采集该电压信号并转换为对应的应力或应变信号，从而实现应力或应变的实时监测。

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