CN107144801A - 室温智能主动构件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种室温智能主动构件，超磁致伸缩驱动器包括底座，底座中心处开设有一T型开口槽，T型开口槽内通过预紧螺母安装有顶杆，顶杆采用十字形结构，且两端的厚度小于T型开口槽水平段的深度；顶杆上方设有一下端导向磁体，下端导向磁体上方依次布置有超磁致伸缩驱动棒、上端导向磁体和输出导杆，超磁致伸缩驱动棒两侧通过线圈骨架对称安装有驱动线圈，驱动线圈的上端设有上端横向导磁体，下端设有下端横向导磁体，外侧设有导磁壁。本发明采用超磁致伸缩棒作为主动驱动元件，在磁致伸缩驱动器中，可以通过碟簧给材料施加一个恒定的预压力，这个预压力大于使磁畴全部垂直于棒轴向的最小压力，使得制动器在磁场的作用下得到更高的制动性能。
Description
技术领域
本发明涉及机械结构领域，具体涉及一种室温智能主动构件。
背景技术
现有的，对于超磁致伸缩器件，器件结构与材料耦合非线性特性以及随着外加时变磁场的频率与幅值相关性导致的复杂强非线性特征使其响应输出具有复杂的强非线性，此外超磁致伸缩材料具有强应力敏感性和温度敏感性，而现有超磁致伸缩主动构件很难实现力-磁-热多物理场的加载及测量，无法研究材料和构件的多物理场耦合的非线性动态响应特性。
另外，主动构件中偏置磁场的设计对于增强执行器功能来说是非常重要的，而目前现有的设计大多采用永磁铁或直流线圈对执行器施加偏置磁场，前者可以避免电流对加载过程中的热影响，但大大增强了磁路设计的难度，且加载的偏置磁场单一，不能改变偏置磁场的大小，无法适应各种工况需要；后者可以提供可改变大小的偏置磁场，但增加了执行器的结构体积，不便于小型化应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种室温智能主动构件，能够实现力-磁-热多物理场环境下构件动态时变特性的测试。采用超磁致伸缩棒作为主动驱动元件，在磁致伸缩驱动器中，可以通过碟簧给材料施加一个恒定的预压力，这个预压力大于使磁畴全部垂直于棒轴向的最小压力，这样，就可以使制动器在磁场的作用下得到更高的制动性能。偏置磁场的设计采用在激励电流上叠加直流分量的方法，既提供了可变的偏置磁场又减小了结构体积。主动构件的设计考虑了温度的影响，能够监测构件的温度变化。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
室温智能主动构件，包括超磁致伸缩驱动器和测控系统，所述超磁致伸缩驱动器包括底座，底座中心处开设有一T型开口槽，所述T型开口槽内通过预紧螺母安装有顶杆，顶杆采用十字形结构，且两端的厚度小于T型开口槽水平段的深度；顶杆上方设有一下端导向磁体，下端导向磁体上方依次布置有超磁致伸缩驱动棒、上端导向磁体和输出导杆，超磁致伸缩驱动棒两侧通过线圈骨架对称安装有驱动线圈，驱动线圈的上端设有上端横向导磁体，下端设有下端横向导磁体，外侧设有导磁壁，所述底座上设有外套筒，外套筒上端设有上盖板，输出导杆上端穿过上盖板，下端与上端导向磁体相抵，且两侧通过碟簧与上盖板相连，所述线圈骨架与超磁致伸缩驱动棒和下端导向磁体之间设有传感器信号屏蔽线；所述测控系统由传感器组、信号调理器、A/D转换模块、D/A转换模块、功率放大器、直流恒流电源、计算机控制终端以及动态实验装置组成，所述计算机控制终端通过D/A转换模块、功率放大器与传感器信号屏蔽线6相连，传感器组分别布置在超磁致伸缩驱动器上，通过A/D转换模块与计算机控制终端相连，所述传感器信号屏蔽线还通过直流恒流电源与计算机控制终端相连，计算机控制终端通过D/A转换模块与动态实验装置相连，动态实验装置与所述传感器组相连。
其中，所述上端横向导磁体与下端横向导磁体分别导磁壁的上下两端相连。
其中，超磁致伸缩驱动器采用在直流分量上叠加交流电流的方法实现执行激励磁场的加载；首先由直流横流电源提供稳定的偏置磁场，再通过耦合电路将交变电流通入线圈中，实现偏置磁场和交流磁场。可实现变化的偏置磁场，可根据所加载荷的大小调整偏置磁场的大小，使执行器工作在合适的线性范围内。
其中，所述传感器组包括动态磁场强度测量模块、动态磁感应强度测量模块、动态应变测量模块、应力测量模块和温度测量模块。
其中，所述动态磁场强度测量模块采用动态高斯计接配高精度探头测试动态磁场，其精度为0.0001mT。
其中，所述动态磁感应强度测量模块采用以下方法实现：
在超磁致伸缩棒上绕数匝磁通测试线圈，连接动态磁通计，直接测量驱动器内部超磁致伸缩材料动态加载磁场时棒内的磁感应强度。
其中，所述动态应变测量模块包括电阻应变片和动态应变仪，电阻应变片通过粘贴剂粘贴在棒体中心位置，采用单片应变片三线连接法与动态应变仪相连，动态应变仪采用惠更斯电桥技术测量。
其中，所述应力测量模块采用压电薄膜压力传感器，压电薄膜压力传感器与压力传感二次仪表连接，二次仪表直接显示所加载荷的大小。
其中，所述温度测量模块采用温度传感器。
本发明具有以下有益效果：
执行器激励线圈为超磁致伸缩材料提供交流磁场和偏置磁场，压盖、碟簧、输出导杆和可调整的预紧螺母等组件给超磁致仲缩棒施加预应力。另外，在执行器内部置入压力传感器、传感器、温度传感器、超磁致伸缩棒上饶有数匝同轴线圈，以便实时对执行器内部预应力、激励磁场、内部环境温度和棒材磁感应强度进行测试。在整体的执行器工作中，合金棒在外加磁场和预加载荷的作用下产生应变和应力，宏观上显示为位移和力的输出，实现了磁能与机械能的转换。与此间时，预应力的大小对磁致伸缩性能有一定影响，适当大小的预压力可提高驱动器中磁致伸缩性能从而增强执行器输出特性。
附图说明
图1为本发明实施例室温智能主动构件中超磁致伸缩驱动器的结构示意图。
图2为本发明实施例室温智能主动构件的结构示意图。
图3为本发明实施例中测控系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-图2所示，本发明实施例提供了一种室温智能主动构件，包括超磁致伸缩驱动器和测控系统，所述超磁致伸缩驱动器包括底座8，底座8中心处开设有一T型开口槽，所述T型开口槽内通过预紧螺母16安装有顶杆15，顶杆15采用十字形结构，且两端的厚度小于T型开口槽水平段的深度；顶杆15上方设有一下端导向磁体14，下端导向磁体14上方依次布置有超磁致伸缩驱动棒13、上端导向磁体11和输出导杆1，超磁致伸缩驱动棒13两侧通过线圈骨架12对称安装有驱动线圈5，驱动线圈5的上端设有上端横向导磁体3，下端设有下端横向导磁体7，外侧设有导磁壁4，所述底座8上设有外套筒10，外套筒10上端设有上盖板9，输出导杆1上端穿过上盖板9，下端与上端导向磁体11相抵，且两侧通过碟簧2与上盖板9相连，所述线圈骨架12与超磁致伸缩驱动棒13和下端导向磁体14之间设有传感器信号屏蔽线6；所述测控系统由传感器组、信号调理器、A/D转换模块、D/A转换模块、功率放大器、直流恒流电源、计算机控制终端以及动态实验装置组成，所述计算机控制终端通过D/A转换模块、功率放大器与传感器信号屏蔽线6相连，传感器组分别布置在超磁致伸缩驱动器上，通过A/D转换模块与计算机控制终端相连，所述传感器信号屏蔽线6还通过直流恒流电源与计算机控制终端相连，计算机控制终端通过D/A转换模块与动态实验装置相连，动态实验装置与所述传感器组相连。所述上端横向导磁体3与下端横向导磁体7分别导磁壁4的上下两端相连。
本具体实施的超磁致伸缩驱动器采用在直流分量上叠加交流电流的方法实现执行激励磁场的加载；首先由直流横流电源提供稳定的偏置磁场，再通过耦合电路将交变电流通入线圈中，实现偏置磁场和交流磁场。选用碟簧作为预应力提供单元。
如图3所示，所述传感器组包括动态磁场强度测量模块、动态磁感应强度测量模块、动态应变测量模块、应力测量模块和温度测量模块；具体的，
动态磁场强度测量
磁场强度有动静态之分，测量方法也很多，在工业和科研测试中，绝对测量方法有核磁共振和力与力矩法等；相对测量方法有磁电效应、磁电阻效应、磁光效应等。本测控系统中选用磁电效应中的霍尔效应来测量动态磁场强度。本系统选用动态高斯计接配高精度探头测试动态磁场，其精度为0.0001mT。
动态磁感应强度测量
利用电磁感应定律，由于磁场随时间的动态变化，穿过绕棒材数匝线圈的磁通量将发生改变，在线圈中将产生感生电动势。在驱动器中，我们在超磁致伸缩棒上绕数匝磁通测试线圈，连接动态磁通计，直接测量驱动器内部超磁致伸缩材料动态加载磁场时棒内的磁感应强度。对于超磁致伸缩材料来讲，它属于磁性材料，它的磁特性是非线性的，若磁场和磁感应强度之一是正弦函数，另外一个必然为非正弦函数。
动态应变的测量
超磁致伸缩材料动态磁致伸缩系数测量可采用电测法。电测法具有适应性强，灵敏度、精度、自动化程度高，方法简便等优点，选用的康铜丝电阻应变片在磁场作用下基本不受磁场影响。在执行器中，将电阻应变片用专用粘贴剂适于高温的粘结剂，防止高频加载时材料过热使应变片脱落粘贴在棒体中心位置，连接动态应变仪，采用惠更斯电桥技术测量，动态应变测量选用单片应变片三线连接法，此方法的优点在于应变计导线电阻具有温度补偿作用，
应力测量和温度测量
在执行器测控系统中，采用压电薄膜压力传感器测量载荷。薄膜压力传感器与压力传感二次仪表连接，二次仪表直接显示所加载荷的大小。在执行器内部空腔，接有温度传感器，可以实时监测执行器内部温度变化，精度为0.1摄氏度。
控制与数据采集的系统结构框图如图3所示，由图可见，该实验系统的硬件由传感器、信号调理器、A/D转换卡、计算机、D/A转换卡、功率放大器、直流恒流电源以及动态实验装置组成。由于温度和预加载荷不会发生实时变化，温度和预加载荷的测试分别由温度传感器和薄膜压力传感器配套二次仪表直接读出，并进行实时监测，保证实验条件的稳定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.室温智能主动构件，包括超磁致伸缩驱动器和测控系统，其特征在于，所述超磁致伸缩驱动器包括底座(8)，底座(8)中心处开设有一T型开口槽，所述T型开口槽内通过预紧螺母(16)安装有顶杆(15)，顶杆(15)采用十字形结构，且两端的厚度小于T型开口槽水平段的深度；顶杆(15)上方设有一下端导向磁体(14)，下端导向磁体(14)上方依次布置有超磁致伸缩驱动棒(13)、上端导向磁体(11)和输出导杆(1)，超磁致伸缩驱动棒(13)两侧通过线圈骨架(12)对称安装有驱动线圈(5)，驱动线圈(5)的上端设有上端横向导磁体(3)，下端设有下端横向导磁体(7)，外侧设有导磁壁(4)，所述底座(8)上设有外套筒(10)，外套筒(10)上端设有上盖板(9)，输出导杆(1)上端穿过上盖板(9)，下端与上端导向磁体(11)相抵，且两侧通过碟簧(2)与上盖板(9)相连，所述线圈骨架(12)与超磁致伸缩驱动棒(13)和下端导向磁体(14)之间设有传感器信号屏蔽线(6)；所述测控系统由传感器组、信号调理器、A/D转换模块、D/A转换模块、功率放大器、直流恒流电源、计算机控制终端以及动态实验装置组成，所述计算机控制终端通过D/A转换模块、功率放大器与传感器信号屏蔽线(6)相连，传感器组分别布置在超磁致伸缩驱动器上，通过A/D转换模块与计算机控制终端相连，所述传感器信号屏蔽线(6)还通过直流恒流电源与计算机控制终端相连，计算机控制终端通过D/A转换模块与动态实验装置相连，动态实验装置与所述传感器组相连。
2.如权利要求1所述的室温智能主动构件，其特征在于，所述上端横向导磁体(3)与下端横向导磁体(7)分别导磁壁(4)的上下两端相连。
3.如权利要求1所述的室温智能主动构件，其特征在于，超磁致伸缩驱动器采用在直流分量上叠加交流电流的方法实现执行激励磁场的加载；首先由直流横流电源提供稳定的偏置磁场，再通过耦合电路将交变电流通入线圈中，实现偏置磁场和交流磁场。
4.如权利要求1所述的室温智能主动构件，其特征在于，所述传感器组包括动态磁场强度测量模块、动态磁感应强度测量模块、动态应变测量模块、应力测量模块和温度测量模块。
5.如权利要求4所述的室温智能主动构件，其特征在于，所述动态磁场强度测量模块采用动态高斯计接配高精度探头测试动态磁场，其精度为0.0001mT。
6.如权利要求4所述的室温智能主动构件，其特征在于，所述动态磁感应强度测量模块采用以下方法实现：
在超磁致伸缩棒上绕数匝磁通测试线圈，连接动态磁通计，直接测量驱动器内部超磁致伸缩材料动态加载磁场时棒内的磁感应强度。
7.如权利要求4所述的室温智能主动构件，其特征在于，所述动态应变测量模块包括电阻应变片和动态应变仪，电阻应变片通过粘贴剂粘贴在棒体中心位置，采用单片应变片三线连接法与动态应变仪相连，动态应变仪采用惠更斯电桥技术测量。
8.如权利要求4所述的室温智能主动构件，其特征在于，所述应力测量模块采用压电薄膜压力传感器，压电薄膜压力传感器与压力传感二次仪表连接，二次仪表直接显示所加载荷的大小。
9.如权利要求4所述的室温智能主动构件，其特征在于，所述温度测量模块采用温度传感器。
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