CN107359809A - 低温智能主动构件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温智能主动构件，包括低温智能主动构件本体、测控系统和低温恒温器，低温恒温器包括恒温器本体以及安装在恒温器本体内的液氮容器，低温智能主动构件本体设置在液氮容器内，液氮容器上端设有一波纹管，恒温器本体由不锈钢固定台、两侧板以及一顶板构成，两侧板与液氮容器之间填充有超绝缘物质，顶面上设有两通道口，低温智能主动构件本体包括超磁致伸缩驱动器。本发明可以应用于空间工程中的关节驱动和结构控制，可以获得优于室温环境的驱动性能，此外本设计中所装配的低温恒温器既可以实现在地面上模拟空间轨道低温环境，又可以将主动构件沉浸在沸腾的液氮内，通过液氮保养延长主动构件寿命，保障其运行可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及机械结构领域，具体涉及一种低温智能主动构件。
背景技术
对于许多空间工程应用，要求主动构件可以在低温下工作，而最新的压电和电致伸缩材料的主动构件可以制造出能准确控制位置的致动器，但在空间结构应用上仍存在一些缺点：需要1000伏的高压并且在低温环境下性能较差。低温操作的设计含义为在典型的100K轨道内条件附近的低温下可以正常操作。因此在设计上需要考虑材料的选择以及低温下材料和结构的保养，另外还需要在地面测试中模拟空间工程应用中的100K轨道内环境。
通过化学组成的稍微改变，Terfenol-D可以成功地在低温下操作。这种低温Terfenol-D的特点是比室温时应变大刚度高，但是磁滞明显高一些。使用没有铁的铽—镝(TbDy)合金。低温时超磁致伸缩驱动元可以获得更大的位移输出，TbDy当在液氮温度下操作时其磁致伸缩应变达到最大，约为0.5％。它的特点是低磁滞和高磁导率。但是在力学方面，它是一种屈服应力低的软材料。
除了磁致伸缩材料的不同性质(TbDy相对于Terfenol-D具有较高磁导率，较高饱和磁滞应变，较低的杨氏模量)，与室温情况不同的另一个区别是可以使用更高的电流密度，这是因为铜的电阻率在77K时约为室温下的10倍。另一方面，在TbDy中不能容忍和Terfenol-D中一样大的温度上升幅度，因为当温度改变相同量时(相对于绝对温度)它们的性质改变相同。这表明我们只能容忍低温制动器中的温度增长是室温中的77/300≈1/4。因此我们更希望在某一个冷却条件下(在空气中对流，或在液氮中)运行主动构件。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种低温智能主动构件。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
低温智能主动构件，包括低温智能主动构件本体、测控系统和低温恒温器，所述低温恒温器包括恒温器本体以及安装在恒温器本体内的液氮容器，所述低温智能主动构件本体设置在液氮容器内，所述液氮容器上端设有一波纹管，所述恒温器本体由不锈钢固定台、两侧板以及一顶板构成，两侧板与液氮容器之间填充有超绝缘物质，顶面上设有两通道口，所述低温智能主动构件本体包括超磁致伸缩驱动器，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；所述超磁致伸缩驱动器的驱动材料采用TbDy合金，低温恒温器可以模拟空间轨道低温环境。
其中，所述预加载弹簧采用300级不锈钢制成，因为这种钢是非铁磁性质的，且是奥氏体合金，具有良好的低温韧性。用于保持TbDy合金和螺线管线圈的空隙的铍—铜的弯曲部分也是一个合适的低温材料，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，所述低温恒温器的要求是当低温智能主动构件本体一端被固定后允许构件一端长度变化，与低温智能主动构件本体串联的部分必须坚硬，以尽量减小夹紧力的测量。
其中，所述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，动态应变仪釆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。
其中，在低温下保养TbDy棒是一个关键问题。产生热量的主要原因是线圈的阻抗耗散立即围绕在TbDy棒周围。本设计允许当液态氮气化时磁致伸缩棒仍浸在液态的氮中。这可以通过在部件中切开一个合适的槽使中心的棒和低温环境分开来实现。外壳中提供了三个切槽允许液态和气态的氮通过。壳内有一个环形的间隙使液体径向地通入这三个切槽中，并通过这些切槽到达线圈外部。其它通道允许液体流过线圈内部的卷筒端部，流入到卷筒和磁致伸缩棒的环形空间。这样磁致伸缩材料和线圈都接近于沸腾的氮的温度。
本发明具有以下有益效果：
所设计的低温主动构件可以应用于空间工程中的关节驱动和结构控制，可以获得优于室温环境的驱动性能，此外本设计中所装配的低温恒温器既可以实现在地面上模拟空间轨道低温环境，又可以主动构件沉浸在沸腾的液氮内，通过液氮保养延长主动构件寿命，保障其运行可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例中低温智能主动构件本体的结构示意图。
图2为本发明实施例中低温智能主动构件本体与测控系统的连接结构示意图。
图3为本发明实施例中低温智能主动构件的结构示意图。
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3所示，本发明实施例提供了一种低温智能主动构件，包括低温智能主动构件本体、测控系统和低温恒温器，所述低温恒温器包括恒温器本体以及安装在恒温器本体内的液氮容器18，所述低温智能主动构件本体设置在液氮容器18内，所述液氮容器18上端设有一波纹管19，所述恒温器本体由不锈钢固定台21、两侧板以及一顶板构成，两侧板与液氮容器18之间填充有超绝缘物质20，顶面上设有两通道口22，所述波纹管19的作用是当主动构件浸在液氮中时允许它自由膨胀，可弯曲的波纹管被三个抑止钉保护以避免破坏，可以通过波纹管的不同压力方式将预应力作用在主动构件上。低温恒温器的侧面被抽空并用超绝缘物质充满20，而端部是提供所要求的刚度的固体不锈钢固定台21。低温恒温器在顶板上有两个很大的通道口22，其中一个座位填入口，上有一个漏斗便于增加液氮，另一个作为出口，允许气态氮在不妨碍氮同时填入的情况下离开。真空由吸气剂维持，它可以吸收由于时间积累的所有放气物质；所述低温智能主动构件本体包括底座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，所述底座8和上盖板9上各开四个小孔，允许液态和气态的氮通过，并允许液体流过线圈内部流入到卷筒和磁致伸缩棒的环形空间，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。
所述低温恒温器的要求是当低温智能主动构件本体一端被固定后允许构件一端长度变化，与低温智能主动构件本体串联的部分必须坚硬，以尽量减小夹紧力的测量。
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，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，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，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，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，动态应变仪釆用惠更斯电桥技术测量，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，所述温度测量模块采用温度传感器。
所述预加载弹簧采用300级不锈钢制成，因为这种钢是非铁磁性质的，且是奥氏体合金，具有良好的低温韧性。用于保持TbDy和螺线管线圈的空隙的铍—铜的弯曲部分也是一个合适的低温材料。所述低温恒温器内填充有液氮内，低温恒温器的要求是当主动构件一端被固定后允许构件一端长度变化，与主动构件串联的部分必须坚硬，以尽量减小夹紧力的测量。
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 (10)
1.低温智能主动构件，其特征在于，包括低温智能主动构件本体、测控系统和低温恒温器，所述低温恒温器包括恒温器本体以及安装在恒温器本体内的液氮容器(18)，所述低温智能主动构件本体设置在液氮容器(18)内，所述液氮容器(18)上端设有一波纹管(19)，所述恒温器本体由不锈钢固定台(21)、两侧板以及一顶板构成，两侧板与液氮容器(18)之间填充有超绝缘物质(20)，顶面上设有两通道口(22)，所述低温智能主动构件本体包括底座(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，所述底座(8)和上盖板(9)上各开四个小孔，允许液态和气态的氮通过，并允许液体流过线圈内部流入到卷筒和磁致伸缩棒的环形空间，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所述的低温智能主动构件，其特征在于，所述预加载弹簧采用300级不锈钢制成；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所述的低温智能主动构件，其特征在于，所述低温恒温器的要求是当低温智能主动构件本体一端被固定后允许构件一端长度变化，与低温智能主动构件本体串联的部分必须坚硬，以尽量减小夹紧力的测量。
4.如权利要求1所述的低温智能主动构件，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。
5.如权利要求1所述的低温智能主动构件，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。
6.如权利要求1所述的低温智能主动构件，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。
7.如权利要求5所述的低温智能主动构件，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。
8.如权利要求5所述的低温智能主动构件，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，动态应变仪釆用惠更斯电桥技术测量。
9.如权利要求5所述的低温智能主动构件，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。
10.如权利要求5所述的低温智能主动构件，其特征在于，所述温度测量模块采用温度传感器。
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| CN102437784A (zh) * | 2011-05-13 | 2012-05-02 | 兰州大学 | 一种基于磁弹性材料的电磁式微驱动器 |
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2017
- 2017-06-27 CN CN201710502655.2A patent/CN107359809A/zh active Pending
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