CN110441717B - 超磁致伸缩换能器动态电磁损耗的测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超磁致伸缩换能器动态电磁损耗的测量方法及系统，采用信号测量单元测得的驱动线圈输入电流、探测线圈上的感应电压信号经过信号调理电路与AD采样进入DSP。DSP采用连续比较窗口比较的方法迅速获得工作过程中换能器棒材的磁场强度峰值和磁感应强度峰值，通过过零捕获电路产生的上升沿触发DSP中断启动计时器计时以获取磁场强度与磁感应强度之间的相位差，便可测得棒材在实际工作过程中棒材的振幅复数磁导率以及电磁损耗。本发明所采用的超磁致伸缩换能器动态电磁损耗的测量方法，能够简便快捷的测量宽带超磁致伸缩换能器实际正常工作时的电磁损耗，快速反映不同驱动电流、驱动频率以及预应力对换能器振幅磁导率以及电磁损耗的影响。

Description

超磁致伸缩换能器动态电磁损耗的测量方法及系统

技术领域

本发明涉及超磁致伸缩换能器测量领域，特别是一种超磁致伸缩换能器动态电磁损耗的测量方法及系统。

背景技术

超磁致伸缩材料具有在交变磁场下应变高的特点，是一种新型的振动基础材料。其广泛应用于致动器，电声换能器等场合。由于超磁致伸缩材料具有相对较低的磁导率以及电导率，在交流磁化的过程中将产生磁滞损耗，涡流损耗与异常损耗，且随着驱动磁场频率与幅值的增加，电磁损耗增加，造成换能器温度的升高，棒材的应变减少，严重影响换能器的输出声功率，导致能量转换效率低下。

随着超磁致伸缩换能器的不断发展，对于换能器的电磁转换效率要求日益提高，传统的电磁损耗测量方法仅仅只是对于磁致伸缩材料低频下的测量，测量的对象均为环形的磁致伸缩材料，且多采用模拟电路以及示波器法等方法，这些方法由于对模拟电路元件的RC参数等要求较高，且受系统干扰的影响大，测量的频率范围受限，不能实时计算换能器正常工作时的电磁损耗，不能为换能器高电磁转换效率的设计提供帮助。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种超磁致伸缩换能器动态电磁损耗的测量方法及系统，更快速更精确更有效地测量超磁致伸缩换能器正常工况下的动态电磁损耗。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种超磁致伸缩换能器动态电磁损耗的测量方法，包括以下步骤：

检测超磁致伸缩换能器驱动线圈的驱动电流信号I_ac与探测线圈的感应电压信号U；

计算驱动电流信号I_ac与探测线圈的感应电压U的相位差θ；

获取驱动电流信号I_ac、探测线圈的感应电压信号U的最大值，结合相位差θ计算复数振幅磁导率以及电磁损耗。

相位差θ计算公式为：

其中，f为驱动电流的频率，t_i为驱动电流信号上升沿时间，t_u为感应电压信号上升沿时间。

所述驱动电流信号I_ac的最大值获取过程包括：将连续采样的N个驱动电流信号I_ac1、I_ac2、……、I_acN存放到数组窗口I_ac[N]，采用先进先出的方法移动数组窗口，仅当I_acm大于数组窗口中任意一个驱动电流信号时，记录此时I_acm的值即为驱动电流信号的最大值I_acm；其中I_acm为第m次采样的驱动电流信号，1≤m≤N，且且N为奇数，m为(N+1)/2。

所述复数振幅磁导率的计算公式为：

R_rod为磁致伸缩棒的半径，N_pick为探测线圈的总匝数；U_m为感应电压信号U的最大值；N_ac为驱动线圈的总匝数，I_acm为驱动电流最大值，l_rod为磁致伸缩棒的长度,f为驱动电流的频率。

单位体积的电磁损耗的计算公式为：W_loss＝πH_mB_m sinθ；其中，H_m为磁场强度峰值；B_m为磁感应强度峰值。

N_ac为驱动线圈的总匝数，I_acm为驱动电流信号最大值，l_rod为磁致伸缩棒的长度；R_rod为磁致伸缩棒的半径，N_pick为探测线圈的总匝数。

相应地，本发明还提供了一种超磁致伸缩换能器动态电磁损耗的测量系统，其包括：

检测单元，用于检测超磁致伸缩换能器驱动线圈的驱动电流信号I_ac与探测线圈的感应电压信号U；

第一计算单元，用于计算驱动电流信号I_ac与探测线圈的感应电压U的相位差θ；

第二计算单元，用于获取驱动电流信号I_ac、探测线圈的感应电压信号U的最大值，结合相位差θ计算复数振幅磁导率以及电磁损耗。

所述第二计算单元计算驱动电流信号I_ac的最大值的过程包括：将连续采样的N个驱动电流信号I_ac1、I_ac2、……、I_acN存放到数组窗口I_ac[N]，采用先进先出的方法移动数组窗口，仅当I_acm大于数组窗口中任意一个驱动电流信号时，记录此时I_acm的值即为驱动电流信号的最大值I_acm；其中I_acm为第m次采样的驱动电流信号，1≤m≤N，且且N为奇数，m为(N+1)/2。

作为一个发明构思，本发明还提供了一种超磁致伸缩换能器动态电磁损耗的测量系统，其包括：

信号测量单元，用于采集超磁致伸缩换能器驱动线圈的驱动电流信号I_ac与探测线圈的感应电压信号U；

数据处理单元，用于计算驱动电流信号I_ac与探测线圈的感应电压U的相位差θ；获取驱动电流信号I_ac、探测线圈的感应电压信号U的最大值，结合相位差θ计算复数振幅磁导率以及电磁损耗。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明采用霍尔探头检测驱动线圈的驱动电流信号以获得磁场强度H，比采用在驱动线圈中串入采样电阻获取采样电压以获取磁场强度H的方法相比具有测量方法简单直接，不会影响换能器正常的工况，不会给测量系统带来额外的电阻损耗，便于同时进行换能器其他特性如阻抗特性的测量等优点。感应线圈的感应电压信号经信号调理后采样进入DSP进行积分放大等数据处理，比采用模拟RC积分以及积分运放电路相比具有采样速度快，精度高，且便于数据处理等优点。本发明在纵振式超磁致伸缩换能器正常工作情况下进行换能器动态电磁损耗的测量，比起仅采用实验磁致伸缩环且不考虑预应力情况下的测量，本发明能反映作为换能器器整体的电磁损耗，并考虑到预应力对于磁致伸缩材料的磁导率以及系统电磁损耗的影响。本发明提出的超磁致伸缩换能器动态电磁损耗的测量方法，可以更快速更精确更有效地测量超磁致伸缩换能器正常工况下的动态电磁损耗，对换能器的优化设计与提高换能器的电磁转换效率具有直接重要的指导意义。

附图说明

图1为超磁致伸缩纵振式换能器动态电磁损耗测试原理图；

图2为超磁致伸缩纵振式换能器结构图；

图3为超磁致伸缩纵振式换能器激励电流信号调理电路原理图；

图4为过零捕获电路原理图；

图5为超磁致伸缩纵振式换能器动态电磁损耗计算流程框图。

具体实施方式

本发明包括以下步骤：

1)信号发生器与数字功率放大器组成动态磁场驱动单元，产生幅值、频率可调的驱动信号超磁致伸缩材料在该驱动磁场下伸长量发生变化从而产生振动驱动整个换能器振动工作；

2)电压、电流传感器组成信号测量单元，分别检测超磁致伸缩换能器驱动线圈的驱动电流信号Iac与探测线圈的感应电压信号U。调理电路通过将传感器送入的驱动电流信号Iac与探测线圈的感应电压信号U转换为±10V之内的电压信号，由DSP内置AD采样转换为数字信号。DSP通过连续比较法获得驱动电流Iac信号、感应电压U信号的最大值。将连续采样的9个电流信号Iaci存放到数组窗口Iac[9]，采用先进先出的方法移动数据比较窗口，仅当Iac4大于数组窗口中任意一个电流信号时，记录此时Iac4的值即为驱动电流信号的最大值Iacm。感应电压Um信号的最大值的获取方法一致；

3)过零检测单元检测驱动电流Iac与探测线圈的感应电压U的相位差。两路过零检测单元分别将驱动电流Iac信号与感应电压U信号变成频率一致，具有相位差的两路方波信号。DSP捕获单元捕获两路方波信号的上升沿并记录定时器的时间，两路信号的相位差θ计算公式为：

其中，f为驱动电流的频率，t_i为驱动电流信号上升沿时间，t_u为感应电压信号上升沿时间。

4)DSP数据处理单元获得驱动电流Iac信号、感应电压U信号的最大值，并结合相位差θ计算复数振幅磁导率以及电磁损耗。磁场强度峰值H_m可由驱动电流最大值计算，计算公式为：

其中：N_ac为驱动线圈的总匝数，I_acm为驱动电流最大值，l_rod为磁致伸缩棒的长度；

磁感应强度峰值B_m的计算公式为：

其中：R_rod为棒材的半径，N_pick为探测线圈的总匝数，f为驱动电流的频率。

复数振幅磁导率的计算公式为：

单位体积的电磁损耗的计算公式为：

图1为一实施例超磁致伸缩纵振式换能器电磁损耗测试原理图。信号发生器与数字功率放大器组成的动态磁场驱动单元可提供不同幅值、不同频率的磁场驱动信号，超磁致伸缩材料在该驱动磁场下伸长量发生变化从而产生振动驱动整个换能器振动工作。预紧螺栓，碟簧以及内置压力传感器组成预应力可调控的预应力施加系统，实时显示系统预应力大小。霍尔电流探头检测驱动线圈的电流信号，电压探头检测感应线圈的感应电压信号，此两路信号经信号调理电路进行调理，然后由DSP内部AD转换为数字信号进行处理。

图2为一实施例超磁致伸缩纵振式换能器结构图。激励线圈中通以不同幅值、不同频率的交流驱动电流提供驱动激励。其产生的磁场分布在由磁致伸缩棒、导磁块、磁轭组成的导磁回路中。导磁块与磁轭的磁导率远远大于磁致伸缩棒的磁导率且电导率低，可忽略导磁块与磁轭的磁阻并且认为工作过程中的涡流损耗主要集中于磁致伸缩棒中。磁致伸缩棒在驱动激励下在轴向上发生伸长缩短，驱动输出顶杆向外做功发声。碟簧与预紧螺栓用于调节超磁致伸缩棒的预应力，且内置压力传感器可以实时测量该预应力的大小，便于做不同预应力下的对比实验。

图3为一实施例超磁致伸缩纵振式换能器激励电流信号调理电路原理图。调理电路通过电阻R₀将传感器送入的驱动电流信号Iac转换为±10V之内的电压信号，通过R₁、C₁滤除部分高频毛刺，接着通过放大电路放大一定倍数后由DSP内置AD转换为数字信号。

图4为一实施例过零捕获电路原理图。经调理后的激励电流信号与感应电压信号分别经过过零捕获电路变成同频的方波信号。信号首先送入π型滤波器，该π型滤波器前级大电容C3主要滤除大部分的交流成分，后级RC起到低通滤波器的效果。再经过电压箝位电路将输入信号箝位在±0.7V间，最后经比较器输出的过零方波信号，DSP捕获单元捕获两路方波信号的上升沿并记录定时器的时间，计算两路信号的相位差。

图5为一实施例超磁致伸缩纵振式换能器动态电磁损耗计算流程框图。DSP通过连续比较法获得驱动电流Iac信号、感应电压U信号的最大值。将连续采样的9个电流信号Iaci存放到数组窗口Iac[9]，采用先进先出的方法移动数据比较窗口，仅当Iac4大于数组窗口中任意一个电流信号时，记录此时Iac4的值即为驱动电流信号的最大值Iacm。感应电压Um信号的最大值的获取方法一致。

磁场强度峰值H_m可由驱动电流最大值计算，计算公式为：

其中：N_ac为驱动线圈的总匝数，I_acm为驱动电流最大值，l_rod为磁致伸缩棒的长度；

磁感应强度峰值B_m的计算公式为：

其中：R_rod为棒材的半径，N_pick为探测线圈的总匝数，f为驱动电流的频率。

两路过零检测单元分别将驱动电流I_ac信号与感应电压U信号变成频率一致，具有相位差的两路方波信号。DSP捕获单元捕获两路方波信号的上升沿并记录定时器的时间，两路信号的相位差计算公式为：

其中，f为驱动电流的频率，t_i为驱动电流信号上升沿时间，t_u为感应电压信号上升沿时间。

复数振幅磁导率的计算公式为：

单位体积的电磁损耗的计算公式为：

Claims (6)

1.一种超磁致伸缩换能器动态电磁损耗的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

检测超磁致伸缩换能器驱动线圈的驱动电流信号I_ac与探测线圈的感应电压信号U；

计算驱动电流信号I_ac与探测线圈的感应电压U的相位差θ；

获取驱动电流信号I_ac、探测线圈的感应电压信号U的最大值，结合相位差θ计算复数振幅磁导率以及电磁损耗；

利用霍尔电流探头检测驱动线圈的驱动电流信号，电压探头检测探测线圈的感应电压信号；

相位差θ的计算公式为：

其中，f为驱动电流的频率，t_i为驱动电流信号上升沿时间，t_u为感应电压信号上升沿时间；

驱动电流信号I_ac的最大值获取过程包括：将连续采样的N个驱动电流信号I_ac1、I_ac2、……、I_acN存放到数组窗口I_ac[N]，采用先进先出的方法移动数组窗口，仅当I_acm大于数组窗口中任意一个驱动电流信号时，记录此时I_acm的值即为驱动电流信号的最大值I_acm；其中I_acm为第m次采样的驱动电流信号，m为(N+1)/2，N为奇数。

2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩换能器动态电磁损耗的测量方法，其特征在于，所述复数振幅磁导率的计算公式为：

R_rod为磁致伸缩棒的半径，N_pick为探测线圈的总匝数；U_m为感应电压信号U的最大值；N_ac为驱动线圈的总匝数，I_acm为驱动电流最大值，l_rod为磁致伸缩棒的长度；f为驱动电流的频率。

3.根据权利要求1所述的超磁致伸缩换能器动态电磁损耗的测量方法，其特征在于，单位体积的电磁损耗的计算公式为：W_loss＝πH_mB_m sinθ；其中，H_m为磁场强度峰值；B_m为磁感应强度峰值。

4.根据权利要求3所述的超磁致伸缩换能器动态电磁损耗的测量方法，其特征在于，

N_ac为驱动线圈的总匝数，I_acm为驱动电流信号最大值，l_rod为磁致伸缩棒的长度；R_rod为磁致伸缩棒的半径，N_pick为探测线圈的总匝数；U_m为感应电压信号U的最大值。

5.一种超磁致伸缩换能器动态电磁损耗的测量系统，其特征在于，包括：

检测单元，用于检测超磁致伸缩换能器驱动线圈的驱动电流信号I_ac与探测线圈的感应电压信号U；

第一计算单元，用于计算驱动电流信号I_ac与探测线圈的感应电压U的相位差θ；

第二计算单元，用于获取驱动电流信号I_ac、探测线圈的感应电压信号U的最大值，结合相位差θ计算复数振幅磁导率以及电磁损耗；

相位差θ的计算公式为：

其中，f为驱动电流的频率，t_i为驱动电流信号上升沿时间，t_u为感应电压信号上升沿时间；

所述第二计算单元计算驱动电流信号I_ac的最大值的过程包括：将连续采样的N个驱动电流信号I_ac1、I_ac2、……、I_acN存放到数组窗口I_ac[N]，采用先进先出的方法移动数组窗口，仅当I_acm大于数组窗口中任意一个驱动电流信号时，记录此时I_acm的值即为驱动电流信号的最大值I_acm；其中I_acm为第m次采样的驱动电流信号，m为(N+1)/2，N为奇数。

6.一种超磁致伸缩换能器动态电磁损耗的测量系统，其特征在于，包括：

信号测量单元，用于利用霍尔电流探头检测驱动线圈的驱动电流信号I_ac，利用电压探头检测探测线圈的感应电压信号U；

数据处理单元，用于计算驱动电流信号I_ac与探测线圈的感应电压U的相位差θ；获取驱动电流信号I_ac、探测线圈的感应电压信号U的最大值，结合相位差θ计算复数振幅磁导率以及电磁损耗；

相位差θ的计算公式为：

其中，f为驱动电流的频率，t_i为驱动电流信号上升沿时间，t_u为感应电压信号上升沿时间；

驱动电流信号I_ac的最大值获取过程包括：将连续采样的N个驱动电流信号I_ac1、I_ac2、……、I_acN存放到数组窗口I_ac[N]，采用先进先出的方法移动数组窗口，仅当I_acm大于数组窗口中任意一个驱动电流信号时，记录此时I_acm的值即为驱动电流信号的最大值I_acm；其中I_acm为第m次采样的驱动电流信号，m为(N+1)/2，N为奇数。

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