基于磁致伸縮逆效應(yīng)的超磁致伸縮力傳感器

mts磁致伸縮位移傳感器 mts系統(tǒng)公司 mts系統(tǒng)公司是全球第一家開(kāi)拓磁致伸縮測(cè)量（magnetostrictivesensing）技術(shù)的公司，并注冊(cè)專利。一直以來(lái)，mts 傳感器技術(shù)在全球范圍內(nèi)，始終遙遙領(lǐng)先。創(chuàng)新科技和技術(shù)支援使mts公司一直處于市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)地位。 mts磁致伸縮線性位移傳感器和液位計(jì)，適用于多種不同的工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)，為工業(yè)界對(duì)精確測(cè)量的要求提供兩種創(chuàng)新 和可靠的優(yōu)質(zhì)選擇。mts位移傳感器能夠測(cè)量長(zhǎng)達(dá)10米的機(jī)械行程，而液位計(jì)則可以測(cè)量高達(dá)22米的大油罐。從70年代 開(kāi)發(fā)至今，已有超過(guò)一百萬(wàn)個(gè)傳感器安裝在不同的工業(yè)環(huán)境里。 mts位移傳感器的應(yīng)用范圍十分廣泛，從冶金行業(yè)的軋鋼設(shè)備，機(jī)械行業(yè)如注塑、壓鑄印刷和包裝，林木行業(yè)的木材加 工，工農(nóng)業(yè)的車輛與行走機(jī)械，動(dòng)感游樂(lè)模擬系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備；以至石油、石化、制藥、生化、食品加工和污水處理等行業(yè)。

針對(duì)傳統(tǒng)的液位測(cè)量技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的不足,介紹了一種新型的液位傳感器的設(shè)計(jì)方案。該方案采用磁致伸縮技術(shù)將液位信息轉(zhuǎn)化為時(shí)間量。通過(guò)對(duì)磁致伸縮式液位傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理的分析,設(shè)計(jì)了硬件測(cè)量電路和軟件測(cè)量電路,介紹了關(guān)鍵器件,如場(chǎng)效應(yīng)管、運(yùn)算放大器、核算處理器等的選型及參數(shù)整定方法。實(shí)驗(yàn)證明:在液位測(cè)量中,這種基于磁致伸縮式液位傳感器的采用,大大提高了測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度和可靠性。

研制了一種用于工業(yè)管道和海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢測(cè)的縱向超聲導(dǎo)波傳感器,分析了縱向超聲導(dǎo)波傳感器的工作原理———磁致伸縮效應(yīng)及逆效應(yīng),討論了傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇方法。該傳感器具有靈敏度和檢測(cè)效率高、非接觸檢測(cè)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等主要特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)管道、海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)、桿件、鋼絲繩等構(gòu)件的裂紋、腐蝕或者斷絲等缺陷的檢測(cè)。

論述了超磁致伸縮作動(dòng)器的基本原理,根據(jù)三種偏置磁場(chǎng)優(yōu)缺點(diǎn),選用增加單獨(dú)線圈產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)。在磁路分析的基礎(chǔ)上,采用有限元仿真的方法,分析了不同參數(shù)和結(jié)構(gòu)對(duì)各個(gè)組成部分的磁場(chǎng)影響。

為了實(shí)現(xiàn)磁致伸縮位移傳感器的低成本化,提出了一種基于msp430單片機(jī)的電路方案,分析設(shè)計(jì)了脈沖功率放大、信號(hào)放大與整形、時(shí)間測(cè)量、傳感器輸出接口等電路模塊。磁致伸縮效應(yīng)的特性,以及高精度時(shí)間測(cè)量電子電路的實(shí)現(xiàn),保證了傳感器的測(cè)量精度。電路系統(tǒng)各部分信號(hào)的實(shí)驗(yàn)波形和測(cè)試數(shù)據(jù)表明,傳感器具有較高的整體性能,為傳感器的低成本產(chǎn)品化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

超磁致伸縮材料具有很強(qiáng)的非線性耦合特性、磁滯特性和復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性。因此,建立能夠準(zhǔn)確描述超磁致伸縮致動(dòng)器工作狀態(tài)的模型成為關(guān)鍵問(wèn)題。綜述棒型超磁致伸縮材料在多場(chǎng)耦合特性、磁滯特性建模研究狀況以及超磁致伸縮致動(dòng)器動(dòng)力學(xué)建模研究狀況,分析當(dāng)前所建立多種模型的優(yōu)缺點(diǎn),并展望建模工作的發(fā)展趨勢(shì)。

超磁致伸縮材料能量密度高,導(dǎo)熱性相對(duì)較好,由其制造的功率超聲換能器能做成很大功率,但因?yàn)榇祟悡Q能器總處在高強(qiáng)度高頻率磁場(chǎng)中工作,各種損耗很嚴(yán)重,帶來(lái)的熱量非常大,而超磁致伸縮材料對(duì)外界溫度又很敏感,故熱分析是該類換能器設(shè)計(jì)的重要方面。該文設(shè)計(jì)了換能器及其冷卻系統(tǒng),以考慮渦流損失和附加損失的jile-atherton模型為基礎(chǔ),提取了模型參數(shù),計(jì)算得到了換能器的損耗總量;用有限元方法計(jì)算了冷卻水流場(chǎng)分布和換能器溫度場(chǎng)分布;對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果吻合良好。

介紹了超磁致伸縮材料的性能特點(diǎn)和利用國(guó)產(chǎn)超磁致伸縮材料研制的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器,及噴嘴擋板閥的結(jié)構(gòu)組成和工作原理,建立了數(shù)學(xué)模型。構(gòu)建了基于超磁致伸縮轉(zhuǎn)換器噴嘴擋板閥的控制壓力測(cè)試系統(tǒng),試驗(yàn)研究超磁致伸縮轉(zhuǎn)換器噴嘴擋板閥的控制壓力特性,得出了最佳控制壓力時(shí)不同參數(shù)間的匹配關(guān)系。結(jié)果表明,基于超磁致伸縮轉(zhuǎn)換器噴嘴擋板閥,具有較寬的控制壓力特性,良好的線性度,較快的響應(yīng)速度,為進(jìn)一步將其應(yīng)用于兩級(jí)電液伺服閥提供了設(shè)計(jì)和試驗(yàn)依據(jù)。

根據(jù)鐵磁體具有磁致伸縮特性,提出一種基于磁致伸縮效應(yīng)的鋼管無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。對(duì)其檢測(cè)原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案作了介紹,并對(duì)樣本管進(jìn)行了有缺陷和無(wú)缺陷的模擬試驗(yàn),分別給出了所獲得的信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該檢測(cè)技術(shù)對(duì)鋼管缺陷檢測(cè)是可行的,而且檢測(cè)靈敏度比較高,安裝單個(gè)傳感器即可對(duì)很長(zhǎng)段鋼管進(jìn)行檢測(cè)。

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)線圈和terfenol-d的形狀尺寸,改善以超磁致伸縮材料terfenol-d為主動(dòng)材料的高速開(kāi)關(guān)閥的性能.選擇合適的漆包線線徑以降低線圈電阻;優(yōu)化線圈形狀函數(shù)以提高線圈的磁場(chǎng)生成能力;改善terfenol-d的尺寸來(lái)降低磁通路徑的磁阻,減小渦流損耗,提高致動(dòng)器的磁場(chǎng)利用率;兼顧提高致動(dòng)器的能量轉(zhuǎn)換效率,提出優(yōu)化設(shè)計(jì)超磁致伸縮致動(dòng)器的規(guī)律.兩個(gè)致動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性.

在分析了超磁致伸縮材料工作特性的基礎(chǔ)上,提出了一種基于超磁致伸縮材料的發(fā)音頭盔。介紹了發(fā)音頭盔的工作原理和結(jié)構(gòu),超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器以及在頭盔中固定機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。該發(fā)音頭盔極大地提高了頭盔的使用性能,具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

傳感器由磁化器、激勵(lì)線圈、接收線圈和聚磁器等組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用周向超聲導(dǎo)波傳感器可以在大直徑管道中激勵(lì)和接收周向超聲導(dǎo)波并可對(duì)管道中的缺陷進(jìn)行長(zhǎng)范圍、全覆蓋的非接觸無(wú)損檢測(cè)。

南京市三汊河河口閘工程采用大閘門上疊加溢流小門的創(chuàng)新型門體結(jié)構(gòu),本文主要介紹新型pcst27系列磁致伸縮式位移傳感器在其溢流小門上的應(yīng)用。

超磁致伸縮換能器工作的同時(shí)受到機(jī)械力場(chǎng)和電磁場(chǎng)的雙重作用,特性必然受機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源特性的雙重影響,為尋找最佳的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源特性參數(shù),必須建模研究。本文討論了超磁致伸縮換能器的建模方法,為換能器的設(shè)計(jì)、研究提供借鑒。

超磁致伸縮換能器工作時(shí)同時(shí)受機(jī)械力場(chǎng)和電磁場(chǎng)的雙重作用,特性必然受機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源特性的雙重影響,為尋找最佳的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源特性參數(shù),必須建模研究。討論超磁致伸縮換能器的建模方法,為換能器的設(shè)計(jì)、研究提供借鑒。

概述超磁致伸縮換能器的結(jié)構(gòu)、工作原理以及動(dòng)態(tài)特性的建模方法,并結(jié)合自行研制的換能器建立起仿真模型,有利于指導(dǎo)換能器的設(shè)計(jì)研究。

稀土超磁致伸縮換能器是一種新型的可控震源。本論文針對(duì)稀土超磁致伸縮換能器并結(jié)合淺層地震勘探的特點(diǎn),研制了稀土超磁致伸縮換能器驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器由計(jì)算機(jī)pci總線fpga信號(hào)發(fā)射卡、igbt驅(qū)動(dòng)器、igbt逆變器及電源組成。由該驅(qū)動(dòng)器和稀土超磁致伸縮換能器組成震源系統(tǒng),將其應(yīng)用于淺層地震勘探模型試驗(yàn)中,取得了良好的效果。

介紹了磁致伸縮效應(yīng)的原理及發(fā)展現(xiàn)狀,為了解決綜采工作面支架移動(dòng)不一致的問(wèn)題,提出了在推移油缸內(nèi)放置磁致伸縮位移傳感器,通過(guò)在煤礦跟蹤工業(yè)性試驗(yàn)后,工作狀態(tài)良好,行程控制精確,為進(jìn)行大規(guī)模推廣提供了技術(shù)支持。

介紹采用巨磁電阻傳感器與配對(duì)小磁鋼設(shè)計(jì)組成新型位移傳感器,測(cè)量材料的磁致伸縮系數(shù),并對(duì)自旋閥巨磁電阻(nveaa002-02)位移傳感器以及多層膜巨磁電阻(ss501a)位移傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析比較,得出用多層膜巨磁電阻(ss501a)位移傳感器測(cè)量磁致伸縮系數(shù)時(shí)靈敏度較高,結(jié)果較準(zhǔn)確,對(duì)磁致伸縮系數(shù)的傳統(tǒng)測(cè)量方法有明顯的改進(jìn)。

利用hammerstein模型對(duì)超磁致伸縮作動(dòng)器(gma,giantmagnetostrictiveactuators)進(jìn)行建模,分別以改進(jìn)的prandtl-ishlinskii(mpi,modifiedprandtl-ishlinskii)模型和外因輸入自回歸模型(arx,autoregressivemodelwithexogenousinput)代表hammerstein模型中的靜態(tài)非線性部分和線性動(dòng)態(tài)部分,并給出了模型的辨識(shí)方法.此模型能在1~100hz頻率范圍內(nèi)較好地描述gma的率相關(guān)遲滯非線性特性.提出了前饋逆補(bǔ)償和比例-微分-積分(pid,proportional-integral-derivative)反饋相結(jié)合的復(fù)合控制策略.實(shí)時(shí)跟蹤幅值為16μm的單一頻率和復(fù)合頻率正弦參考輸入信號(hào),均方根誤差小于1μm,相對(duì)誤差小于10%,證明了控制策略的有效性.

利用超磁致伸縮致動(dòng)器(giantmagnetostrictiveactuator,gma)應(yīng)變率大、響應(yīng)頻率高的優(yōu)點(diǎn)和脈沖噴射裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于gma的脈沖噴射開(kāi)關(guān)閥,分別分析gma和脈沖噴射開(kāi)關(guān)閥本體在動(dòng)態(tài)工作條件下的系統(tǒng)傳遞函數(shù),綜合分析后建立閥的流量、噴射速度與驅(qū)動(dòng)電流之間的系統(tǒng)方框圖和傳遞函數(shù)。simulink的開(kāi)關(guān)閥動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果顯示,基于gma的脈沖噴射開(kāi)關(guān)閥的工作頻帶寬度大于400hz,可滿足大部分噴射裝置的工作要求。gma位移掃頻試驗(yàn)結(jié)果表明,該模型在低頻范圍內(nèi)可正確反映開(kāi)關(guān)閥的動(dòng)態(tài)特性,高頻范圍內(nèi)需考慮溫度和磁滯的影響。

超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器具有響應(yīng)快、輸出應(yīng)變大、機(jī)電轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn),但因受超磁致伸縮材料內(nèi)在的磁滯效應(yīng)與磁-機(jī)耦合效應(yīng)等因素影響,導(dǎo)致其輸出位移存在較大滯環(huán),大大降低了驅(qū)動(dòng)器的輸出位移精度,也影響了該材料及其致動(dòng)器更廣泛的應(yīng)用。為了有效地設(shè)計(jì)和使用超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器,需要建立準(zhǔn)確描述其磁滯非線性的數(shù)學(xué)模型。在經(jīng)典preisach模型的基礎(chǔ)上建立了超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的preisach磁滯數(shù)值模型,并通過(guò)對(duì)preisach限制三角形的離散劃分,依賴大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)了該模型的參數(shù),并進(jìn)行了超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器磁滯輸出實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該preisach磁滯模型能較好地描述準(zhǔn)靜態(tài)下超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的磁滯現(xiàn)象,對(duì)指導(dǎo)超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器位移精度的提高具有一定意義。