逆磁致效應(yīng)論文：基于逆磁致效應(yīng)的超磁致伸縮微驅(qū)動(dòng)方法研究報(bào)告

-.z逆磁致效應(yīng)論文：基于逆磁致效應(yīng)的超磁致伸縮微驅(qū)動(dòng)方法研究【中文摘要】精細(xì)加工作為開(kāi)展尖端科技的根底,也是衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志,而精細(xì)微驅(qū)動(dòng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)精細(xì)加工的關(guān)鍵。超磁致伸縮微位移執(zhí)行器(GMA)以位移*圍大、輸出力大、響應(yīng)速度快、位移分辨力高、驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn),在微驅(qū)動(dòng)、精細(xì)定位、主動(dòng)降噪減震等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本文以直動(dòng)型GMA為對(duì)象,為實(shí)現(xiàn)自感知原理研制了新樣機(jī)。改進(jìn)了超磁致伸縮微位移執(zhí)行器水冷機(jī)構(gòu)并使其小型化,提高了輸出性能;并針對(duì)超磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器在恒力作用下具有良好的微驅(qū)動(dòng)特性,而在變力作用下輸出存在嚴(yán)重非線性的問(wèn)題,進(jìn)展了基于逆磁致效應(yīng)的自感知型GMA的探索性研究,提出了變力擾動(dòng)量的別離方法并進(jìn)展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究,這對(duì)于提高超磁致伸縮微位移執(zhí)行器的輸出特性和推進(jìn)其應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。本文首先從磁致伸縮機(jī)理出發(fā),分析應(yīng)變、應(yīng)力、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度及溫度之間的相互關(guān)系,確定了GMA輸出非線性的原因。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括:執(zhí)行器主體、磁感應(yīng)強(qiáng)度和溫度傳感電路、基于DSP的主控電路、基于LabView的數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)。其次對(duì)基于逆磁致效應(yīng)的自感知信號(hào)的別離方法進(jìn)展了研究,包括基于電橋電路、加探測(cè)線圈、建立狀態(tài)觀測(cè)器三種方法。以壓磁方程為根底,推導(dǎo)了不同工作邊界條件下應(yīng)力與感知信號(hào)的關(guān)系,作為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的理論依據(jù)。理論得到電橋法中感知信號(hào)與輸出速度成正比,而觀測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方法感知信號(hào)與應(yīng)力成正比。最后對(duì)設(shè)計(jì)的執(zhí)行器進(jìn)展了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析。溫度和磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感電路的測(cè)量精度滿(mǎn)足要求,可用于自感知研究中對(duì)磁場(chǎng)的監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)線圈磁場(chǎng)均勻性有了提高,最大衰減由13.0%降低到4.95%;設(shè)計(jì)的水冷機(jī)構(gòu)能夠使執(zhí)行器工作溫度穩(wěn)定在0.2℃內(nèi);小電流驅(qū)動(dòng)下執(zhí)行器輸出位移固定位置的蠕變?cè)?0nm以?xún)?nèi);同樣驅(qū)動(dòng)電流下,輸出位移比原樣機(jī)大了一倍,并且升程曲線線性度較好;執(zhí)行器位移輸出重復(fù)性誤差在100nm以?xún)?nèi);通過(guò)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電流可控制位移步進(jìn)輸出在50nm以?xún)?nèi)。在以上良好的位移輸出特性根底上利用監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)的方法實(shí)現(xiàn)了恒驅(qū)動(dòng)電流下力的自感知功能,與標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的測(cè)量值比照在200N的動(dòng)態(tài)力*圍內(nèi)最大誤差不到20N?！居⑽恼縋recisionmachining,asthebasisofdevelopingadvancedtechnology,isalsoanimportantsignofanation’sscientificandtechnologicallevel.Andprecisionmicro-drivetechnologyisthekeytoachieveprecisionmachining.paredwithpiezoelectricactuator,GiantMagnetostrictiveActuator(GMA)haslargeoutputdisplacement,largeoutputforce,fastresponse,high-resolutiondisplacementandlowdrivevoltage.Soithasbroadapplicationprospectsinthefieldsofmicro-drive,precisionpositioningandnoisedamping.Thisdissertationemphasizesona*ialmovingtypeGMA,developedamagnetostrictiveprecisionmicro-displacementactuatorprototypeinordertoachieveself-sensingfunction.Bydesigningthestructureofwatercoolingsystemwemadeitsmallerandimprovedit’soutputperformance;AstheGMAhasagoodmicro-drivecharacteristicsperformanceunderconstantforcewhileaseriousnonlinearundertheconditionofvariableforce,thisarticlemakese*plorationresearchonself-sensingGMAbasedoninversemagneticeffect.Itproposesamethodofseparatingthedisturbanceofchangingforceanddoescorrespondinge*periments.TheresearchcanimprovetheGMAoutputperformanceandpromoteitsapplication.Startingfromtheprincipleofmagnetostriction,thispaperfindsthecauseofGMAnonlinearoutput,andanalyzesontherelationshipofstrainstress,magneticfieldstrength,magneticinductionandtemperature.Thedesignede*perimentalplatformconsistsofthemainactuator,watercoolingsystem,magneticinductionandtemperaturessensingcircuit,inducedsignalseparatedcircuit,maincontrolcircuitbasedonDSPanddata-processingsystembasedonLabView.Then,thispapermaderesearchonseparatedmethodsofself-sensingsignalwhichcausedbydisturbanceforce,includingbridgecircuit,addingtestingcoil,establishmentofstateobserver.OnthebasisofPiezomagneticEquation,deducedtherelationshipofoutputforce,outputspeedandsensingsignalondifferentworkingboundaryconditions.Theyarethetheorybasisofdata-processingsystem.Intheorytheself-sensingsignalisproportionaltothevelocitybybridgecircuitwhileproportionaltotheloadforcebystateobserver.Finally,thispaperpletedthee*perimentalanalysisondesignedself-sensingGMA.Thetemperatureandmagneticinductionsensingcircuitcanmeettherequirementsofaccuracy;Themagneticfielduniformityhasbeenimprovedbyloweringthema*imumattenuationto4.95%;ThewatercoolingsystemcankeepGMAworkwithin0.2degreesCelsius;Onsmallcurrent-driven,actuatoroutputdisplacementinafi*edpositioncreepcankeep20nmorless;Drivinginthesamecurrent,theoutputdisplacementistwiceaslargeastheOriginalprototypeandtheliftcurvelinearityisbetter;Theoutputdisplacement’srepeatabilityerrorsofitislessthan100nm;Throughthesteppingdrivecurrent,thestepoutputdisplacementiscontrolledlessthan50nm.Basedontheabovegoodoutputperformance,theself-perceptionfunctionofforceisrealizedintheconstantdrivecurrentwiththemethodofmonitoringmagneticfield.Incontrastwiththestandardforcesensor,thema*imumerrorinthedynamicforcerangeof200Nislessthan20N.【關(guān)鍵詞】逆磁致效應(yīng)微位移自感知變力擾動(dòng)【英文關(guān)鍵詞】inversemagnetostrictiveeffectmicro-displacementself-sensingvariableforcedisturbance【目錄】基于逆磁致效應(yīng)的超磁致伸縮微驅(qū)動(dòng)方法研究

摘要

4-5

Abstract

5-6

第1章緒論

10-19

1.1課題背景及研究的目的和意義

10-11

1.2超磁致伸縮材料的開(kāi)展與應(yīng)用

11-14

1.3磁致伸縮微位移執(zhí)行器開(kāi)展與應(yīng)用

14-16

1.4自感知超磁致伸縮微位移執(zhí)行器

16-18

1.4.1自感知執(zhí)行器的概念

16

1.4.2自感知磁致伸縮執(zhí)行器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

16-18

1.5課題來(lái)源與研究?jī)?nèi)容

18-19

第2章超磁致伸縮材料正逆效應(yīng)及特性

19-31

2.1引言

19

2.2磁致伸縮現(xiàn)象機(jī)理

19-22

2.3磁致伸縮自感知機(jī)理

22-23

2.4超磁致伸縮材料的特性

23-28

2.4.1根本物理特性

23-24

2.4.2溫度影響

24-25

2.4.3預(yù)壓應(yīng)力影響

25-26

2.4.4滯回現(xiàn)象

26-27

2.4.5倍頻效應(yīng)

27-28

2.4.6△E效應(yīng)

28

2.4.7其他特性

28

2.5影響磁致伸縮逆效應(yīng)性能的主要因素

28-30

2.5.1預(yù)壓應(yīng)力的影響

29

2.5.2偏置磁場(chǎng)的影響

29-30

2.5.3其他因素影響

30

2.6本章小結(jié)

30-31

第3章直動(dòng)型磁致伸縮執(zhí)行器設(shè)計(jì)

31-46

3.1引言

31

3.2直動(dòng)型GMA系統(tǒng)的總體構(gòu)造

31-33

3.3高均勻磁場(chǎng)的激磁線圈設(shè)計(jì)

33-38

3.3.1軸對(duì)稱(chēng)空心圓柱線圈的磁場(chǎng)模型

33-35

3.3.2軸對(duì)稱(chēng)空心圓柱線圈空間磁感應(yīng)強(qiáng)度分布仿真

35-37

3.3.3Helmholtz型補(bǔ)償線圈設(shè)計(jì)

37-38

3.4冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

38-39

3.5應(yīng)變輸出機(jī)構(gòu)

39-41

3.6傳感電路設(shè)計(jì)

41-44

3.6.1溫度傳感

41-43

3.6.2磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感

43-44

3.7程控恒流源

44-45

3.8主控電路設(shè)計(jì)

45

3.9本章小結(jié)

45-46

第4章磁致伸縮逆效應(yīng)及GMA自感知方法研究

46-59

4.1引言

46

4.2磁致伸縮逆效應(yīng)及壓磁方程

46-47

4.2.1磁致伸縮逆效應(yīng)概述

46

4.2.2壓磁效應(yīng)邊界條件及方程

46-47

4.3基于電橋電路的自感知方法研究

47-53

4.4外加探測(cè)線圈的力感知方法研究

53-55

4.5基于觀測(cè)器的自感知GMA方法與實(shí)驗(yàn)研究

55-58

4.5.1根本原理

55-56

4.5.2觀測(cè)器參數(shù)測(cè)定與輸出仿真

56-58

4.6本章小結(jié)

58-59

第5章系統(tǒng)整體測(cè)試與自