磁致伸缩驱动器（精选八篇）
磁致伸缩驱动器 篇1
超磁致伸缩材料(giant magnetostrictive material,简称GMM)是一种新型高效的电(磁)能—机械能转换功能材料,它在室温和低磁场下能产生很大的磁致伸缩应变。利用GMM的磁致伸缩效应开发的超磁致伸缩驱动器(giant magnetostrictive actuator,简称GMA)具有输出力大、输出位移大、响应速度快、结构简单、体积小等优点[1,2],近年来,在精密、超精密加工领域越来越体现出其广阔的应用价值。
驱动电源技术是超磁致伸缩驱动器应用研究的关键技术之一,电源性能的优劣将直接决定驱动器静态和动态使用特性[3,4,5]。本文针对驱动器对驱动电源的性能要求,设计和研制了一种大功率、高精度、能用DSP数字电路双向控制的恒流驱动电源。
1 GMA的驱动原理与驱动电源特点
1.1 驱动器结构及驱动原理
采用国产GMM棒材为主要元件,根据超磁致伸缩材料的驱动特性及磁路原理,研制了超磁致伸缩驱动器[6],其结构简图见图1。
该驱动器工作原理可简述为:当激励线圈通有电流时,由电磁感应原理将产生驱动磁场,从而驱动GMM棒的伸长或缩短,通过输出顶杆,对外将产生输出位移。此外,通过给偏置线圈施加适当的电流,产生所需的偏置磁场,以消除“倍频现象”;通过预压机构对超磁致伸缩材料提供合适的预压力,提高机磁耦合系数和磁致伸缩系数;带螺旋沟槽的套筒、进水口和出水口构成一个循环的冷却水回路,可带走驱动器工作时所产生的热量,降低温度变化对驱动器工作的影响。
1.2 控制系统设计及驱动电源特点
为了实现超磁致伸缩驱动器控制的稳定性与智能化,设计了如图2所示的控制系统。系统以TMS320F2812型DSP为控制核心,通过控制D/A模块输出控制电压信号,从而控制双向可控恒流驱动电源去驱动GMA,而GMA输出的位移信号可通过A/D模块反馈到DSP中处理,实现了闭环控制。可见,驱动电源起到了连接驱动器与控制核心器件DSP之间的桥梁作用,既要稳定、快速地驱动GMA,又要对DSP经D/A输送过来的信号作出快速、精确的反应。
根据GMM的驱动特性以及对GMA的控制要求与性能指标,驱动电源除了要求具有编程可控功能,从而可采用一定的控制算法减小系统误差,提高系统性能和自动化程度以外,驱动电源还应满足以下几点:①驱动电源应是一个在较大范围内连续可调的双向恒流源,由驱动负载线圈产生正负方向可变的磁场,并与偏置磁场叠加出驱动磁场,以满足超磁致伸缩驱动器的工作要求;②由于超磁致伸缩驱动器控制精度较高,要求驱动电源的稳流特性和线性度要好;③超磁致伸缩材料对外加控制信号的响应速度主要取决于驱动电源输出电流的响应速度,因此驱动电源应具有较高的频响;④驱动电源的负载为电感线圈,因此输入信号与输出信号存在一定的相位差,应采取一定措施进行超前补偿,同时应选用高耐压器件,并有保护电路,以抑制对开关电源的操作产生的瞬态反相高压,避免损坏元器件。
2 双向可控恒流驱动电源的设计
2.1 电路设计与分析
图3为根据连续调整型恒流源原理[7]所设计的双向可控恒流驱动电源的电路原理简图。
驱动电源的实际负载为驱动器线圈,在图3中负载线圈用电感L与电阻RL表示。由于负载为电感线圈,为防止自激振荡,在其两端接入电容C进行超前补偿;为了提高恒流源的稳定度等性能,选用了大功率达林顿管MJ11032和MJ11033作为调整管VM1和VM2,并使其组成互补对称电路;4个放大器(A1、A2、A3和A4)均选用低温漂、高精度运算放大器LM358,且A1接成电压跟随器的形式,以提高电路的输入阻抗;采样电阻RS采用了温度系数和时效变化都很小的锰铜丝线绕精密电阻。
设Io、IS、IC分别为流过L、RS、C的电流;ZL为L和RL的等效阻抗;ZC为C和RC的等效阻抗;Ui1为A1的输入电压,Uo3为A3的输出电压;US为RS的电压。由基尔霍夫电流定律可得:
IS=Io+IC 。 (1)
且有:
ICZC=IoZL 。 (2)
由运放特性U+=U-可得:
undefined。 (3)
联立式(1)、式(2)、式(3)得:
undefined。 (4)
将undefined代入式(4)得:
undefined。 (5)
式(5)就是恒流源输入与输出的向量表达式,当角频率ω=0(即直流)时,变为:
undefined。 (6)
式(6)就是恒流源的静态输出特性表达式,选取合适的阻值可以使:
undefined(或者常数) 。 (7)
其中,undefined为A3放大电路的电压放大倍数,只要选择精密电阻阻值R5=R8=100 kΩ,R6=R7=10 kΩ,即可实现预期的10倍放大功能;同时选择RS为0.1 Ω/5 W的锰铜丝线绕电阻,R1～R4均选用1‰精度、阻值为1 kΩ的金属膜精密电阻。这样就能实现Io=Ui1。
运放A4设计成减法电路,设A4的正端输入即控制输入为Ui,负端输入电压为Ub,则:undefined。如取R9=R10,则有:Ui1=2Ui-Ub。在设计中调节Ub使其为4 V,则总的电路输入输出关系就为:Io=2Ui-4。因此当由DSP控制的D/A模块输出(DAOUT1)在0 V～4 V变化,则恒流源输出电流就在-4 A～4 A变化,从而实现了恒流源的双向可控。
2.2 电源实验测试
实验中驱动器激励线圈电感量为15 mH,其静态电阻为1.55 Ω(实测),采用四位半精度的数字万用表测出恒流源的输入电压与输出电流,获得的实验数据见表1。
图4为依据表1的数据所作的恒流源的输入、输出关系的“定度曲线”以及用最小二乘法进行回归得到的拟合直线,定度曲线偏离其拟合直线的程度就是非线性度。
由实验数据求得的拟合直线方程为:
Io′=2.011 8Ui′-4.026 5 。 (8)
定度曲线和拟合曲线的偏差为:
Δ=Io-Io′=Io-(2.011 8Ui′-4.026 5) 。 (9)
将实测的各点值代入,即可求得在Ui=3.898 V,Io=3.839 A时输出电流与拟合直线间的偏差值最大,为Δmax=0.023 6 A,根据输出电流的最大值为Imax=4.011 A,可得恒流源的非线性度仅为(Δmax/Imax)·100%=0.59%。而表征恒流源静态性能最重要的参数即为非线性度,由此可知所设计的恒流源的输出、输入间能保持理想的线性关系,性能良好。
当然实验中也对恒流源的其他静态性能进行了测试,测试结果表明电源的电压调整率(小于1‰)、负载调整率(小于3‰)、时漂(小于6 mA)、纹波电压(小于15 mV)都达到了很高的性能指标。
3 结论
本文在分析了超磁致伸缩驱动器的驱动原理和驱动电源特点的基础上,设计了一种双向可控的恒流驱动电源,该电源能够输出-4 A～+4 A范围的双向直流调节信号,其输出电流既可通过手动调节,又可通过DSP控制芯片控制,实现了程序自动控制,具有一定智能化。对电源的实验测试结果表明,该驱动电源的线性度高、工作稳定,具有良好的静态特性,能够满足超磁致伸缩驱动器的工作要求。
参考文献
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[6]马志新,周志平.基于超磁致伸缩材料微位移驱动器的原理及实验研究[J].现代机械,2009(2):19-21.
磁致伸缩驱动器 篇2
在合适的偏置磁场下，可使UMM棒工作于伸缩性能良好的线性区域。此时，当输入为交变磁场时，超磁致伸缩棒将会产生与交变磁场同频率的交变输出位移，使得UMM棒体发生位移振动的运动。偏置磁场下正弦信号、方波信号驱动磁场时UMM的振动输出原理图。
与传统的压电材料相比，超磁致伸缩材料具有优良的磁弹性能，其反应速度快，响应时间极短，可达6 —10 s，而且其能量密度高达14—25 m。为此，在高频率的驱动磁场下，将会产生极快的响应与极高的振动能量输出，充分发挥出超磁致伸缩材料优良的材料性能。
2高频UMA动态磁场有限元分析
2。 1静态驱动磁场分析
通过对激励线圈磁场模型的分析，掌握了螺线管内部磁场分布特性，为驱动线圈设计尺寸的选择与优化提供了理论基础。而在具体器件应用中，磁场的分布情况还与器件结构尺寸、漏磁情况及材料的磁导率有着密切关系，在超磁致伸缩致动器的磁场设计中，需要对这些因素进行综合考虑。如果采用理论磁场计算方案对UMM棒内部磁场进行计算，则必须要而对理论磁场数学建模难度过大的难题，可操作性不强。为此，采用基于“场”的有限元方法完成对超磁致伸缩致动器磁场的整体设计与分析。UMA的闭合磁路主要由底座、下导磁块、UMM棒、上导磁块、输出轴及壳体组成。
虽然UMM棒体为叠片式结构，但在静态电流驱动时不存在涡流影响，可视UMM棒为轴对称结构，忽略少量的不对称结构影响，UMA可以看作完全轴对称结构，在建模过程中采用轴对称建模方法，只需建立其轴对称截而即可模拟整个UMA的`模型，使计算量大大降低。对所建立的模型进行网格划分、加载与求解。
从分析结果可见，驱动线圈所产生的大部分磁力线通过UMM棒，经过上导磁块、输出轴、外壁底座与下导磁块形成闭合回路。虽然输出轴与外壁之间存在少量间隙，但由于空气磁导率较小，漏磁极少。从磁场强度分布来看，分布在UMM棒上的磁场强度较大，磁能较多地用于对UMM棒的驱动，说明所设计的UMA磁路合理。
2。 2交流驱动磁场设计有限元分析与激励频率讨论
在交流驱动磁场下，电阻率将会在UMM棒中产生涡流，而涡流将会对UMM棒产生涡流热效应与集肤效应影响，涡流热效应通过温度变化影响超磁致伸缩材料的各项性能，集肤效应则会引起超磁致材料内部磁场非线性问题。给出了不同驱动频率的电流下UMA磁场强度分布状况。
从结果可以看出，在交流电驱动下，UMM棒中磁场分布具有如下特点：1)在交流电流驱动下，沿着UMM棒体径向方向上，呈现出靠近轴线方向上磁场强度小，远离轴线处的磁场强度大的特点;2)随着驱动频率逐渐增大，分布在UMM棒体上的磁场强度整体逐渐减小。在越靠近轴线处，磁场强度降低幅度更大，当驱动频率达到600 H2时，轴线处磁场强度减小到零，而远离轴线靠近棒体外径处，磁场强度变化量很小。
UMM棒体内磁场分布特点，证明了交流驱动时磁场分布集肤效应导致UMM棒中各部分伸长不均匀，使得UMM棒外表伸长量大于内部伸长量，进而引起UMM棒芯部出现应力集中现象，从而影响UMM使用寿命与材料性能。为了充分发挥超磁致伸缩材料的性能优势，将UMM棒体沿轴向切割为多层叠片，使用绝缘的环氧树脂对各叠片进行粘贴，达到抑制涡流效应的作用。
3偏置磁场设计及优化
在实现偏置磁场的仿真过程中，采用圆筒永磁铁、圆柱永磁铁及偏置线圈组合作用或单个作用的多种不同设计方案。UMA结构优劣评判及最优偏置磁场设计方案见表
4结论
1)以超磁致伸缩驱动棒尺寸、偏置驱动磁场大小及交变磁场幅值基本参数为基础，完成应用高频驱动的超磁致伸缩致动器设计。
2)在ANSYS平台上建立了用于的高频驱动励磁线圈的磁场强度模型，完成了UMA静态磁场仿真，对不同激励频率下UMA磁场分布进行了讨论。
磁致伸缩驱动器 篇3
当磁性体 (如金属 Ni、Fe等) 的磁化状态改变时, 其外型尺寸或体积会发生微小的变化, 这被称为磁致伸缩效应, 又称焦尔效应[1]。超磁致伸缩材料 (Giant Magnetostrictive Material, 简称GMM) 是指在室温和低磁场下具有大磁致伸缩系数的磁 (电) —机械能转换材料, 其饱和磁致伸缩系数λS一般大于3×10-5。超磁致伸缩材料和传统的磁致伸缩材料 (铁、钴、镍等) 相比, 具有磁致伸缩应变量大 (最大应变可达1.5×10-3m～2×10-3m, 比镍大40倍～50倍, 比PZT大5倍～8倍) 、能量密度大 (最大可达2×104J/m3, 比镍大400倍～500倍, 比PZT至少大10倍以上) 、居里温度高、工作性能稳定、机电耦合系数大、机械响应快等众多优异性能[2], 因此它在声学、流体机械、传感器、微马达等领域均显示出良好的应用前景。由超磁致伸缩材料制成的电机性能优越, 具有大应变、强力、高功率密度、高精度、快速响应和高可靠性的特点, 因此广泛应用于精密加工和超精密加工中, 用来调整工具、保证工件的加工尺寸精度和表面质量[3]。
1超磁致伸缩驱动器的设计计算
1.1 超磁致伸缩驱动器结构及其工作原理
本文设计的超磁致伸缩驱动器结构见图1。
驱动器的工作原理为:GMM棒处于直流偏置线圈和交流驱动线圈产生的驱动磁场中, 偏置电流保持不变, 通过改变交流线圈电流的大小来改变驱动磁场的大小, 使GMM棒长度发生变化, 推动输出推杆移动来实现变化的位移和力, 令电磁能转化为机械能[4]。
1.2 超磁致伸缩驱动器的线圈匝数计算
为使GMM棒工作在线性范围内, 需要通过直流偏置线圈施加直流偏置磁场。根据实验得到的GMM棒的λ—H曲线见图2, 在磁场强度H为8kA/m～40kA/m时, 超磁致伸缩棒的线性度较好。本文中设计的偏置线圈提供稳定的直流偏置磁场为17kA/m, 交流激励线圈磁场强度为8kA/m。
1—底盖;2—线圈套;3—GMM棒;4—箱体;5—交流线圈和偏置线圈;6—输出推杆;7—预压弹簧;8—端盖;9—端盖螺母
由于超磁致伸缩材料的导磁能力很差, 因此把带有磁致伸缩棒的线圈视为空心线圈来设计与计算。
1.2.1 交流驱动线圈的设计与计算
交流驱动线圈的匝数N为[5,6]:
undefined。 (1)
其中:LN为线圈长度, 根据本文使用的GMM棒长度设LN为116mm;I为交流线圈电流。N值与I的取值有关, 当I为0.9A时交流线圈的匝数为1 031匝。
1.2.2 直流偏置线圈的设计与计算
直流偏置线圈磁场强度H为17kA/m, 其电流I取为4A时, 同样利用公式 (1) 可得到直流偏置线圈的匝数为493匝。
2超磁致伸缩驱动器磁场的有限元分析
在整个超磁致伸缩直线电机系统中, 超磁致伸缩驱动器是最关键的部分, 而驱动器的输出位移和输出力主要决定于超磁致伸缩材料内部的磁场分布。为了能够产生满足驱动要求的磁场, 在结构设计阶段需要分析驱动器的线圈电流与产生的GMM棒磁场强度之间的关系, 以便优化设计驱动器的电磁结构, 从而保证整个电机的性能。
本文采用AnsoftMaxwell V10软件[7]对驱动器的磁场进行有限元分析, 得出满足偏置磁场设计要求的直流偏置电流的大小;利用超磁致伸缩棒λ-H的关系进行线性插值计算, 求出有限元分析得到的磁场强度值对应的磁致伸缩率, 进而得到在不同励磁电流下稀土超磁致伸缩棒的理论伸长量, 根据计算结果分析出满足设计要求的驱动器的驱动电流范围。
由于在Ansoft软件中交流磁场和偏置直流磁场使用的求解器不同, 因此分别对两种磁场进行有限元分析。
2.1 交流磁场的有限元分析
交流磁场是由正弦交流电激励产生的, 因此选择二维涡流场求解器分析求解交流磁场, 然后在建模器中输入驱动器的各个零部件的几何尺寸建立几何模型。根据实际情况, 输入各部件对应的材料属性, 最后得到的模型见图3。
背景指定为气球边界条件。设定电流源:由线圈设计知交流线圈匝数为1 031匝, 仿真时令交流电流值为0A～3A。以上设定完毕即可对模型进行网格划分, 其划分结果见图4。
经Ansoft软件处理得出不同交流电流值时GMM棒的磁场强度值。当交流电流值为0.9A时, GMM棒磁场强度为0.789 73×104A/m, 满足磁场强度设计要求。磁力线分布、云图和GMM棒的磁场强度见图5。
根据0A～3A交流电流下的磁场强度值, 利用超磁致伸缩棒λ-H的关系进行线性插值计算, 求出磁场强度值对应的磁致伸缩率, 从而求出磁致伸缩棒的理论伸长量, 见表1和图6。
2.2 直流偏置磁场的有限元分析
由于偏置磁场由直流螺线管线圈产生, 因此选择静磁场求解器。但是直流偏置磁场中超磁致伸缩驱动器的几何模型以及各部件的材料属性与交流磁场中的设置相同, 给背景指定气球边界条件, 并设定电流源。由上述线圈设计知直流偏置线圈匝数为493匝, 工作电流I≤4A。仿真时依次考察电流值为0A～4A时的偏置场强值。
然后对模型进行网格划分, 经Ansoft 软件处理, 对比各次仿真结果得:偏置电流值为3.25A时GMM棒磁场强度为1.701 2×104A/m, 且比较均匀, 满足设计要求的偏置磁场强度。
2.3 有限元分析结果
通过Ansoft有限元软件对超磁致伸缩驱动器磁场进行分析, 从而估计驱动器的工作特性和线性工作范围, 对于保证驱动器的性能和指导驱动器控制电路的设计都具有重要的指导意义。从有限元分析的结果可以看出:偏置线圈电流为3.25A时, GMM棒的磁场强度比较均匀, 满足设计要求的偏置磁场强度1.701 2×104A/m, 驱动器开始进入线性工作区;当交流电流值为0.9A时GMM棒磁场强度为0.789 73×104A/m, 满足磁场强度设计要求;交流电流值在0A～1.4A时, 驱动器有较好的线性位移输出特性, 超磁致伸缩驱动器的输出位移范围大, 线性度好, 能满足超磁致伸缩驱动器的设计要求。
3结论
本文用Ansoft软件分析了超磁致伸缩驱动器的磁场, 通过对驱动器实际结构进行有限元分析, 得出驱动器的线圈电流与产生的GMM棒磁场强度之间的关系, 从而得出了满足设计要求和线性工作范围要求的直流偏置电流值和交流电流值, 从理论上为驱动器的线圈设计和结构设计提供了指导。
参考文献
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磁致伸缩驱动器 篇4
冲压机广泛应用于电子、通讯、家用电器、 家具、交通工具、五金零部件等的冲压及成型。 目前生产中常用的冲压机主要有机械式、气动式、液压式三类, 但是他们分别存在一些缺陷。 机械式冲压机多用曲柄连杆机构带动冲头进行往复运动, 这种冲压机的缺陷在于:系统包含电动机、飞轮、离合器等部件, 整体结构较复杂, 很难实现微小型化;由于使用曲柄连杆机构, 冲头上下往复运动过程中承受的周期性的水平侧向力较大, 因此摩擦损耗大并且还会产生周期性的振动, 降低设备使用寿命;工作行程和频率一般不可调, 而且产生的是刚性冲击, 安全性低。气动冲压机的主要缺点是:需要配置压缩空气源或者空压机, 因此造价较高且装置体积较大。液压式的冲压机的问题是:压力损失比较明显;最重要的是油液容易泄露, 造成环境污染;此外, 液压泵还会产生噪声污染[1]。综合上述情况, 我们提出了一种新型的微型冲压机, 它使用电致与磁致伸缩材料驱动, 并利用内回流面积差动液压行程放大原理进行设计, 能提供小能量柔性冲击, 并且具有结构紧凑简洁, 可调控, 能源利用率高的特点。
1电致与磁致伸缩材料简介
电致伸缩指电介质在外界电场作用下, 由于感应极化作用而引起应变, 应变与电场方向无关, 应变的大小与电场平方成正比。
磁致伸缩指铁磁性物质在外磁场作用下, 其尺寸伸长 (或缩短) , 去掉外磁场后, 其又恢复原来的长度的现象。磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数来描述:
lo为原来的长度, lH为物体在外磁场作用下伸长或者缩短后的长度。一般铁磁性物质的 很小, 约百万分之一, 通常用ppm代表。传统磁致伸缩材料, 其值在20~80ppm之间。电致伸缩材料, 比如压电陶瓷材料 (PZT) , 其 值大约为200~400ppm。稀土金属间化合物的超磁致伸缩材料, 其值可以达到1500~2000ppm, 效果非常可观。
常用的磁致伸缩材料的结构如图1所示, 中间是磁致伸缩棒, 外面围绕着励磁线圈, 最外面是磁性外壳。当改变线圈中的电流时, 其间的磁场大小会发生变化, 从而导致超磁致伸缩棒尺寸发生变化[2]。
2内回流面积差动液压行程放大装置
从原理上可以将行程放大方式分为基于长度效应和基于面积效应两类。基于长度效应的行程放大, 适用于放大倍数要求不高的场合。而基于面积效应的行程放大装置, 能够达到长度效应几何倍数的放大效果, 因此能实现较大倍数的行程放大。
如图2所示, 其工作原理为, 当用大直径的活塞来推动小直径的活塞运动时, 则成为一个行程放大的装置。其行程放大系数的计算公式如下:
其中, Li, Lo分别为驱动活塞与输出活塞的位移, Si, So分别为驱动活塞与输出活塞的截面积, D, d分别为驱动活塞与输出活塞的直径。
传统面积效应的液压行程放大装置如图3所示, 输出活塞与活塞杆相连, 并且在有杆腔内安装复位弹簧。但是这种装置存在明显的缺点, 即当放大倍数一定时, 如果限制驱动活塞尺寸, 则输出活塞尺寸也随之确定, 而为了能够在有杆腔内安放复位弹簧则必须牺牲输出活塞杆的尺寸, 这样就可能造成活塞杆尺寸过小, 产生压杆失稳破坏;反过来考虑, 如果为了保证输出活塞杆的刚度, 就必须放大输出活塞的尺寸, 继而会造成驱动活塞的尺寸增大, 以致整个装置体积过大。
文献[4]中提到了一种内回流面积差动行程放大装置, 如图4所示。其原理是在输出活塞上开一个或多个回流孔, 即液体可以在有杆腔和无杆腔内互通, 驱动活塞推动输出活塞的过程中输出液压缸有杆腔内的液体可以回流到无杆腔内实现面积差动。其中, 输出活塞的有效作用面积S0相当于输出活塞杆的横截面积Sr, 而不是输出活塞的横截面积Sp, 因此同等条件下, 可以大大增加行程放大系数。所以在放大倍数确定时, 内回流面积差动放大装置的输出活塞是不受尺寸约束的, 则活塞杆的刚度可以得到保证, 这样就解决了传统面积效应液压行程放大装置存在的问题。
3电致与磁致伸缩材料驱动的微型冲压机的组成与工作原理
本文设计了一种新型的微型冲压机, 它使用电致与磁致伸缩材料作为驱动装置, 装置一端固定, 另外一端与行程放大装置的驱动活塞相连, 输出活塞上开有回流孔并与冲压杆相连。其结构组成如图5所示。
其工作原理为:当给电致或磁致伸缩材料加上电场或者磁场后, 伸缩材料会自动伸长, 从而推动与其连接的驱动活塞产生向下的位移△li。行程放大装置利用面积效应, 将此微位移通过液体介质传递给输出活塞, 并放大为输出活塞的位移 △lo, 输出活塞与冲压杆相连, 即带动冲压杆向下运动位移△lo, 完成冲压工作。其行程放大倍数的计算如公式 (3) 所示。
式中Si为输入活塞的横截面积, So为输出活塞的有效作用面积So=Sr, Sr为冲压杆的横截面积。例如, 已知一种伸缩材料的伸缩系数λ为1000ppm, 伸缩材料的原始长度ol为200mm, 驱动活塞与输出活塞杆的横截面积之比D/d=10。当加上电场或磁场后, 伸缩材料的长度变化, 通过行程放大装置最终的输出位移。通过本例可以看出本文所设计的冲压机构, 能够将伸缩材料形变产生的不易察觉的微量位移0.2mm, 进行行程放大后输出为显著位移20mm。
当撤销电场或磁场后, 伸缩材料由伸长状态恢复原始长度, 即带动驱动活塞向上移动复位, 同时输出活塞与冲压杆在复位弹簧的作用下也向上运动, 最终整个装置恢复原始的平衡位置, 完成一个完整的冲压和复位过程。
4结论
本文设计了一种新型的微型冲压机, 它使用电致与磁致伸缩材料作为驱动装置, 并巧妙的利用内回流面积差动液压行程放大装置, 可以将微量位移放大为显著位移, 实现冲压杆的冲压过程。
与传统机械式、气动式、液压式冲压机相比, 它具有以下优点:1) 整体结构紧凑简洁, 实现了微小型化。与传统驱动装置相比, 电致与磁致伸缩材料驱动由于不需使用电动机、泵、气缸等部件, 因此体积较小;同时改进后增加回流孔的液压行程放大装置, 采用一体式的缸体, 与图3所示的传统行程放大装置的尺寸非一致的缸体相比, 结构与制造过程简单。2) 提供可调控的柔性冲击。通过改变外电场或磁场的强度和控制其存在与消失, 即可控制材料的伸缩量, 因此整个控制系统简单高效;同时由于液体介质能够提供缓冲, 避免了机械式冲床刚性冲击的缺陷, 提升了安全性和设备使用寿命。3) 整个装置能量转换环节少, 能源的利用效率高。4) 能提供小能量较高频率的柔性冲击, 适应很多传统冲压机力所不能及的制造或分析测试场合。
参考文献
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磁致伸缩超声导波激励电路设计 篇5
本文基于直接数字频率合成 (direct digital synthesis, DDS) 技术, 利用FPGA、高速DA、集成运算放大器等设计了专门用于激励超声导波的窄带脉冲谐振激励电路, 该电路可实现汉宁 (Hanning) 窗的宽度, 单频信号频率及汉宁窗脉冲的时间间隔可调, 提供了一种用于激励超声导波信号的方法。
1 激励电路总体设计
在超声导波检测中, 一般选用汉宁窗调制单频的窄带脉冲信号作为激励信号, 其函数形式为:
其中, f为单频信号的频率, n为汉宁窗调制的单频信号的周期数。
总体设计如图1所示, 按键用于设置汉宁窗宽度 (调制单频信号的周期数) 、单频信号的频率及汉宁窗脉冲的时间间隔;在FPGA中利用DDS技术实现汉宁窗调制的单频信号算法, 高速DA将FPGA输出的数字信号转换为模拟信号;由DA输出的信号经差分/单端转换、低通滤波、中间放大、功率放大, 最终用于超声导波信号的激励。
2 硬件电路设计
磁致伸缩超声导波激励电路实现了导波激励源信号的控制与功率放大, 主要由FPGA与DA接口电路、差分转单端电路、低通滤波电路、中间放大电路、功率放大电路五部分构成。
2.1 FPGA与高速DA的接口电路
系统采用Altera公司资源丰富、成本低廉的Cyclone系列FPGA作为核心芯片, 其型号为EP1C3T144C8N, 它含有2 910个LEs、13个M4K存储器块、1个PLL、104个可用IO引脚。由于超声导波激励信号的频率范围选定在100~1 000 k Hz之间, 根据采样定理, 高速DA输出的转换时钟频率至少要为信号频率的2倍, 为了得到较为平滑的信号波形, 其取值在10倍的信号频率以上。数模转换器件选用美国TI公司推出的DAC902器件, 它具有165MSPS的更新速率, 12 bit分辨率, 且有较高的信噪比, 非常适用于超声导波激励信号的生成。采用20 MHz晶振作为系统时钟, 图2为FPGA与DAC902连接的电路图。
2.2 差分/单端转换电路
由于高速DA为互补差分输出, 而末端功率放大为单端输入, 所以必须对DA的输出做差分到单端的转换。选用美国ADI公司推出的AD830高速差分运放, 它具有差分输入、高输入阻抗、宽频带、高共模抑制比。图3为AD830差分转单端电路图。
2.3 低通滤波电路
数模转换器 (DA) 的输出实际上就是一个阶梯波, 和连续的模拟信号相比是存在量化噪声的, DA的输出信号一般不可直接用于对噪声敏感的模拟放大电路, 信号需经过滤波调理后再用作后级放大的输入。选用性能较好、成本低廉的NE5532构成截止频率为1 MHz的四阶巴特沃斯有源低通滤波电路。
2.4 中间放大电路
在模拟放大电路中, 由于运放的带宽、压摆率及稳定性等限制, 通常只通过一级放大是无法实现实际需求, 需采用多级放大。中间放大电路一般是增益可调的, 由于AD817具有宽频带、高压摆率的特性, 可很好地用于实现可调增益中间放大电路。
2.5 功率放大电路
系统的最后一级电路实现固定增益的功率放大, 由于磁致伸缩超声导波激励电路的负载为感性负载, 故要求功率放大电路具有较大的驱动能力;感性负载还会产生瞬态高压, 需对功率放大电路的输出端作保护。美国ADI公司推出的ADA4870高速、高低压、大电流驱动放大器, 具有10~40 V供电范围、2500 V/μs的压摆率、1 A的输出驱动电流, 能够驱动高容性和低阻性负载。选用ADA4870用作5倍固定增益的功率驱动器, 并通过二极管将其输出端连接到正负电源轨进行高压保护。图4为5倍固定增益功率放大电路。
3 系统软件设计
3.1 DDS工作原理
DDS是一种直接数字频率合成方法, 它从相位量化的概念出发进行频率合成。DDS的基本原理如图5所示, 它由相位累加器、正弦查询表、数模转换器和低通滤波器等部分组成。fout为输出频率, N为二进制加法器的位数, 在参考时钟fc和频率控制字K的作用下, 相位累加器进行加法操作, 累加器的输出对正弦查询表进行寻址, 输出波形编码, 然后通过数模转换得到数字形式的正弦波形, 经过低通滤波便可得到正弦波形[5]。
3.2 汉宁窗调制单频窄带脉冲信号的产生
在FPGA中基于公式K=2N·fout/fc实现两路DDS信号, 一路作为汉宁窗信号, 另一路作为单频信号。两路信号再经过乘法器做调制, 实现汉宁窗调制的单频窄脉冲信号。
通过按键设置汉宁窗信号调制单频信号的周期数、单频信号的频率及汉宁窗脉冲的时间间隔。
4 实验结果
图6显示了设计电路产生的激励信号的波形, 从图中可以看出, 激励信号为单频信号频率为100 k Hz, 汉宁窗调制20个周期峰峰值约为23 V。实验表明设计合理, 波形的产生满足设计要求, 生成了正确的完整的所需信号, 此窄带脉冲激励信号可方便地应用于磁致伸缩超声导波的激励。
5 结论
利用FPGA、数模转换器、运算放大器等器件, 设计了一种磁致伸缩超声导波检测系统的激励电路, 此电路具有单频信号的频率、汉宁窗宽度、汉宁窗脉冲的时间间隔均可调的功能。电路产生的单频窄带脉冲激励信号经过了功率放大, 可直接用于磁致伸缩导波检测激励探头, 激发出的超声导波可在一定程度上减小超声导波在构件中传播的频散现象, 提高检测的精度和效率。与专用超声导波的激励仪器相比, 可节约大量的成本, 减小检测设备的体积, 便于超声导波检测系统的集成化、小型化、产品化。
参考文献
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磁致伸缩导波在锚杆检测中的应用 篇6
在水利水电、公路铁路、矿井及城市建设等公共工程中大量使用锚杆、缆索等长类部件, 由于该类部件长度较长, 且现场使用条件限制了传统的扫查式无损探伤方法, 如锚杆通常埋于土壤或混凝土中, 传统的探伤设备难以达到检测目标。目前国内外对锚杆的检测尚停留在用千斤顶拉拔试验阶段, 这种方法既费工又费时, 且检测方法是破坏性的, 仅限于抽检[1,2]。瑞典HF Thurner利用超声波探头在锚杆端面激发超声波的原理研发了锚杆质量检测仪, 但该方法对锚杆端面要求作特殊处理, 且超声波激发条件苛刻、衰减快、重复性差、检测精度低[3]。Beard M D [4]、何存富[5]等提出通过导波技术来检测锚杆, 证明了利用导波对锚杆进行检测的可能性, 但该方法激发导波需对锚杆端面进行处理, 增加了实用难度。
基于磁致伸缩效应的导波无损检测技术是近年来兴起的一种新技术, 其检测原理是:铁磁体在外磁场中被磁化时, 外形尺寸发生变化, 产生磁致伸缩应变, 从而在铁磁体内激发应力波, 即弹性导波。导波在传播过程中, 铁磁体内各部分均发生变化, 磁导率相应发生变化, 反过来使波的传播特性也发生变化进而导致铁磁体内磁感应强度发生变化[6,7,8]。根据法拉第电磁感应定律, 变化的电磁感应强度必定引起接收传感器中的电压变化, 通过测量电压信号-导波的反射情况, 即可检测出铁磁体构件中是否存在腐蚀、裂纹和破损等缺陷。应用磁致伸缩导波对锚杆进行检测, 可以实现单端激励, 导波传播距离远, 且不需对锚杆端面进行任何处理, 检测距离大, 易于实现对锚杆的在线检测。
本研究主要探讨磁致伸缩导波在锚杆检测中的应用。
1 杆中导波模型
1.1 杆中导波
在杆中沿杆长度方向传播的超声波存在3种不同的模态, 即纵向 (轴对称) 模态、扭转 (轴对称) 模态和弯曲 (非轴对称) 模态, 分别记为L (0, m) , T (0, m) 及F (n, m) , 括号中第1个参数n表示周向阶数, 对于轴对称模态n=0, 对于弯曲模态n=1, 2, 3…;第2个参数m表示模式数, m=1, 2, 3…。杆中存在无限多个轴对称模态和双倍无限多个弯曲模态, 弯曲模态导波的位移和应力在周向呈谐波变化, 谐波周期数等于其阶数n。
径向和轴向位移分量不为零的纵向轴对称导波在杆中传播, 通过求解波动方程, 可得到著名的PchHammer-Chree频散方程[9,10,11]:
式中 r—波导即杆的半径;cL, cT—纵波波速和横波波速;ω—角频率, ω=2πf;k—波数;J0, J1—0阶和1阶Bessel函数。
式 (1) 为一关于ω和k的超越方程。通过数值求解可知, 同一频率ω对应着若干个波数k, 即在某一频率下, 杆中会存在若干个纵向导波模态。
1.2 杆的频散曲线
通过求解频散方程可得到相速度频散曲线, 从相速度频散曲线可得到群速度频散曲线。本研究采用的锚杆直径为22 mm, 密度为7.932 g/cm3, 纵波速度cL=5 000 m/s, 横波速度cT=3 260 m/s, 在Matlab中计算得到的群速度和相速度频散曲线如图1、图2所示。
导波检测需要解决的关键在于选择利用单个模态的导波以及避免导波频散。通常一个激励源可以激励出存在于该频率范围内的所有模态, 而使得检测信号复杂且难以解释。同时导波的频散会使得检测回波脉冲波包随着传播距离增加而逐渐变宽, 幅值逐渐减小, 不利于缺陷的判断和定位。因此选择导波激励频率时, 应尽量选择频散曲线上模态少、较为平坦的频率段。频散曲线可以作为磁致伸缩导波检测的理论指导, 用来选择合适频率范围、激发模态。由图1中的频散曲线可知, 在低频时存在L (0, 1) , L (0, 2) 两种纵向模态, 其中L (0, 1) 的截止频率为0 Hz, L (0, 2) 的截止频率为195 kHz。在100 kHz以下频散曲线比较平坦且只存在L (0, 1) 这一纵向模态, 因此, 可以选择100 kHz以下的激励频率, 激励出L (0, 1) 模态对直径22 mm的锚杆进行检测。
2 锚杆的导波检测
2.1 实验装置
磁致伸缩导波检测实验装置如图3所示。由锚杆、激励线圈、偏置线圈、感应线圈、直流稳压稳流电源、微弱信号前置放大器、NI框架系统PXI1031 (包括控制器PXI8185) 、数据采集卡PXI6071E、LabVIEW7.1的实验系统应用软件、可编程任意波形发生器 (AFG310) 及线性功率放大器 (LVC5050) 等组成。激励线圈匝数为50, 长度为10 mm, 用来在待检测试件中产生交变的磁场, 激励导波信号;感应线圈匝数为200, 长度为10 mm, 用来检测磁场的变化, 起接收导波信号的作用;偏置线圈匝数为1 000, 长度为50 mm, 用来在试件中产生偏置磁场, 起到提高换能效率以及选择导波模态的作用。
2.2 空气中锚杆长度缺陷的检测
以上述实验系统对一根置于空气中的普通锚杆进行检测, 锚杆长度为3 m, 直径为22 mm, 表面存在一个人为刻痕缺陷, 刻痕深4.5 mm, 宽为16.7 mm, 截面损失比为16.8%, 缺陷位置以及激励线圈、接收线圈安装位置如图4所示 (A, B分别表示激励线圈、感应线圈位置, 由于激励线圈放置在锚杆的左端部, A也表示锚杆左端面位置, C表示锚杆表面缺陷位置, D表示锚杆右端面位置) 。
由可编程任意波形发生器激励脉冲, 根据对频散曲线的分析, 可选择中心频率为60 kHz, 脉冲数为4的猝发群脉冲作为激励信号, 激励信号经线性功率放大器放大, 输出峰峰值约7 A的电流信号至激励线圈, 铁磁材料在激励线圈产生的脉冲磁场作用下发生磁致伸缩, 激发出导波信号, 导波沿着锚杆边界传播, 遇到端面或缺陷将产生发射波, 反射波到达接收线圈的位置, 由于逆磁致伸缩效应, 将在感应线圈中产生微弱的感应电压, 通过微弱信号前置放大器, 将放大的信号进行A/D转换, 经过滤波降噪后得到检测信号, 如图5所示。
由于电磁脉冲的传播速度接近光速, 比弹性波在锚杆中的传播速度快得多, 最先达到接收线圈的是通过空气传播的电磁脉冲信号。激励线圈在激励处产生弹性导波, 沿锚杆传播。当导波传播至接收线圈, 形成第1次通过波信号, 如图5中波包Ⅰ所示。导波继续沿锚杆传播, 当遇到端面或者缺陷时导波发生反射, 形成回波信号, 图5中波包Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ均为反射回波信号。各个波包的具体传播路径如表1所示。
第1次通过波与电磁脉冲的时间差100.1 μs, 弹性波传播的距离应为0.5 m, 因此波速为4 999.5 m/s。根据波速特征, 可确定激励的导波模态为纵向L (0, 1) 模态。缺陷回波与第1次通过波的时间差为532.05 μs, 因此检测到的缺陷位置为距离激励线圈1.83 m, 右端面回波与第1次通过波的时间差为1 000.1 μs, 通过计算, 锚杆检测长度为2.99 m, 由图4可知, 锚杆实际长度为3 m, 缺陷与激励线圈之间的实际距离为1.80 m, 锚杆长度检测的相对误差为0.3%, 缺陷位置检测的相对误差为1.66%, 说明激励出的L (0, 1) 模态导波能实现对空气中锚杆的长度以及缺陷的精确检测。
2.3 埋地锚杆检测
为了模拟实际埋地锚杆的检测, 对2.2节中的锚杆在其刻痕缺陷周围灌注长40 cm圆柱状泥土, 通过图3中的实验装置对锚杆进行了检测, 激励线圈、感应线圈布置位置以及灌注泥土段位置如图6所示。
在60 kHz激励频率下的检测信号如图7所示。根据图7以及激励线圈和感应线圈位置, 可以计算得到激励出的导波的波速为4 941.5 m/s, 检测到的锚杆的长度以及缺陷与激励线圈距离分别为2.96 m, 1.84 m, 检测相对误差分别为1.3%, 2.2%。根据理论导波群速度, 可知激励出的导波同样为L (0, 1) 模态, 并且泥土对导波的群速度影响不大。对比图5和图7可知泥土的存在会引起导波回波信号的衰减, 但衰减幅度不大。因此可以基于磁致伸缩效应, 在埋地锚杆中激励出L (0, 1) 模态导波, 实现对锚杆长度和缺陷的精确检测和定位。
3 结束语
本研究提供了一种基于磁致伸缩导波原理的锚杆无损检测新方法。
(1) 锚杆的频散曲线可以作为磁致伸缩导波检测的理论指导, 来选择合适的频率范围、激发模态。
(2) 基于锚杆的磁致伸缩效应, 通过研制的锚杆检测系统能在锚杆中激励出L (0, 1) 模态导波, 实现了对空气中以及埋地结构中锚杆的长度以及缺陷的精确检测。
(3) 埋地结构会造成导波信号的衰减, 但衰减幅度不大, 不影响对锚杆的检测。
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磁致伸缩驱动器 篇7
超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,简写为GMM)是70年代美国海军研究所Clark等人首先研制出来的一种新型功能材料。稀土超磁致伸缩材料的应用范围十分广阔,涉及军事、民用等方面,著名的美国Etrema公司认为Terfenol-D材料的应用行业及应用产品几乎是无限的。超磁致伸缩材料的超大功率(比压电陶瓷高数十倍)超声技术可产生低功率超声技术所不能产生的新物理效应和新的用途,如它可使废旧轮胎脱硫再生,可使农作物大幅度增产,可加速化工过程的化学反应。
超磁致伸缩换能器的常用设计方法包括以下几种:机电等效电路法、有限差分法、边界元法、有限元法和有限元与边界元综合分析法[1]。有限元法是换能器设计中比较有效的方法之一,目前大型通用有限元软件也有几种,能够充分开发利用通用软件的功能无疑对提高换能器的设计精度和设计效率具有重要意义。本文采用有限元法,建立了超磁致伸缩换能器的动力学模型并进行了振动分析。
1 超声换能器工作原理
超磁致伸缩换能器工作原理为:由高频电源产生高频电流施加于换能器的激磁线圈上,超磁致伸缩棒Terfenol-D在交变的磁场作用下发生伸缩变化将高频电能转换成高频的机械振动,如果换能器结构设计合理且阻抗匹配精确,可驱动负载以相应的频率振动,传递出大功率声能。
换能器结构如图1所示。由图1可知:在设计中考虑到了磁路闭合原理,上下导磁片、磁致伸缩棒、调节螺钉等构成闭合磁路;碟形弹簧通过调节螺钉对超磁致伸缩棒施加一定的预紧力。当线圈通入一定的电流产生励磁磁场时,超磁致伸缩棒将产生相应的形变并振动,通过变幅杆传递出来大功率的超声波。
2 有限元模型的建立
2.1 有限元单元的离散化
由于稀土超磁致伸缩材料较脆,多为棒料,故分析时只考虑轴向振动。此外功率超声换能器为轴对称结构,在有限元建模时可以按杆单元来考虑。
可将GMM沿轴向划分为m个单元,则有m+1个节点。对于每个单元有2个节点i、j,设这2个节点的坐标和位移分别为zi、ui及zj、uj。在这2个节点之间的任一位置上的棒的位移可表示为:
undefined。
其中:[δe]为这2个节点的位移列阵,undefined;Ni(z)、Nj(z)为插值函数。
由于每个单元有2个节点,在一维情况下只有2个自由度,所以插值函数为一次多项式,即线性插值。所以位移函数可表示为坐标的线性函数:
u=α1+α2z 。
将2个节点的坐标及位移代入可以求得:
undefined。
undefined。
undefined。 (1)
其中:[N]是坐标的函数,它反映了单元的位移状态,称其为形状函数。
单元的各点应变可表示为:
undefined。 (2)
2.2 振动系统有限元模型的建立
根据哈密尔顿最小势能原理[2],对一个动态系统,在满足变形连续条件(几何方程、位移边界条件)的所有可能位移中,只有真实位移使得系统总势能达到最小值,有:
δ∫undefined(Te-Ue-We)dt=0 。 (3)
其中:δ表示虚变形式;Te为单元的动能(包括动能Te和电磁系统的磁场能He);Ue为单元的势能(包括应变能和电场储能);We为外力所做的功;l1、l2表示超磁致伸缩棒的实际位移量。
图1 换能器结构
(1)单元的动能:
Te=Te+He 。 (4)
单元的动能Te可表示为:
undefined。
其中:ρ为磁致伸缩棒的密度;undefined为速度矢量;A为横截面积;V为单元体积;[Me]为单元的质量矩阵,undefined。
电磁系统的磁场能He可表示为:
undefined。
其中:H为磁场强度;B为磁通密度;下脚标3表示沿z轴方向。
(2) 单元的势能Ue:
在忽略剪切应力的情况下,应变能Ue为:
undefined。 (5)
其中:Cundefined为恒定磁场强度下的弹性系数,e33为压磁常数。
式(5)是磁-机械耦合项,可以直接反映换能器系统磁场与机械场的耦合特征。
(3)外力所做的功We:
undefined。 (6)
其中:fe、fs分别为磁致伸缩棒所受到的外部体积力密度和面积力密度;u为位移矢量;s为面积力边界。
将式(1)、式(2)、式(4)、式(5)、式(6)代入式(3),经变分运算可以得到单元的运动方程:
undefined。
其中:Me为单元等效质量矩阵;Ke为单元等效刚度矩阵;Fe为单元等效力与磁场能矩阵。经过单元组合得整个系统的运动方程为:
undefined。
这是一个典型的二阶系统,可以推出换能器纵向振动的机械共振频率为:
undefined。
其中:undefined。可见,换能器的谐振频率只与其振动系统各部分的材料性质(密度ρ和弹性模量EH等)及结构尺寸(横截面积A和长度)有关,而与磁场的变化频率无关,只是当磁场的变化频率等于换能器的谐振频率时,换能器振动的振幅最大,从而可以传递出更多的能量。
3 ANSYS仿真
ANSYS是以变分原理和剖分差值为基础,对实际模型进行离散化来构造差值函数。通过物理上的近似,认为实际点的行为是由相邻节点行为的插值函数关系来描述,于是把实际的物理问题离散化成求解节点未知量的代数方程组求解问题。
超磁致伸缩功率超声换能器的Terfenol-D棒在外加磁场的作用下产生应变和应力,其宏观表现为位移和力的输出,从而实现电磁能向机械能的转换。压电效应分析是一种电场-结构场耦合分析。当给石英和陶瓷等压电材料加电压(电流)时,它们会产生位移,反之若使之振动,则会产生电压。而磁致伸缩效应实际是一种磁场-结构场耦合分析[3]。当给磁致伸缩材料加变化的磁场时,它们会产生位移,反之亦反。可见,压电效应与磁致伸缩效应虽然现象不同,但物理机制是相同的。
ANSYS中的耦合功能可以完成压电场分析,即用于分析二维或三维结构对任意随时间变化的电压(电流)或机械载荷的响应,可以直接用于压电分析的耦合场单元是Plane13(2D)、Solid5、Solid98(3D)。但是没有直接用于压磁场的分析,因此,应用压电-压磁类比法可以进行磁致伸缩分析。
根据超声换能器结构图的尺寸建立有限元模型,模型各个部件都为柱体,采用Solid5结构质量单元。应用压电-压磁类比法,利用有限元软件ANSYS对所设计的稀土超磁致伸缩功率换能器进行了激励频率为2 kHz时的有限元模拟,得到超声换能器的谐振频率为19 kHz。
4 总结
比较基于哈密尔顿原理建立的超磁致伸缩换能器的有限元动态模型与基于ANSYS压磁-压电比拟法所计算出的谐振频率,结果表明所建立的有限元动态模型能够反映换能器的输入、输出关系,对于超磁致伸缩换能器设计及控制有一定意义,为超磁致伸缩换能器的深入研究提供了依据。
摘要：稀土超磁致伸缩材料(GMM)是近年来发展起来的一种新型功能材料,具有磁致伸缩应变大、磁机耦合系数高、响应速度快、能量密度高等优异特性,已在机电领域显示出良好的应用前景。介绍了超磁致伸缩功率超声换能器的结构以及工作原理,利用有限元方法建立了换能器的振动模型,并推导出换能器的谐振频率表达式,其数学模型与ANSYS仿真表明所建立的仿真模型可以反映出换能器结构与谐振频率之间的关系。结果表明该方法是可行的,开辟了求解磁致伸缩问题的新思路。
关键词：超磁致伸缩,换能器,有限元法,谐振频率
参考文献
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磁致伸缩驱动器 篇8
笔者在参考国外先进产品的基础上,研制出磁致伸缩液位计整机,主要由磁致伸缩波导丝、信号发生与拾取、电源、人机界面及通信等部分组成,其中信号发生与拾取是最关键的部分,其性能直接决定测量的准确度与量程。在此将重点介绍扭转波的机-电信号转换方法,同时给出一种对扭转波信号具有自适应能力的信号调理电路。
1 工作原理
磁致伸缩液位计(图1)由浮球、探杆和电子部件3部分组成,浮球内含磁钢;探杆内中空,管内绷紧一根磁致伸缩波导丝,当液位变化时浮球带着磁钢沿探杆上下移动,测得浮球位置即可获知液位。其测量过程如图2所示,CPU控制激励电路间歇性地向波导丝发生一个激励电流脉冲,同时启动计时;激励电流沿波导丝产生一个环形磁场Hc,当环形磁场Hc与浮球磁场Hi叠加时,由于磁致伸缩效应,波导丝上产生一个扭转波,扭转波从浮球位置向波导丝两端传播;当机-电信号转换单元接收到返回的扭转波信号时,CPU停止计时,获得一个时间T,将时间T乘以扭转波的波速V即可测得浮球距离机-电信号转换单元的距离。
对浮子位置的测量实质上是对时间T的测量。扭转波在波导丝中的传播速度约为3km/s,当前电子技术条件下,高分辨率的测量时间是较易实现的。根据声学原理,超声波在波导丝中的传播速度,其中G为磁致伸缩波导丝的弹性模量,ρ为磁致伸缩波导丝的密度,这两个参量与外部环境条件无关,因此扭转波的传播速度是一个常数。浮子与电子仓的距离S=V×T=。
2 扭转波的机-电信号转换
扭转波的拾取是磁致伸缩液位变送器的关键技术之一。扭转波属机械波,因此拾取扭转波的元件就是将机械能变换为电信号,目前有两种方法:一种基于逆磁致伸缩效应,一种基于压电陶瓷。
传统方法是基于逆磁致伸缩效应的扭转波拾取方法,其扭转波拾取单元如图3所示。在波导丝靠近电子仓的部分焊接有磁致伸缩金属片(图3只给出了其中的一半,另一半为完全对称结构),当扭转波沿波导丝返回到拾取单元,引起磁致伸缩金属片变形,根据逆磁致伸缩效应,即当材料受到外力时材料的磁化状态也随之改变,在偏置磁场作用下,线圈会检测到磁通量的变化,产生一个脉冲电压。这种方法有两个明显的不足:零件数目多,零件位置关系要精密配合,制造成本高;工艺复杂,绕制微型线圈繁琐,不易实现规模化生产,而且无法保证其一致性。
该设计方案中,笔者选用基于压电效应的扭转波拾取方法。压电陶瓷是一种应用极广的换能器材料,极化后的压电材料受外力形变会产生电压,即压电效应。利用压电效应可以把接收到的机械扭转波转换为电信号。常用的压电材料包括压电单晶体、多晶的压电陶瓷、压电高聚物及压电复合材料等。其中,锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)具有机械强度高、耐温、耐湿、成本低及机电耦合效果好等优点,该设计方案即选用锆钛酸铅压电陶瓷作为换能器件,原因是:居里温度尽可能高,因为压电陶瓷需要与波导丝接触,而整个探杆浸没在介质中,波导丝有很好的导热性,这样可能将压电陶瓷工作温度升高;压电电压常数尽可能大,保证在微弱扭转条件下,能够产生足够的电压信号;机电耦合系数高,保证信号转换效率高。最终,该方案选定P51系列的压电陶瓷片作为机-电转换材料,其参数见表1。
该方案采用杠杆结构形式的机-电转换单元,将波导丝的圆周扭转变换成直线方向形变,如图4所示。这样,就减少了零件数量,其工艺步骤也得以简化。压电陶瓷片为厚度方向敏感,两片压电陶瓷必须同极性方向布置,构成差动信号输出。杠杆把扭转形变放大,然后在两片压电陶瓷上产生电荷,完成机-电信号转换。
3 信号调理电路
信号调理电路(图5)是整个信号前端处理的关键部分。机-电信号转换单元将扭转波转换成一个几十微伏的电压脉冲信号,而扭转波传播时间T必须通过一套信号调理电路才能完整获得。MCU控制激励电流发生器发生一个脉冲激励电流(脉冲宽度10μs),电流沿波导丝传播,同时MCU开始计时;激励电流在波导丝上产生一个环形磁场,环形磁场与浮球磁钢的磁场相遇的瞬间,由于磁致伸缩效应,波导丝在浮球的位置处产生一个扭转波,扭转波沿波导丝向机-电转换单元传播;机-电转换单元的压电陶瓷把扭转波转换成几百微伏的电压信号(脉冲),经差动放大器放大到伏级,然后高通滤波去除直流分量,进入比较器;比较器一方面接收电压脉冲信号,与数模转换器的值进行比较,如果电压脉冲信号幅度足够大,比较器输出的电平逻辑翻转,促使MCU停止计时,此时MCU获得扭转波从浮球位置传播到机-电转换单元的时间T。整个信号调理关键点波形如图6所示,示波器监测到的放大后的扭转波信号如图7所示。
由前述可知,扭转波产生于浮球磁钢的位置,在波导丝上传播到机-电转换单元才被转换为电压脉冲信号。工业过程的液位测量范围在5～6m,而大型油库储罐量程可达22m,这意味着浮球在长达22m的范围内任意移动,信号调理电路必须能有效识别出扭转波所对应的电压脉冲信号。由于扭转波的本质是一种机械振动,机械振动在波导丝的传播是必然存在衰减的。实验也表明,同样一套试验样机,浮球距离5m远时获得的扭转波对应的电压脉冲信号Vpp=1V,浮球1m远时扭转波对应的电压脉冲信号Vpp=3V,可见扭转波传播的路径越远,最后的衰减越大。如果扭转波信号衰减到一定程度,其幅度一旦低于比较器的门槛值,则比较器不会翻转,整个信号调理电路无法获得扭转波的传播时间。为此,笔者设计了如图8所示的自适应电路解决了这个问题。
比较器的门槛电压实时调整,以适应扭转波脉冲幅度的变化。因此在电路设计上,利用单片机控制一个数-模转换器,数模转换器输出的电压作为比较器的门槛值。同时在单片机程序中做判断,一旦发现本次激励电流发出后,单片机在规定时间内未收到比较器翻转信号,则单片机主动将数模转换器的输出值降低一个档位,以适应扭转波幅度的变小。这样,即使浮球远离机-电转换单元,扭转波幅度明显降低,信号调理电路仍然能够有效捕获扭转波对应的电压脉冲信号。
4 结束语