超磁致伸缩执行器热误差补偿方法研究及测控平台建立

摘要

超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material，GMM)是一种新型智能材料，具有大行程、低压驱动、大功率、大承载等优点，在精密加工、主动降噪减振、流体控制、水声换能器等领域具有广阔的应用前景。本文以直动型超磁致伸缩执行器(Giant MagnetostrictiveActuatorS-GMA)为研究对象，在超磁致伸缩材料的工作特性、激励线圈的参数特性、执行器的静动态特性、热误差补偿等方面进行了研究，并成功研制了超磁致伸缩执行器综合测控平台，为执行器结构优化设计提供了实验条件。全文分为六章，各章主要内容分述如下： 第一章简要介绍了超磁致伸缩材料的发展历史、性能优势及应用现状；介绍了超磁致伸缩执行器热误差补偿方法研究现状；根据国内外应用研究现状及存在的问题，陈述了本课题的选题意义并给出了研究内容和结构安排。 第二章分析了超磁致伸缩材料的磁致伸缩机理和基本工作特性；研究了激励线圈磁场特性和功率特性，为线圈结构优化设计提供理论依据；最后分析了超磁致伸缩执行器的静态输出特性和动态频响特性。 第三章分析了超磁致伸缩执行器内部的热误差产生的机理；然后研究了半导体制冷技术的工作原理、最佳工况和热端散热方式；提出了采用半导体制冷技术抑制超磁致伸缩执行器温升的热误差补偿设计方案。 第四章介绍了超磁致伸缩执行器实验系统的整体框架，主要从硬件设备的选型和测控软件模块的设计、数据管理规则等方面出发，建立了相应的测控平台；并在最后给出了测控平台的实例演示。 第五章测量了长时间工作情况下超磁致伸缩执行器热误差输出，实验研究了半导体制冷温控效果；测量并分析了预压力、温度对超磁致伸缩执行器静态输出特性的影响；实验研究了偏置电流和驱动频率对超磁致伸缩执行器动态输出特性的影响。 第六章对全文工作进行总结，展望今后开展工作的方向和途径。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1超磁致伸缩材料的发展及应用现状

1.1.1超磁致伸缩材料的发展史

1.1.2超磁致伸缩材料的性能优势

1.1.3超磁致伸缩材料的应用现状

1.2超磁致伸缩执行器热误差补偿研究现状

1.2.1热膨胀抵消补偿法

1.2.2柔性支撑机构补偿法

1.2.3强制水冷温控法

1.2.4相变温控法

1.2.5组合热误差补偿法

1.3选题意义及研究内容

1.4本章小结

第二章超磁致伸缩执行器特性研究

2.1超磁致伸缩材料的基本特性

2.1.1磁致伸缩机理

2.1.2磁致伸缩特性

2.1.3压磁方程

2.1.4磁机耦合特性

2.1.5滞回特性

2.1.6其他特性

2.2超磁致伸缩执行器线圈特性

2.2.1线圈磁场特性分析

2.2.2线圈功率特性分析

2.3超磁致伸缩执行器输出特性

2.3.1静态输出特性

2.3.2动态频响特性

2.4本章小结

第三章超磁致伸缩执行器热误差补偿研究

3.1超磁致伸缩执行器热误差产生机理分析

3.2半导体制冷温控方法的理论分析

3.2.1半导体制冷原理及数学模型

3.2.2半导体制冷极限工况分析

3.2.3半导体制冷器热端散热方式

3.3超磁致伸缩执行器温控系统设计

3.3.1温控系统机械结构设计

3.3.2温控系统电气控制设计

3.3.3线圈的热损耗计算

3.3.4制冷器的型号选择

3.4设计要点及优缺点比较

3.5本章小结

第四章超磁致伸缩执行器测控平台建立

4.1测控平台的整体设计

4.2硬件设备的选型

4.2.1数据采集卡

4.2.2力传感器

4.2.3位移传感器

4.2.4精密信号放大器

4.2.5温度传感器及变送器

4.2.6恒流电源模块

4.3软件功能模块设计

4.3.1数据采集模块

4.3.2数据分析模块

4.3.3信号发生模块

4.4数据管理规则设计

4.4.1原码数据与电压值的转换

4.4.2缓冲区中的数据排列规则

4.4.3原始数据的文件存储格式

4.4.4参数设置规则

4.5测控平台操作演示

4.5.1数据采集过程演示

4.5.2数据分析过程演示

4.6本章小结

第五章超磁致伸缩执行器实验研究

5.1特性实验测控平台

5.2温控性能实验研究

5.2.1热误差实验研究

5.2.2温控效果比较

5.3静态输出特性实验研究

5.3.1预压力对输出特性的影响

5.3.2温度对输出特性的影响

5.4动态输出特性实验研究

5.4.1偏置电流对动态输出位移的影响

5.4.2驱动频率对动态输出位移的影响

5.5本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2研究展望

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢