超磁致伸缩自感知执行器基础理论与实验研究

论文摘要

超磁致伸缩材料是一种具有可逆效应的新型功能材料,具有输出应变大、响应速度快等特点,应用磁致伸缩效应可作执行器,应用磁致伸缩逆效应可作传感器,超磁致伸缩材料的这种双重效应可使其作为自感知执行器的研究材料。将超磁致伸缩材料应用于自感知执行器,使其同时具有传感和执行的功能,可有效的减小器件的体积和重量,节省执行器系统的空间,便于实时控制并有利于提高系统的稳定性。本文首先对超磁致伸缩材料及其应用现状作了介绍,对自感知执行器的概念做了简要概述,并分析了将超磁致伸缩材料应用于自感知执行器的研究意义。随后,研究了超磁致伸缩执行器的结构和工作原理并分别进行动态和静态实验。通过实验结果分析验证执行器的基本特性,为如何选择偏置电流和驱动电流的大小提供了参考,对不同驱动频率下执行器输出应变的特性做了比较,为电桥电路实验研究条件选取提供了一定的理论与实验数据。通过双向换能理论分析自感知执行器工作原理,对自感知执行器的两种实现方法进行分析并搭建Matlab仿真模型,运用Jiles-Atherton（J-A）非线性理论编写成M文件的S函数应用到电桥电路仿真中,消除了位移和速度之间直接微分积分等变化造成的相位误差,使仿真模型与实验模型更加接近。在仿真中对电桥电路输出的微小信号进行放大滤波,消弱了杂波和非线性的影响,为实际放大器和滤波器的设计提供了依据。通过实验检测基于电桥电路自感知执行器电压及应变波形,利用Matlab中的曲线拟合工具箱进行数据处理,获得所测波形方程从而计算电桥电路相关参数,并设计放大及滤波电路,最后,对实验中存在问题及实验结果进行分析与总结。基于状态观测器自感知执行器的研究中,采用探测线圈测磁感应强度的方法,该方法基于法拉第电磁感应定理并适用于交变磁场。在Matlab中对观测器模型进行观测运算,对应变仪测量结果进行数据拟合,通过实验结果与观测计算结果对比来验证感知信号。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1-1 课题的提出
• §1-2 超磁致伸缩材料
• 1-2-1 磁致伸缩现象及物理效应
• 1-2-2 磁致伸缩材料分类及特点
• 1-2-3 磁致伸缩材料的应用
• §1-3 自感知执行器及其在国内外研究现状
• 1-3-1 自感知执行器的概念
• 1-3-2 国内外研究现状
• 1-3-3 自感知的研究意义
• §1-4 论文主要工作
• 第二章 超磁致伸缩执行器及其特性实验
• §2-1 引言
• §2-2 超磁致伸缩执行器的基本结构
• §2-3 超磁致伸缩执行器相关特性
• 2-3-1 超磁致伸缩材料压磁方程及执行器相关参数
• 2-3-2 超磁致伸缩执行器主要特性
• §2-4 执行器静态实验及其分析
• 2-4-1 静态实验系统
• 2-4-2 静态实验结果与分析
• §2-5 执行器动态实验及其分析
• 2-5-1 动态实验系统
• 2-5-2 动态实验结果与分析
• §2-6 本章小结
• 第三章 超磁致伸缩电桥电路自感知执行器的理论研究
• §3-1 引言
• §3-2 双向换能理论
• §3-3 电桥电路自感知执行器的实现方法
• 3-3-1 电桥电路自感知执行器原理
• 3-3-2 仿真建模
• 3-3-3 仿真结果分析
• §3-4 本章小结
• 第四章 超磁致伸缩电桥电路自感知执行器的实验研究
• §4-1 引言
• §4-2 电桥电路自感知执行器调试
• 4-2-1 电桥电路自感知执行器实验参数的确定
• 4-2-2 放大电路的设计
• 4-2-3 滤波电路设计
• §4-3 电桥电路自感知执行器实验总结
• §4-4 本章小结
• 第五章 超磁致伸缩状态观测自感知执行器的理论与实验研究
• §5-1 引言
• §5-2 状态观测器原理及建模
• 5-2-1 状态观测器的原理
• 5-2-2 磁感应强度的测量
• §5-3 状态观测器相关实验
• 5-3-1 观测器实验及数据处理
• 5-3-2 实验结论
• §5-4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• §6-1 总结
• §6-2 对进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢