基于单片机的自传感执行器控制技术研究

论文摘要

磁控形状记忆合金（Magnetically Controlled Shape Memory Alloy,简称MSMA）,是一种具有形状记忆功能的新型功能材料。如今,以Ni-Mn-Ga为主要成分的MSMA常被用于传感器和执行器的解决方案中。在传感器应用中,可以选用材料的磁导率作为应变、应力场求解的基本要素；在执行器的应用中,可以通过MSMA材料产生的形变和位移来观察磁场变化。该材料与以往的磁致伸缩材料相比,形变量是其50倍甚至更大,这种兼备形状记忆效应与超磁致伸缩现象的合金,在未来的科研领域中具有广阔的应用前景。本文在基于双线圈自传感执行器的实验测试平台研究基础之上,搭建了单线圈自传感执行器的实验装置系统。从正逆特性两方面研究了磁控形状记忆合金的外特性,并根据实验测得的数据,运用MATLAB绘制该材料的特性曲线,为以后研究基于单片机的自传感执行器控制技术提供理论依据。为了进一步验证搭建模型的合理性和有效性,运用ANSYS仿真软件建立了MSMA双线圈和单线圈自传感执行器的有限元模型,采用棱边单元法分析了MSMA双线圈和单线圈自传感执行器在不同励磁电压作用下的三维静态磁场。得出MSMA和硅钢片在不同励磁电压作用下的磁感应强度和磁场强度的分布情况。根据模拟数据绘制了磁感应强度曲线,并且建立了双线圈自传感执行器的数学模型,分析了励磁线圈的空间磁场计算问题。对于单线圈自传感执行信号的分离,时分复用思想贯穿整个实验过程,与采用空分复用思想进行信号解耦的双线圈自传感执行器形成对比,分析自传感执行信号的输出特点,并提取传感信号,进一步论证磁控形状记忆合金的实用价值和工程应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及选题背景
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 课题的选题背景
• 1.2 自传感执行器的国内外研究动态
• 1.3 课题研究的目的及意义
• 1.4 课题研究的内容
• 第二章 磁控形状记忆合金的特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 MSMA的形变机理
• 2.3 MSMA的特性分析
• 2.4 MSMA正特性实验研究
• 2.4.1 MSMA的静态特性分析
• 2.4.2 MSMA的动态特性分析
• 2.5 MSMA逆特性实验研究
• 2.6 本章小结
• 第三章 仿真分析与实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 基于MSMA双线圈自传感执行器的有限元分析
• 3.2.1 ANSYS电磁场分析理论
• 3.2.2 建立双线圈自传感执行器的有限元模型
• 3.2.3 MSMA双线圈自传感执行器的有限元结果观察与分析
• 3.3 建立MSMA双线圈自传感执行器的数学模型
• 3.4 基于MSMA单线圈自传感执行器的有限元分析
• 3.4.1 建立单线圈自传感执行器的有限元模型
• 3.4.2 单线圈自传感执行器的有限元结果观察与分析
• 3.4.3 与双线圈自传感执行器的结果对比分析
• 3.5 励磁线圈的空间磁场计算
• 3.6 本章小结
• 第四章 单线圈自传感执行器控制技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验装置设计
• 4.3 硬件电路的设计
• 4.3.1 控制电路
• 4.3.2 显示电路
• 4.3.3 电荷释放电路
• 4.3.4 信号放大电路
• 4.4 对比分析双线圈和单线圈信号解耦方式
• 4.4.1 空分复用信号解耦方式
• 4.4.2 时分复用信号解耦方式
• 4.5 对磁控形状记忆合金自传感执行器的展望
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 附录A ANSYS建立单线圈自传感执行器命令
• 附录B 单线圈自传感执行器控制技术的硬件原理图
• 在学研究成果
• 致谢