判別磁致伸縮執(zhí)行器發(fā)熱方式的系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于磁致伸縮執(zhí)行器溫度測量領(lǐng)域，主要涉及一種判別磁致伸縮執(zhí)行器發(fā) 熱方式的系統(tǒng)及方法，特別是涉及一種在中低頻率范圍內(nèi)判別磁致伸縮執(zhí)行器發(fā)熱類型的 系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁致伸縮材料是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的新型稀土功能材料，該材料是繼稀土永 磁、稀土發(fā)光、稀土高溫超導(dǎo)材料之后被視為21世紀(jì)提高國家高科技綜合競爭力的一種新 型戰(zhàn)略性功能材料。磁致伸縮效應(yīng)是該材料的重要物理特性之一，磁致伸縮效應(yīng)是指鐵磁 材料或亞鐵磁材料受到外加磁場作用后，由于其磁化狀態(tài)的改變，其長度和體積都要發(fā)生 微小變化的現(xiàn)象。同時由于該材料具有大磁致伸縮系數(shù)、能量密度高、響應(yīng)快、較高的磁機(jī) 轉(zhuǎn)換效率和抗壓特性，所以利用磁致伸縮材料的特性和磁致伸縮效應(yīng)可以制作微位移執(zhí)行 器，即磁致伸縮執(zhí)行器。磁致伸縮執(zhí)行器具有輸出位移范圍大、漂移小、結(jié)構(gòu)簡單、易于驅(qū) 動、工作頻率范圍寬等優(yōu)點，因此磁致伸縮執(zhí)行器在聲納系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，并且在 精密加工、超精密加工、流體機(jī)械等工程領(lǐng)域顯示出了良好的應(yīng)用前景。
[0003] 磁致伸縮執(zhí)行器作為一種微小位移驅(qū)動裝置，其輸出精度必須要嚴(yán)格控制，因此 在應(yīng)用于工程之前要對其輸出特性和影響輸出特性的因素進(jìn)行研究。磁致伸縮材料是一種 對溫度十分敏感的功能材料，環(huán)境溫度的改變將會影響磁致伸縮材料的磁機(jī)轉(zhuǎn)換效率進(jìn)而 影響機(jī)械性能輸出。執(zhí)行器在交流驅(qū)動下，由于渦流效應(yīng)和線圈產(chǎn)生的焦耳熱會使執(zhí)行器 的溫度升高，在高頻下渦流效應(yīng)引起溫升會非常明顯，但是在中低頻率范圍內(nèi)如何判別磁 致伸縮棒的渦流熱和線圈的焦耳熱是一個難題。隨著執(zhí)行器溫度的升高，磁致伸縮材料會 產(chǎn)生熱膨脹效應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)力，由壓磁效應(yīng)可知應(yīng)力的作用會使磁致伸縮材料的磁導(dǎo)率 發(fā)生變化，從而影響執(zhí)行器的輸出特性。所以需要對磁致伸縮執(zhí)行器采取冷卻措施，來使執(zhí) 行器達(dá)到最佳的工作溫度。然而由于渦流熱和由焦耳熱的溫升特性不同，相對應(yīng)的冷卻措 施也不同，因此，為了使冷卻效果達(dá)到最佳，判斷執(zhí)行器在某一特定頻率范圍內(nèi)發(fā)熱類型是 十分必要的。
[0004] 在以往的研究中只是說明了磁致伸縮執(zhí)行器在高頻下渦流熱為主要熱源，在低頻 下線圈的焦耳熱為主要熱源。在中低頻率范圍內(nèi)并未對如何判斷磁致伸材料的渦流熱還是 線圈的焦耳熱為磁致伸縮執(zhí)行器主要熱源給出明確的方法。目前在磁致伸縮執(zhí)行器領(lǐng)域尚 未有如何判斷執(zhí)行器在某一特定頻率下發(fā)熱類型方法的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的
[0006] 為了解決在磁致伸縮執(zhí)行器領(lǐng)域如何判斷在中低頻率范圍內(nèi)磁致伸縮執(zhí)行器的 發(fā)熱類型。本發(fā)明設(shè)計了一個以磁致伸縮執(zhí)行器為被測對象、PtlOO為溫度傳感芯片、多通 道溫度顯示儀、電源為主要元件的測試系統(tǒng)，以及利用該系統(tǒng)判斷磁致伸縮執(zhí)行器在中低 頻率范圍內(nèi)發(fā)熱類型的方法。
[0007] 技術(shù)方案
[0008] -種判別磁致伸縮執(zhí)行器發(fā)熱方式的系統(tǒng)，其特征在于：由實驗臺、供電電源、多 通道溫度顯示儀、磁致伸縮執(zhí)行器、PtlOO溫度傳感芯片組成；供電電源、多通道溫度顯示 儀和磁致伸縮執(zhí)行器均設(shè)置在實驗臺上，供電電源與多通道溫度顯示儀均通過導(dǎo)線連接磁 致伸縮執(zhí)行器，PtlOO溫度傳感芯片與磁致伸縮棒的棒表面直接接觸。
[0009] 連接PtlOO溫度傳感芯片的導(dǎo)線經(jīng)過純鐵下片和鋼圈由執(zhí)行器的下端引出。
[0010] PtlOO溫度傳感芯片分別貼附在磁致伸縮棒的中間位置、磁致伸縮棒的下部、和線 圈骨架的內(nèi)壁的中間位置。
[0011]用上述判別磁致伸縮執(zhí)行器發(fā)熱方式的系統(tǒng)判別磁致伸縮執(zhí)行器發(fā)熱方式的方 法，其特征在于：該方法步驟如下：
[0012] (1)首先通過多通道溫度顯示儀記錄下磁致伸縮執(zhí)行器未工作時待測位置的溫 度。
[0013] (2)開啟供電電源，將電源的輸出模式調(diào)整到所需幅值和頻率的交流電電流輸出 模式。
[0014] (3)按下電源的輸出鍵，開始向執(zhí)行器提供激勵；此時執(zhí)行器線圈在激勵的作用 下會產(chǎn)生磁場，磁場激勵磁致伸縮棒進(jìn)行工作輸出；線圈由于存在激勵會產(chǎn)生發(fā)熱，磁致伸 縮棒由于渦流效應(yīng)會產(chǎn)生渦流熱。
[0015] (4)在執(zhí)行器工作期間每間隔3~5s記錄下溫度顯示儀上各個通道的溫度數(shù)值。
[0016] (5)執(zhí)行器工作2~5min關(guān)閉電源，同時通過多通道溫度顯示儀記錄下斷電這一 時刻多通道溫度顯示儀上各個通道顯示的溫度讀數(shù)。
[0017] (6)執(zhí)行器斷電后每間隔3~5s記錄下斷電后的多通道溫度顯示儀上各個通道的 溫度讀數(shù)。
[0018] (7)使激勵頻率按照100Hz為一個梯度增加的方式重復(fù)步驟⑴一步驟（6)各步 操作，觀察各個頻率下執(zhí)行器的溫升特性；
[0019] (8)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。
[0020] 上述步驟（6)記錄溫度讀數(shù)后，判斷過程如下：
[0021] (1)如果斷電那一時刻磁致伸縮棒中間位置的溫度高于線圈骨架內(nèi)壁和磁致伸縮 棒下部位置的溫度且磁致伸縮棒下部位置溫度高于線圈骨架內(nèi)壁溫度，執(zhí)行器斷電之后磁 致伸縮棒中間位置溫度不再升高，即磁致伸縮棒中間位置的溫度出現(xiàn)一個峰值后下降，則 判斷在該激勵下執(zhí)行器的主要熱源是磁致伸縮棒的渦流熱。
[0022] (2)如果斷電那一時刻磁致伸縮棒中間位置的溫度高于線圈骨架內(nèi)壁和磁致伸縮 棒下部位置的溫度且下部位置的溫度低于線圈骨架內(nèi)壁的溫度，斷電之后磁致伸縮棒中間 位置的溫度不再升高，即磁致伸縮棒中間位置的溫度出現(xiàn)一個峰值后下降，則判斷在該激 勵下執(zhí)行器的主要熱源是磁致伸縮棒的渦流熱。
[0023] (3)如果斷電那一時刻磁致伸縮棒中間位置的溫度低于線圈骨架內(nèi)壁和磁致伸縮 棒下部位置溫度，并且斷電之后磁致伸縮棒的溫度繼續(xù)升高，則判斷在該激勵下執(zhí)行器的 主要熱源為線圈的焦耳熱。
[0024] (4)如果斷電那一時刻磁致伸縮棒中間位置的溫度大于磁致伸縮棒下部溫度并且 低于線圈骨架內(nèi)壁的溫度，但斷電后磁致伸縮棒中間位置的溫度先迅速下降后緩慢回升， 則此時執(zhí)行器的發(fā)熱類型為線圈的焦耳熱。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖2為傳感芯片貼附位置示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 本發(fā)明涉及一種判別磁致伸縮執(zhí)行器發(fā)熱方式的系統(tǒng)及方法，下面結(jié)合附圖對本 發(fā)明做進(jìn)一步的說明：
[0028] 測試系統(tǒng)的搭建：
[0029] 本系統(tǒng)由實驗臺23、供電電源22、多通道溫度顯示儀21、磁致伸縮執(zhí)行器20、 PtlOO溫度傳感芯片5組成；具體連接方式如圖1所示，供電電源22、多通道溫度顯示儀21 和磁致伸縮執(zhí)行器20均設(shè)置在實驗臺23上，供電電源22與多通道溫度顯示儀21均通過 導(dǎo)線連接磁致伸縮執(zhí)行器20,PtlOO溫度傳感芯片5與磁致伸縮棒的表面直接接觸。
[0030] 由于磁致伸縮執(zhí)行器工作時激勵線圈需要通恒定的激勵電流來產(chǎn)生定量和穩(wěn)定 的磁場；執(zhí)行器在工作過程中需要供電電源具有提供恒定激勵、快速響應(yīng)和過載保護(hù)的基 本功能。因此，本測試系統(tǒng)采用日本NF公司的BP4610型號電源為供電電源。
[0031] 磁致伸縮棒在通電線圈的激勵作用下會產(chǎn)生感應(yīng)電流即渦流，PtlOO溫度傳感芯 片與磁致伸縮棒表面直接接觸，為了消除采集溫度傳感芯片信號時外部電流對感應(yīng)電流的 的影響需要在應(yīng)變片引腳與導(dǎo)線連接處及整個引腳進(jìn)行絕緣密封處理。本系統(tǒng)中采用熱縮 管對引腳和連接處進(jìn)行絕緣處理。連接PtlOO溫度傳感芯片的導(dǎo)線經(jīng)過純鐵下片和鋼圈由 執(zhí)行器的下端引出。
[0032] PtlOO溫度傳感芯片在_200°C到500°C之間時應(yīng)變片的阻值與溫度的變化存在著 一定的線性關(guān)系，溫度傳感芯片輸出信號通常有兩種采集方式：歐姆表測量溫度傳感芯片 阻值間接獲取溫度值的方法；通過多通道溫度顯示儀直接讀取溫度傳感芯片溫度的方法。 在本發(fā)明中采用溫度傳感芯片與多通道溫度顯示儀直接連接的方式讀取溫度信號。
[0033] PtlOO溫度傳感芯片的貼附位置：
[0034] 本發(fā)明中被測執(zhí)行器為軸對稱結(jié)構(gòu)：由傳遞軸1、不銹鋼頂蓋2、蝶形彈簧3、不銹 鋼上蓋4、上導(dǎo)磁滑塊19、純鐵上片6、線圈骨架7、純鐵套筒8、激勵線圈9、磁致伸縮棒10、 下導(dǎo)磁滑塊11、鋼圈12、不銹鋼圓臺底座13、下純鐵片14、不銹鋼套筒15、螺栓16、元寶螺 母17、六角螺母18、等基本元件構(gòu)成。具體裝配方式見圖2。
[0035] 該執(zhí)行器的核心部分是圓柱狀的磁致伸縮棒和激勵線圈。在執(zhí)行器中激勵線圈安 裝在純鐵套筒8內(nèi)腔，上下兩端分別與上純鐵片6和下純鐵片14相接觸，防磁鋼圈12安裝 在在線圈骨架7內(nèi)壁下端，在鋼圈12的上端是下端帶有凸臺上端帶有凹槽的下導(dǎo)磁滑塊 11，下導(dǎo)磁滑塊11與線圈骨架7內(nèi)壁相接觸，磁致伸縮棒10安裝在下導(dǎo)磁滑塊11的上部 凹槽內(nèi)，其下端與下導(dǎo)磁滑塊11相接觸，上端與上導(dǎo)磁滑塊19相接觸其余部分與線圈骨架 7之間存在一個間隙。
[0036] 在交流激勵作用下執(zhí)行器的發(fā)熱方式有兩種，分別是磁致伸縮棒產(chǎn)生的渦流熱和 線圈產(chǎn)生的焦耳熱。當(dāng)通入交流電Idsincot時，兩種發(fā)熱類型的發(fā)熱量分別為：
[0037] (1)通電線圈的焦耳熱：
[0038] Q=i2^t(1)；
[0039] 式中i為I。的有效值即i= 0. 7071。、札為線圈的總電阻、t為線圈通電時間。
[0040] (2)磁致伸縮棒的渦流熱：當(dāng)線圈中通入I=I^sincot的電流時，根據(jù)畢奧一薩 伐爾定律磁感應(yīng)強(qiáng)度B大小為：
[0041 ]B=y0nl=y0nl0sinc〇t(2)；
[0042] 式中y。為磁致伸縮棒的磁導(dǎo)率、n為線圈匝數(shù)、I為通入線圈的交流電流大小。線 圈通電所產(chǎn)生的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度1^為：
[0043]Bm=y〇nI〇 (3)；
[0044] 假設(shè)放入線圈中的是半徑為r高度