专利名称：一种磁致伸缩效应智能检测系统的制作方法
技术领域：
一种磁致伸缩效应智能检测系统技术领域[0001]本实用新型涉及一种磁致伸缩效应和测量物体微小长度的方法及装置。具体来说，本实用新型涉及一种基于磁流变脂磁致伸缩效应的光杠杆微位移纳米精度测量方法及直O背景技术[0002]磁流变脂是由微米级铁磁性粒子、基础油、稠化剂、添加剂和填料组成的结构骨架的胶体分散体系(姚金光，晏华，高性能磁流变液研究的进展[J]，材料开发与应用，2009， 24(2) :62-67)。其铁磁性颗粒大小为微米数量级，而磁畴大小也为微米数量级，因此，磁流变脂是一种磁致伸缩材料。近年来，磁流变体作为一种智能材料，已经得到了广泛的应用。 但磁流变脂磁致伸缩效应并没有引起国内外科学界的关注，也没有人提出磁流变脂磁致伸缩效应引起的应变量测量装置。[0003]在工程及科学实验中，需要测量微小长度变化量，常用的测量装置有千分尺法和光杠杆法。千分尺法测微装置，需要固定测量点，即测量点位置变化会引起测量误差。光杠杆法测微装置，由全反射平面镜、尺读望远镜、标尺等装置构成，将微小长度(高度)变化量转变为微小角度变化，尺读望远镜将角度变化转变为刻度尺上较大的读数，但测量精度不足。谭兴文，何国田提出一种新的光杠杆测量装置(谭兴文，何国田，纳米精度光杠杆微位移测量方法的研究[J]，中国激光，2009，36 (s2) :189-193)，将微位移传感器(PSD)应用于光杠杆测量中。这种在先技术具有操作简单，可实现非接触测量等优点，但在光杠杆测量过程中存在着近似运算，测量精度有所降低，角度调节困难，不能测量纳米级位移量。随着科学的发展，对微位移测量精度的要求达到亚纳米量级，在先技术已经不适合精度要求极高的工程实践和科学研究(如测量磁流变脂磁致伸缩效应的应变量)。实用新型内容[0004]为了克服上述不足，本实用新型提出一种磁流变脂磁致伸缩效应的光杠杆亚纳米精度测量方法，并设计一种能够精确测量微位移变化量的光杠杆测量装置。利用在先技术光杠杆原理，设计出新光路及角度调节装置，将微位移进行二级放大(光杠杆放大法、光学成像放大法)，至少放大IO6倍。用微位移传感器(PSD)代替标尺，使PSD输出信号进入数据处理系统，实现了对磁流变脂磁致伸缩效应应变力的高精度测量。[0005]本实用新型所采用的技术方案[0006]为了解决上述问题，本实用新型设计一种磁流变脂磁致伸缩效应的光杠杆测量装置，能实时获得磁流变脂磁致伸缩效应引起的应变量大小，其精度可达亚纳米量级。本实用新型设计的测量装置由激光发射系统、磁流变脂磁致伸缩微位移驱动器、光位移放大装置、 光学成像放大系统、信号处理系统构成。[0007]本实用新型设计的光位移放大装置如
图1所示，由平面镜(反射镜)M1、M2构成； 其中Ml —端固定，另一端可在垂直方向上移动，M2固定。激光发射系统如图2所示，由激光器、准直镜、光阑、反射镜、压电陶瓷(PZT)、角度传感器和单片机处理系统七部分构成。磁流变脂磁致伸缩微位移驱动器如图3所示，由直流电源、密封缸体、密封螺丝、磁流变脂、线圈、活塞、伸缩杆组成。光学成像放大系统如图4所示，由多个凸透镜组构成(每个透镜组由二个透镜组成，放大倍数在10-100之间)。信号处理系统如图5所示，由位移光电探测器、预放电路、滤波器、A/D转换、单片机系统五部分组成。直流电源输出端与磁流变脂磁致伸缩微位移驱动器线圈输入端相连，为磁流变脂磁致伸缩时所需磁场提供磁场。伸缩杆与平面镜Ml的一端接触，设为B点，伸缩杆移动带动平面镜Ml移动。[0008]激光发射系统由激光器、准直镜、光阑、反射镜、压电陶瓷(PZT)、角度传感器和单片机处理系统七部分构成；氦氖激光器(101)上固定角度传感器(106)，激光器发射出的激光通过第一准直镜(102)、孔径光阑(104)、第二准直镜(10 后经一反射镜(10 入射到位移光放大装置Ml上。压电陶瓷PM150/4/7VS9 (107a、107b、107c、107d)通过89C51单片机(108)控制反射镜105的角度。激光器发出的激光经过准直镜和光阑后变成平行光， 从B点入射到平面镜Ml的平面上，经过平面镜Ml反射到光放大装置中的M2镜上。光在平面镜M1、M2间多次往返反射后，最后从Ml另一端A处射出，照射到光学成像放大系统输入端，进行第二级位移放大；经光学成像放大系统多次放大后，成像在位移光电探测器光敏面上。位移光电探测器输出电信号经过预放电路、滤波器和A/D转换输入到单片机系统，进行微位移处理，计算出磁流变脂磁致伸缩效应引起的微位移量。[0009]通过角度传感器测量平面镜偏转的角度，并通过单片机、PZT控制激光器的入射角度大小，从而调节光放大装置对位移的放大倍数。[0010]当直流电源不工作时，磁流变脂不发生磁致伸缩效应，伸缩杆没有伸缩，Ml处于水平状态，光将照射在位移光电探测器某一点上。当直流电源工作时，磁流变脂发生磁致伸缩效应，伸缩杆向上伸长，带动Ml向上移动，光将照射在位移光电探测器另一点上。两点间的距离就是磁致伸缩待测量，经转换后可得实际磁致伸缩量。[0011]具体测量思想如下[0012]如图1所示，将磁流变脂磁致伸缩微位移驱动器以线接触方式触碰在B处。激光束经过透镜和孔径光阑后变为平行度好、光强分布集中的光束。该光束很小角度入射到Ml 的自由端，在两平面镜间多次反射后由Ml的另一端A处出射，通过光学成像放大系统(透镜组)后照射到位移光电探测器上。初始位置时Ml和M2互相平行，当给线圈通电后，外磁场作用于磁流变脂上。磁流变脂磁致伸缩产生微小位移AL，平面镜Ml绕A点转动，至端点 B处上移AL。Ml偏转微小角度Δ α，如图中虚线所示[0013]tan Δα = —(1)b[0014]b为平面镜Ml上AB段长度。[0015]由于Δ α很小，所以[0016]Δα = tan Aa = -(2)b[0017]光束经过多次反射，出射角Δ β角度变化为[0018]Αβ = 2nAa = 2n(3)[0019]式中η为光线在两反射镜间的反射次数。[0020] 设第一级放大(光杠杆放大装置)位移量为Δ S，AC = d，AD = I1, AE = 12，CD = 13； ED = Δ s，在AAED中，根据余弦定理得u +I27-As2 COsAy^ = · 221Α[0022] 其中[0023][0024]I1 = ^Jd2 +1 dU =COS^[0025]θ是激光器入射角，且θ =Z CAE。[0026]把(5)、(6)代入(4)中，得 d1 cos2 θ + ξ cos2 0 + d2-As2 cos2 θ(4)(5)(6)[0027]COS Ay^ =2d cos θ^d2 +1[0028]由(3)知[0029]cosA^ = cos[0030]由(7)式与(8)式得[0031](7)(8)d2 cos2 θ + ξ cos2 θ + d2 -Δ 2 cos2 θ 、 arccos(-. -)IdJd2 +Il cos θ AL = b- v 3(9)2n[0032]其中b、d、θ、l3、n、已知。[0033]由上可知，第一级放大后的位移为As。为了提高测量精度，需进一步放大位移量 As，如图4所示，设经过第二级位移放大(光学成像放大系统，即透镜组)后，位移光电探测器测得距离为Δ h，透镜组放大倍数为k，则[0034]Ah = kAs (10)[0035]故测量装置测磁致伸缩应变量大小的表达式为99999Ah 99d2 cos2 θ +123 cos2 θ + d2 - (一)2 cos2 θ[0036]arccos(-1---)IdJd +1 cos θ AL = b- ~ 3(11)2n[0037]由上可知，位移光电探测器测得两点间距离Ah，经过信号处理系统进行信号处理，从而得到待测量位移AL的值。[0038]本实用新型设计的激光发射系统1如图2所示，[0039]所述的激光器101可以为氦氖激光器、二氧化碳激光器，半导体激光器等。[0040]所述的准直镜为凸透镜102、103，使光线经过后变得平行。[0041]所述的光阑为孔径光阑104。[0042]所述的反射镜为平面镜105，其形状为长方形，正方形，圆形或椭圆。[0043]所述的压电陶瓷107a-107d(PZT)，是一种无机非金属并且具有压电效应的材料， 四个相同的PZT安放在反射镜底部的四个角上。[0044]所述的角度传感器106用来测量反射镜偏转的角度。[0045]所述的单片机系统108通过PZT来控制激光器入射角的大小。[0046]本实用新型设计的磁流变脂磁致伸缩微位移驱动器3如图2所示，[0047]所述的封装缸体301，其材料为铝、铜等非铁磁性金属。内部充满磁流变脂。[0048]所述的线圈302，其材料为铜，均勻绕制在封装上。[0049]所述的磁流变脂303，由微米级铁磁性粒子、基础油、稠化剂、添加剂和填料组成的结构骨架的胶体分散体系。也可是磁流变液、磁性液体等等测样品。[0050]所述的活塞304，其材料为铝、铜等非铁磁性金属，形状为方形，圆柱形。[0051]所述的伸缩杆305，其材料为铝、铜等非铁磁性金属，形状为方形，圆形，梯形以及一切不规则形状。[0052]所述的密封螺丝306，其材料为铝、铜等非铁磁性金属。密封性能好。[0053]本实用新型所述位移第一级放大装置为光放大装置由平面镜4(M1)、平面镜 5(M2)构成，要求高反射率；其中平面镜4 一端可在垂直方向上移动，平面镜5固定。位移第二级放大装置为光学成像放大系统6，由多个凸透镜组构成。出射光线通过凸透镜组，将 Δ s放大Ml[0054]本实用新型设计的信号处理系统7如图4所示。由位移光电探测器701、预放电路702、滤波器703、A/D转换704、单片机系统108组成。经凸透镜组6出射的光照射到位移探测器701光敏面上，将光信号转换成电信号。位移光电探测器701输出电信号经过预放电路、滤波器和A/D转换输入到单片机系统中进行数据处理。[0055]所述的预放电路702由运算放大器组成，放大倍数为5 10倍。[0056]所述的滤波器703为低通滤波器。[0057]所述的单片机系统108与激光发射系统1中的单片机系统108为同一个系统，位移光电探测器701输出电信号经过预放电路702、滤波器703和A/D转换704输入到单片机系统108中，由单片机系统对数据108进行处理。[0058]在本实用新型的技术方案中，提出一种新和光杠杆测量方法，具有测量准确、快速、亚纳米精度、实时等特点，具有良好的应用前景。[0059]本实用新型所采用的方法[0060]根据上述测量装置，本实用新型进一步提出一种基于磁流变脂磁致伸缩应变量的测量方法，该方法包括以下步骤[0061](1)将待测样品(如磁流变脂)充满磁流变脂磁致伸缩微位移驱动器中[0062](2)将磁流变脂磁致伸缩微位移驱动器以线接触的方式作为平面镜支点。[0063](3)令平面镜Ml和Μ2平行放置，作为位移的第一级放大。凸透镜组放大单元放置在出射光线方向上，接收从Ml —端A处出射的光，作为位移的第二级放大。[0064](4)通过单片机和压电陶瓷控制激光发射装置角度。调整角度后，通过角度传感器记录下激光器入射角大小。[0065](5)直流电源为磁流变脂磁致伸缩微位移驱动器的线圈提供电流，使其内部产生磁场。磁流变脂在外加磁场的作用下发生磁致伸缩效应，产生磁致伸缩应变量，并通过伸缩杆与平面镜Ml接触，使Ml发生倾斜，导致平面镜Ml、Μ2之间的光线传播路径发生改变。[0066](6)位移光电探测器接收未加磁场时出射光线和外加磁场后的出射光线，通过预放电路、A/D转换，输入到数据处理系统。[0067](7)磁流变脂磁致伸缩应变量大小为
权利要求1. 一种磁致伸缩效应智能检测系统由激光发射系统、磁流变脂磁致伸缩微位移驱动器、光位移放大装置、光学成像放大系统、信号处理系统构成； 其特征为所述的激光发射系统，由激光器、准直镜、光阑、反射镜、压电陶瓷(PZT)、角度传感器和单片机处理系统七部分构成；氦氖激光器(101)上固定角度传感器(106)，激光器发射出的激光通过第一准直镜(102)、孔径光阑(104)、第二准直镜(10 后经一反射镜(10 入射到位移光放大装置Ml上；压电陶瓷PStl50/4/7VS9 (107a、107b、107c、107d)通过89C51单片机(108)控制反射镜(105)的角度。
专利摘要基于磁流变脂的磁致伸缩效应没有引起足够重视的不足及现有光杠杆法测量精度低等问题，本实用新型提出一种磁致伸缩效应智能检测系统。本实用新型由磁流变脂磁致伸缩微位移驱动器和基于磁流变脂磁致伸缩应变量的光杠杆微位移测量装置构成。磁流变脂磁致伸缩微位移驱动器以线接触方式作用于光杠杆，当磁流变脂被磁化后，产生磁致伸缩应变量。通过光杠杆进行第一级放大，再被透镜组进行第二级放大后，被PSD接收转换成电信号，然后经过预放电路和A/D转换输入到数据处理系统进行数据处理，最终得到应变量大小。本实用新型的优点在于能准确的测量不同磁场的作用下磁流变脂磁致伸缩应变量大小，结构简单易操作，测量准确、精度度，不易受外界干扰，可实现实时测量。研究磁流变脂磁致伸缩效应是对磁流变体研究的一次新的尝试，对它的研究具有非常重要的实用价值。
文档编号G01B11/16GK202255291SQ201120144390
公开日2012年5月30日 申请日期2011年5月9日 优先权日2011年5月9日
发明者何国田, 冉迎春, 刘云杰, 宋莉, 张德胜, 戴鹏飞, 王松, 谷明信, 马燕 申请人:重庆师范大学