判别磁致伸缩执行器发热方式的系统与方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于磁致伸缩执行器温度测量领域，主要涉及一种判别磁致伸缩执行器发 热方式的系统及方法，特别是涉及一种在中低频率范围内判别磁致伸缩执行器发热类型的 系统与方法。
【背景技术】
[0002] 磁致伸缩材料是20世纪70年代出现的新型稀土功能材料，该材料是继稀土永 磁、稀土发光、稀土高温超导材料之后被视为21世纪提高国家高科技综合竞争力的一种新 型战略性功能材料。磁致伸缩效应是该材料的重要物理特性之一，磁致伸缩效应是指铁磁 材料或亚铁磁材料受到外加磁场作用后，由于其磁化状态的改变，其长度和体积都要发生 微小变化的现象。同时由于该材料具有大磁致伸缩系数、能量密度高、响应快、较高的磁机 转换效率和抗压特性，所以利用磁致伸缩材料的特性和磁致伸缩效应可以制作微位移执行 器，即磁致伸缩执行器。磁致伸缩执行器具有输出位移范围大、漂移小、结构简单、易于驱 动、工作频率范围宽等优点，因此磁致伸缩执行器在声纳系统中得到了广泛的应用，并且在 精密加工、超精密加工、流体机械等工程领域显示出了良好的应用前景。
[0003] 磁致伸缩执行器作为一种微小位移驱动装置，其输出精度必须要严格控制，因此 在应用于工程之前要对其输出特性和影响输出特性的因素进行研究。磁致伸缩材料是一种 对温度十分敏感的功能材料，环境温度的改变将会影响磁致伸缩材料的磁机转换效率进而 影响机械性能输出。执行器在交流驱动下，由于涡流效应和线圈产生的焦耳热会使执行器 的温度升高，在高频下涡流效应引起温升会非常明显，但是在中低频率范围内如何判别磁 致伸缩棒的涡流热和线圈的焦耳热是一个难题。随着执行器温度的升高，磁致伸缩材料会 产生热膨胀效应进而产生热应力，由压磁效应可知应力的作用会使磁致伸缩材料的磁导率 发生变化，从而影响执行器的输出特性。所以需要对磁致伸缩执行器采取冷却措施，来使执 行器达到最佳的工作温度。然而由于涡流热和由焦耳热的温升特性不同，相对应的冷却措 施也不同，因此，为了使冷却效果达到最佳，判断执行器在某一特定频率范围内发热类型是 十分必要的。
[0004] 在以往的研究中只是说明了磁致伸缩执行器在高频下涡流热为主要热源，在低频 下线圈的焦耳热为主要热源。在中低频率范围内并未对如何判断磁致伸材料的涡流热还是 线圈的焦耳热为磁致伸缩执行器主要热源给出明确的方法。目前在磁致伸缩执行器领域尚 未有如何判断执行器在某一特定频率下发热类型方法的报道。
【发明内容】
[0005] 发明目的
[0006] 为了解决在磁致伸缩执行器领域如何判断在中低频率范围内磁致伸缩执行器的 发热类型。本发明设计了一个以磁致伸缩执行器为被测对象、PtlOO为温度传感芯片、多通 道温度显示仪、电源为主要元件的测试系统，以及利用该系统判断磁致伸缩执行器在中低 频率范围内发热类型的方法。
[0007] 技术方案
[0008] -种判别磁致伸缩执行器发热方式的系统，其特征在于：由实验台、供电电源、多 通道温度显示仪、磁致伸缩执行器、PtlOO温度传感芯片组成；供电电源、多通道温度显示 仪和磁致伸缩执行器均设置在实验台上，供电电源与多通道温度显示仪均通过导线连接磁 致伸缩执行器，PtlOO温度传感芯片与磁致伸缩棒的棒表面直接接触。
[0009] 连接PtlOO温度传感芯片的导线经过纯铁下片和钢圈由执行器的下端引出。
[0010] PtlOO温度传感芯片分别贴附在磁致伸缩棒的中间位置、磁致伸缩棒的下部、和线 圈骨架的内壁的中间位置。
[0011]用上述判别磁致伸缩执行器发热方式的系统判别磁致伸缩执行器发热方式的方 法，其特征在于：该方法步骤如下：
[0012] (1)首先通过多通道温度显示仪记录下磁致伸缩执行器未工作时待测位置的温 度。
[0013] (2)开启供电电源，将电源的输出模式调整到所需幅值和频率的交流电电流输出 模式。
[0014] (3)按下电源的输出键，开始向执行器提供激励；此时执行器线圈在激励的作用 下会产生磁场，磁场激励磁致伸缩棒进行工作输出；线圈由于存在激励会产生发热，磁致伸 缩棒由于涡流效应会产生涡流热。
[0015] (4)在执行器工作期间每间隔3~5s记录下温度显示仪上各个通道的温度数值。
[0016] (5)执行器工作2~5min关闭电源，同时通过多通道温度显示仪记录下断电这一 时刻多通道温度显示仪上各个通道显示的温度读数。
[0017] (6)执行器断电后每间隔3~5s记录下断电后的多通道温度显示仪上各个通道的 温度读数。
[0018] (7)使激励频率按照100Hz为一个梯度增加的方式重复步骤⑴一步骤（6)各步 操作，观察各个频率下执行器的温升特性；
[0019] (8)对采集的数据进行处理和分析。
[0020] 上述步骤（6)记录温度读数后，判断过程如下：
[0021] (1)如果断电那一时刻磁致伸缩棒中间位置的温度高于线圈骨架内壁和磁致伸缩 棒下部位置的温度且磁致伸缩棒下部位置温度高于线圈骨架内壁温度，执行器断电之后磁 致伸缩棒中间位置温度不再升高，即磁致伸缩棒中间位置的温度出现一个峰值后下降，则 判断在该激励下执行器的主要热源是磁致伸缩棒的涡流热。
[0022] (2)如果断电那一时刻磁致伸缩棒中间位置的温度高于线圈骨架内壁和磁致伸缩 棒下部位置的温度且下部位置的温度低于线圈骨架内壁的温度，断电之后磁致伸缩棒中间 位置的温度不再升高，即磁致伸缩棒中间位置的温度出现一个峰值后下降，则判断在该激 励下执行器的主要热源是磁致伸缩棒的涡流热。
[0023] (3)如果断电那一时刻磁致伸缩棒中间位置的温度低于线圈骨架内壁和磁致伸缩 棒下部位置温度，并且断电之后磁致伸缩棒的温度继续升高，则判断在该激励下执行器的 主要热源为线圈的焦耳热。
[0024] (4)如果断电那一时刻磁致伸缩棒中间位置的温度大于磁致伸缩棒下部温度并且 低于线圈骨架内壁的温度，但断电后磁致伸缩棒中间位置的温度先迅速下降后缓慢回升， 则此时执行器的发热类型为线圈的焦耳热。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明结构示意图。
[0026] 图2为传感芯片贴附位置示意图。
【具体实施方式】
[0027] 本发明涉及一种判别磁致伸缩执行器发热方式的系统及方法，下面结合附图对本 发明做进一步的说明：
[0028] 测试系统的搭建：
[0029] 本系统由实验台23、供电电源22、多通道温度显示仪21、磁致伸缩执行器20、 PtlOO温度传感芯片5组成；具体连接方式如图1所示，供电电源22、多通道温度显示仪21 和磁致伸缩执行器20均设置在实验台23上，供电电源22与多通道温度显示仪21均通过 导线连接磁致伸缩执行器20,PtlOO温度传感芯片5与磁致伸缩棒的表面直接接触。
[0030] 由于磁致伸缩执行器工作时激励线圈需要通恒定的激励电流来产生定量和稳定 的磁场；执行器在工作过程中需要供电电源具有提供恒定激励、快速响应和过载保护的基 本功能。因此，本测试系统采用日本NF公司的BP4610型号电源为供电电源。
[0031] 磁致伸缩棒在通电线圈的激励作用下会产生感应电流即涡流，PtlOO温度传感芯 片与磁致伸缩棒表面直接接触，为了消除采集温度传感芯片信号时外部电流对感应电流的 的影响需要在应变片引脚与导线连接处及整个引脚进行绝缘密封处理。本系统中采用热缩 管对引脚和连接处进行绝缘处理。连接PtlOO温度传感芯片的导线经过纯铁下片和钢圈由 执行器的下端引出。
[0032] PtlOO温度传感芯片在_200°C到500°C之间时应变片的阻值与温度的变化存在着 一定的线性关系，温度传感芯片输出信号通常有两种采集方式：欧姆表测量温度传感芯片 阻值间接获取温度值的方法；通过多通道温度显示仪直接读取温度传感芯片温度的方法。 在本发明中采用温度传感芯片与多通道温度显示仪直接连接的方式读取温度信号。
[0033] PtlOO温度传感芯片的贴附位置：
[0034] 本发明中被测执行器为轴对称结构：由传递轴1、不锈钢顶盖2、蝶形弹簧3、不锈 钢上盖4、上导磁滑块19、纯铁上片6、线圈骨架7、纯铁套筒8、激励线圈9、磁致伸缩棒10、 下导磁滑块11、钢圈12、不锈钢圆台底座13、下纯铁片14、不锈钢套筒15、螺栓16、元宝螺 母17、六角螺母18、等基本元件构成。具体装配方式见图2。
[0035] 该执行器的核心部分是圆柱状的磁致伸缩棒和激励线圈。在执行器中激励线圈安 装在纯铁套筒8内腔，上下两端分别与上纯铁片6和下纯铁片14相接触，防磁钢圈12安装 在在线圈骨架7内壁下端，在钢圈12的上端是下端带有凸台上端带有凹槽的下导磁滑块 11，下导磁滑块11与线圈骨架7内壁相接触，磁致伸缩棒10安装在下导磁滑块11的上部 凹槽内，其下端与下导磁滑块11相接触，上端与上导磁滑块19相接触其余部分与线圈骨架 7之间存在一个间隙。
[0036] 在交流激励作用下执行器的发热方式有两种，分别是磁致伸缩棒产生的涡流热和 线圈产生的焦耳热。当通入交流电Idsincot时，两种发热类型的发热量分别为：
[0037] (1)通电线圈的焦耳热：
[0038] Q=i2^t(1)；
[0039] 式中i为I。的有效值即i= 0. 7071。、札为线圈的总电阻、t为线圈通电时间。
[0040] (2)磁致伸缩棒的涡流热：当线圈中通入I=I^sincot的电流时，根据毕奥一萨 伐尔定律磁感应强度B大小为：
[0041 ]B=y0nl=y0nl0sinc〇t(2)；
[0042] 式中y。为磁致伸缩棒的磁导率、n为线圈匝数、I为通入线圈的交流电流大小。线 圈通电所产生的最大磁感应强度1^为：
[0043]Bm=y〇nI〇 (3)；
[0044] 假设放入线圈中的是半径为r高度