叠堆式超磁致伸缩致动器特性测试系统的制作方法

本发明涉及超磁致伸缩致动器测试装置技术领域，尤其涉及一种叠堆式超磁致伸缩致动器特性测试系统。

背景技术：

随着材料科学的不断发展，新型智能材料已逐渐应用于电液伺服阀ehsv。作为智能材料家族的重要一员，超磁致伸缩材料gmm具有优异的性能指标，比如滞环小、应变大、输出力大、能量密度高等。利用gmm的这些优良特性研制高性能的伺服阀用超磁致伸缩致动器gma，对于提升ehsv的静动态性能，拓展ehsv的应用领域有重要意义。叠堆式超磁致伸缩致动器sgma采用永磁体和gmm棒交替排布的结构形式，从而能够有效提高偏磁的均匀度，同时克服了筒状永磁体质量体积大的不足，但是由于偏磁施加方式的不同sgma的磁场分布规律和传统gma有较大区别，因此需要寻找一种能够对sgma进行测试的系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够得到sgma工作中各状态参量的分布规律和sgma的基本输出特性，为后续的致动器建模和控制提供参考和依据的叠堆式超磁致伸缩致动器特性测试系统。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种叠堆式超磁致伸缩致动器特性测试系统，其特征在于：包括测试用叠堆式超磁致伸缩致动器，压力传感器安装于所述致动器中超磁致伸缩模块的固定端，用于测量超磁致伸缩模块中gmm棒所受的预应力；磁场强度传感器包括霍尔探头和与之配套使用的高斯计，所述霍尔探头紧贴于超磁致伸缩模块的gmm棒表面，用于测量gmm棒表面附近的磁场强度，测量的数值传送给所述高斯计；磁感应探测线圈缠绕到所述gmm棒的外侧，用于测量gmm棒上的磁化强度；测温探头安装在所述超磁致伸缩模块的中部，用于测量所述超磁致伸缩模块的温度；应变片粘贴在所述gmm棒表面，用于感应所述gmm棒的形变量；激光位移传感器与所述测试用叠堆式超磁致伸缩致动器中动力输出杆相对设置，用于测量所述致动器的位移。

进一步的技术方案在于：所述测试用叠堆式超磁致伸缩致动器包括超磁致伸缩模块，所述超磁致伸缩模块包括永磁体、gmm棒和驱动线圈组件，所述永磁体设置有三个以上，每两个永磁体之间设置有一个gmm棒，所述驱动线圈组件位于所述永磁体与gmm棒构成的棒状结构的外侧；最左侧永磁体的左侧面通过所述压力传感器与左端盖连接，最右侧所述永磁体的右端面与所述动力输出杆的内侧端部连接，所述动力输出杆的外侧端部从右端盖伸出，所述激光位移传感器与所述动力输出杆的活动端相对设置；所述右端盖与最右侧的永磁体之间的动力输出杆上套设有复位弹簧，连接套筒的一端与所述左端盖固定连接，连接套筒的另一端与所述右端盖固定连接，且所述连接套筒位于所述驱动线圈组件的外侧。

进一步的技术方案在于：所述测试用叠堆式超磁致伸缩致动器还包括夹持机构，所述左端盖与所述夹持机构固定连接。

进一步的技术方案在于：所述测试系统还包括数据采集卡和主控计算机，所述压力传感器的信号输出端与所述数据采集卡的信号输入端连接，用于将采集的信息传送给所述数据采集卡进行处理，处理后的压力信息通过数据采集卡传送给所述主控计算机。

进一步的技术方案在于：所述高斯计的信号输出端与所述数据采集卡的信号输入端连接，用于将采集的信息传送给所述数据采集卡进行处理，处理后的磁场强度信息通过数据采集卡传送给所述主控计算机。

进一步的技术方案在于：所述应变片的信号输出端通过电桥与应变仪的信号输入端连接，所述应变仪的信号输出端与所述数据采集卡的信号输入端连接，用于将采集的信息传送给所述数据采集卡进行处理，处理后的应变信息通过数据采集卡传送给所述主控计算机。

进一步的技术方案在于：所述测温探头的信号输出端与温度变送器的信号输入端连接，所述温度变送器的信号输出端与所述数据采集卡的信号输入端连接，用于将采集的信息传送给所述数据采集卡进行处理，处理后的温度信息通过数据采集卡传送给所述主控计算机。

进一步的技术方案在于：所述数据采集卡的驱动信号输出端与功率放大器的信号输入端连接，所述功率放大器的信号输出端与所述驱动线圈组件中线圈的两端连接，用于为所述线圈提供工作电源，功率放大器输出端的导线上设置有电压测量模块和电流测量模块，用于测量所述功率放大器的输出电流和输出电压，所述电压测量模块和电流测量模块的信号输出端与所述数据采集卡的信号输入端连接，用于将采集的信息传送给所述数据采集卡进行处理，处理后的电流和电压信息通过数据采集卡传送给所述主控计算机。

进一步的技术方案在于：所述驱动线圈组件包括驱动线圈和线圈骨架，所述驱动线圈缠绕到所述线圈骨架上。

进一步的技术方案在于：所述压力传感器使用蚌埠大洋传感的dyhw-116型微型压式传感器；磁场强度传感器使用ch-1600型磁场强度传感器；所述应变片使用中航电测的ba120-3aa型应变片，测温探头使用赛亿凌的stt-fb3型温度芯片。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述测试系统以数据采集卡为核心，通过配置多种传感器，可完成对sgma多个工作参数的实时监控。在此基础上，进行gmm特性实验和致动器特性实验。通过gmm特性实验，获得所用材料的基本性能指标，确定致动器设计的基本参数；通过致动器特性实验，得到sgma工作中各状态参量的分布规律和sgma的基本输出特性，为后续的致动器建模和控制提供参考和依据。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例所述系统的原理框图；

图2是本发明实施例所述系统中软件的原理框图；

图3是本发明实施例所述系统中数据采集模块界面图；

图4是本发明实施例所述系统中数据回放界面图；

图5是本发明实施例所述系统中数据处理模块界面图；

其中：1、压力传感器；2、gmm棒；3、霍尔探头；4、磁感应探测线圈；5、测温探头；6、应变片；7、激光位移传感器；8、永磁体；9、驱动线圈组件；10、左端盖；11、动力输出杆；12、右端盖；13、复位弹簧；14、连接套筒；15、夹持机构。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

gmm特性实验需求：

gmm在工作时表现出复杂的本构特性，为准确掌握材料的各项性能指标，指导致动器设计和制作，需要通过测试实验对材料的磁学、力学、热力学特性进行全面分析。影响gmm磁致伸缩变形的因素主要包括磁场强度、预应力、温度和驱动磁场频率。在gmm特性实验中，将实验分为三项，分别考察预应力、温度和驱动磁场频率对gmm磁致伸缩应变的影响。

1)不同预应力下材料磁致伸缩应变的测量。相关研究表明，处于合适预应力下的gmm棒具有最大的磁致伸缩变形。因此，该项实验的目的就是通过测试找到合适的预应力取值，提高gma的输出位移。

2)不同温度下材料磁致伸缩应变的测量。在确定合适预应力的条件下，改变gmm的工作温度，可得温度对gmm磁致伸缩应变的影响曲线。通过曲线，可计算温度变化对gma输出精度的影响，进而设计合适的温度控制系统，改善致动器输出精度。

3)不同驱动频率下材料磁致伸缩应变的测量。当gmm工作于高频交变磁场时，材料内部会产生明显的涡流效应，增加材料内部的能量损耗。所以，通过本项实验，研究材料不同频率下的磁致伸缩变形，有助于预测gma的动态输出特性，设计其合理的工作频带。

除上述三个因素之外，磁场强度也会影响材料的磁致伸缩应变，随着磁场强度的增加，gmm的磁致伸缩变形逐渐增大，而且由于死区、饱和等现象的存在，它们之间的对应关系并非线性。研究磁场强度对gmm磁致伸缩应变的影响，对于确定gma的理想工作区间，提高其输出性能有较大意义。由于在第一项和第三项实验中，已绘制了磁场强度-磁致伸缩应变曲线，确定了磁场强度对磁致伸缩应变的影响，因此不再对此进行单独研究和讨论。

致动器特性实验需求：

sgma采用永磁体-gmm棒交替排布的结构形式，与传统gma有所不同，这样的结构有助于致动器获得更加均匀的偏置磁场。但是，特殊的结构也将导致sgma的磁场分布不同于传统gma，进而导致sgma磁化强度分布、应变分布以及最终输出特性的不同。基于sgma的特殊结构，通过实验对致动器的整体特性进行全面研究，内容主要包括：

1)sgma磁场强度、磁化强度和应变分布研究。磁场强度、磁化强度、应变是sgma工作过程中三个重要的中间变量，也是sgma有别于传统gma的重要参数。通过实验测量这三个变量，准确了解其分布特点，能够为sgma的建模和优化提供依据。

2)sgma输出力和输出位移研究。输出力和输出位移是衡量gma输出特性的最直接和最关键指标，本项实验的主要目的是通过这两项指标的测定验证sgma的输出性能，同时验证致动器的设计方法和建模理论。

致动器控制实验需求：在gmm特性实验和致动器特性实验的基础上，通过对系统的改造和拓展，希望能够完成sgma控制实验。将不同控制策略嵌入系统，测试其控制效果，找到理想的sgma控制方法，实现sgma的高精度伺服控制。

其他预留实验需求：除上述实验之外，所设计的测试系统应能对sgma工作过程中各相关的变量参数进行全面监控，便于sgma局部和整体工作特性的分析和研究。

总体的，如图1所示，本发明实施例公开了一种叠堆式超磁致伸缩致动器特性测试系统，该系统可分为四个部分：采集控制系统、电源系统、传感系统和致动器系统。采集控制系统是整个测试系统的中枢和核心，主要包括主控计算机和数据采集卡（dataacquisitioncard,daq），daq与计算机相连，负责接收传感器传回的数据信息，输出计算机发出的控制信号。计算机中运行自行开发的实验测试软件，软件在labwindows/cvi平台下开发，能够配合daq实现实验数据的实时采集、存储、显示和分析，并监控整个实验过程。电源系统的主要组成部分为功率放大器，可放大采集卡输出的控制信号，为致动器提供不同形式的驱动波形。传感系统主要包括各型传感器及相应的信号调理设备，用于在实验过程中采集sgma的各特征参数，并将其转化为可测的电压信号。致动器系统即设计的测试用sgma，是测试系统测试的对象。

进一步的，所述叠堆式超磁致伸缩致动器特性测试系统，包括测试用叠堆式超磁致伸缩致动器，压力传感器1安装于所述致动器中超磁致伸缩模块的固定端，用于测量超磁致伸缩模块中gmm棒2所受的预应力；磁场强度传感器包括霍尔探头3和与之配套使用的高斯计，所述霍尔探头3紧贴于超磁致伸缩模块的gmm棒2表面，用于测量gmm棒2表面附近的磁场强度，测量的数值传送给所述高斯计；磁感应探测线圈4缠绕到所述gmm棒2的外侧，用于测量gmm棒2上的磁化强度；测温探头5安装在所述超磁致伸缩模块的中部，用于测量所述超磁致伸缩模块的温度；应变片6粘贴在所述gmm棒2表面，用于感应所述gmm棒2的形变量；激光位移传感器7与所述测试用叠堆式超磁致伸缩致动器中动力输出杆相对设置，用于测量所述致动器的位移。

进一步的，所述测试用叠堆式超磁致伸缩致动器包括超磁致伸缩模块，所述超磁致伸缩模块包括永磁体8、gmm棒2和驱动线圈组件9；所述永磁体8设置有三个以上，每两个永磁体8之间设置有一个gmm棒2，所述驱动线圈组件9位于所述永磁体8与gmm棒2构成的棒状结构的外侧；最左侧永磁体8的左侧面通过所述压力传感器1与左端盖10连接，最右侧所述永磁体9的右端面与所述动力输出杆11的内侧端部连接，所述动力输出杆11的的外侧端部从右端盖12伸出，所述激光位移传感器7与所述动力输出杆11的活动端相对设置；所述右端盖12与最右侧的永磁体8之间的动力输出杆上套设有复位弹簧13，连接套筒14的一端与所述左端盖10固定连接，连接套筒14的另一端与所述右端盖12固定连接，且所述连接套筒14位于所述驱动线圈组件9的外侧。所述驱动线圈组件9包括驱动线圈和线圈骨架，所述驱动线圈缠绕到所述线圈骨架上；所述左端盖10与所述夹持机构15固定连接。

进一步的，在致动器中，可以采用三段gmm棒和四段永磁体组成磁致伸缩模块。由测试内容可知，在实验中需要测量gmm棒上不同位置的磁场强度、磁感应强度、应变等参数，因此gmm棒需要有足够的长度和表面积安装测试元件。在每段gmm棒上选取四个测量点，为避免不同测量点间测试元件的干扰，选取直径为16mm的棒料，每段长度为33mm；永磁体直径与gmm棒直径相等，每段长度为6mm。

进一步的，所述压力传感器1的信号输出端与所述数据采集卡的信号输入端连接，用于将采集的信息传送给所述数据采集卡进行处理，处理后的压力信息通过数据采集卡传送给所述主控计算机。压力传感器安装于磁致伸缩模块的固定端，用于测量gmm棒所受的预应力。压力传感器选用蚌埠大洋传感的dyhw-116型微型压式传感器，该型传感器具有尺寸小的特点，适用于尺寸受限的测量场合，其量程范围可达1000kg，测量误差低于0.5%。

磁场强度传感器包括霍尔探头和与之配套的高斯计，型号为ch-1600。霍尔探头紧贴于gmm棒表面，可测得棒表面附近的磁场强度，数值通过高斯计上的液晶面板显示，同时也可通过信号线传输给daq。

磁感应强度传感器采用自行绕制的磁感应探测线圈，其测量原理可用法拉第电磁感应定理描述，表示为：

式中，n为感应线圈匝数，a为感应线圈横截面积，ε(t)为线圈两端产生的感应电动势。

需要注意的是上式中包含积分环节，实现这一过程，在实验中一般分为两步，先实时记录线圈产生的感应电压，然后利用积分器完成积分环节的求解。在得到磁感应强度的基础上，可计算gmm棒上的磁化强度：

式中，μ0为真空磁导率，h为gmm棒上对应的磁场强度。

所述高斯计的信号输出端与所述数据采集卡的信号输入端连接，用于将采集的信息传送给所述数据采集卡进行处理，处理后的磁场强度信息通过数据采集卡传送给所述主控计算机。

所述应变片6的信号输出端通过电桥与应变仪的信号输入端连接，所述应变仪的信号输出端与所述数据采集卡的信号输入端连接，用于将采集的信息传送给所述数据采集卡进行处理，处理后的应变信息通过数据采集卡传送给所述主控计算机。应变片选用“中航电测”生产的ba120-3aa型应变片，粘贴位置如图2-4所示，其结构尺寸为6.4mm×3.5mm，电阻值为120ω。同时，具有温度自补偿功能，能够精确测量150℃以内的动态应变，最高测试频率高于1khz。

所述测温探头5的信号输出端与温度变送器的信号输入端连接，所述温度变送器的信号输出端与所述数据采集卡的信号输入端连接，用于将采集的信息传送给所述数据采集卡进行处理，处理后的温度信息通过数据采集卡传送给所述主控计算机。温度芯片安装在磁致伸缩模块中间，型号为stt-fb3（生产厂商为赛亿凌），能够精确测量-50℃~200℃之间的温度区间，精度为0.1℃。配合温度变送器可将传感器信号转变为电压信号，方便daq的数据采集。

此外，如图1所示，所述数据采集卡的驱动信号输出端与功率放大器的信号输入端连接，所述功率放大器的信号输出端与所述驱动线圈组件中线圈的两端连接，用于为所述线圈提供工作电源，功率放大器输出端的导线上设置有电压测量模块和电流测量模块，用于测量所述功率放大器的输出电流和输出电压，所述电压测量模块和电流测量模块的信号输出端与所述数据采集卡的信号输入端连接，用于将采集的信息传送给所述数据采集卡进行处理，处理后的电流和电压信息通过数据采集卡传送给所述主控计算机。

电流钳（电流测量模块）的型号为“pico电子”生产的ta189，输出灵敏度为100mv/a，量程为5ma~30a，测量误差低于1%。在测量时无需切割、剥离或断开导线，将sgma的输入线穿过电流钳钳口，即可测得致动器中驱动电流值。

位移传感器选用microtrak^tm3-lts-025-02型激光位移感应器，该型传感器结合最新的cmos感应技术，能够精确测量被测物体的位移变化，测量灵敏度为0.25μm/mv，分辨率为0.038μm，测量频率范围为0~20khz。

与sgma内部的测力传感器不同，压电力传感器安装在致动器外侧，与输出杆接触，用于测量sgma的输出力。传感器型号为“江苏东华测试”生产的dhl050，其测力范围为0~5000n，灵敏度为3.06pc/n，测量过程中非线性低于1%。

功率放大器的作用是将采集卡输出的微弱驱动信号放大，使线圈获得足够大的驱动电流。功率放大器选用的型号为gf-800（生产厂商为扬州无线电二厂），最大输出功率为800w，最大通过电流为30a。

daq是sgma测试系统的核心部件，其主要功能包括多通道信号同步采集和控制信号输出。根据设计需求，系统需要完成多项实验，其中采集信号最多的实验包含10路传感器信号。sgma的最高测试频率设定为500hz，由采样定理可知，若需要完全复现系统状态，采样频率应不低于其工作频率的20倍，因此，daq的采样率应高于100ks/s。daq选用“美国国家仪器公司（nationalinstruments,ni）”生产的pxie-6361，其包含16路模拟信号输入和2路模拟信号输出，采样精度为16位，最大采样电压为±10v，多通道最大采样率为2ms/s，能够满足测试系统的采样需求。

主控计算机选用dell的precision工作站，内嵌六核e5处理器，32gram，具有强大的计算性能，适用于测试系统的数据存储、分析和处理。

在硬件设计的基础上，需设计和编写sgma测试系统软件，实现传感器数据的采集、存储、处理和分析。labwindows/cvi是ni公司推出的一款基于ansic的虚拟仪器开发平台，其编程方式以c语言为基础，功能强大、方便灵活，同时结合丰富专业的函数库，为熟悉c语言的开发人员开发数据采集、分析、控制软件提供了一个理想的平台。matlab是一款强大的数值计算软件，具有界面简洁、编程方便的特点，且包含功能强大的函数和工具箱，特别适合用于数学计算和分析。采用模块化编程思想完成软件设计，利用labwindows/cvi和matlab混合编程编写测试系统软件，实现了这两种软件的有机结合和优势互补。

系统软件总体框架：测试系统软件需要与硬件系统配合实现sgma特性测试。具体而言，需要系统能够长时间稳定采集、存储并显示传感器信号，在线完成信号的处理，如频域显示、变换坐标显示、简单滤波处理等。数据采集完成后，可对采集的数据进行回放，并根据需要对数据进行筛选、滤波、数值计算和分析。图2为测试系统软件框架图，根据功能，软件系统可分为三个模块：数据采集模块、数据回放模块和数据处理模块。每个模块均具有独立的界面，各界面之间通过主程序菜单相互关联，使得软件有较好的操作性，同时也有利于软件功能的更新和拓展。下面，将分别对三个模块的功能和实现方法进行具体介绍。

数据采集模块：数据采集模块是测试系统软件中最基本和最主要的功能模块，主要负责传感器数据的采集、存储和显示，功能与示波器等传统的采集设备类似，实质为传统仪器的虚拟化。该模块不涉及复杂的计算和分析，因此，可由labwindows/cvi平台单独开发。图3为数据采集模块界面。

在数据采集模块中，通讯子模块的功能是与daq实现硬件通信，并将daq采集到的信号传入计算机。由于ni采集卡与labwindows/cvi良好的兼容性，利用labwindows/cvi内置的简单函数即可实现与daq的可靠通信。通讯子模块的工作流程可描述为：利用自检函数完成daq自检，检查设备是否正确安装，能否正常工作；建立采样任务，进行采样参数设置，主要包括设置采样通道、采样率、触发方式、量程范围等；利用采样函数实现数据的连续采集；清除采样任务，释放内存。

存储子模块的功能是将采集到的数据存储到计算机磁盘中，便于后续的数据处理和分析。sgma测试采样通道多，采样率大，长时间采样将产生巨大的数据量，如果处理不当将导致泄漏甚至溢出。因此，如何快速存储已采集的数据成为系统设计中十分重要的环节。为此，存储子模块采用一种特殊的存储方式——tdms文件对数据进行存储。tdms格式的数据文件具有二进制数据高效存储的特点，同时包含描述数据的特征信息，能够在不影响采集实时性的前提下实现数据的快速存储。

显示子模块用于实时显示daq各通道采集的数据，并能根据需求更改显示设置，实现对采集全过程或特定局部特征的实时监测。为不影响数据采集的实时性，将显示子模块放入一个单独线程，在labwindows/cvi中，异步定时器可用于生成一个独立的线程，其定时精度可达1ms。

数据回放模块：数据回放模块主要包括数据读取和数据显示。数据读取的功能是将已经存储到硬盘的部分或全部数据重新读取到内存中，数据显示是将读取的数据按需要进行筛选和显示。该模块的编程实现方法与实时显示子模块类似，可利用labwindows/cvi平台单独实现，图4为数据回放模块界面。

数据处理模块：在数据采集时，为保证系统的实时性，通常无法对数据进行详细系统的分析，为此设计了数据处理模块。数据处理模块针对离线数据进行分析处理，无需考虑实时性问题，处理结果能够为sgma的结构优化和控制策略设计提供依据。在数据处理模块中，设计了滤波处理、时域分析、频域分析和相关分析四项基本功能。由于其中涉及了比较复杂的数值计算，在编写该模块时，采用activex控件，在labwindows/cvi中对matlab命令进行了调用，实现了labwindows/cvi和matlab联合编程。图5为数据处理模块界面。

所述测试系统以数据采集卡为核心，通过通过设置多种传感器，可完成对sgma多个工作参数的实时监控。在此基础上，进行gmm特性实验和致动器特性实验。通过gmm特性实验，获得所用材料的基本性能指标，确定致动器设计的基本参数；通过致动器特性实验，得到sgma工作中各状态参量的分布规律和sgma的基本输出特性，为后续的致动器建模和控制提供参考和依据。