一种变载荷条件下的模块化MSMA驱动性能测试装置

一种变载荷条件下的模块化msma驱动性能测试装置
技术领域
1.本发明涉及智能测量技术领域，具体涉及一种变载荷条件下的模块化msma驱动性能测试装置。


背景技术：

2.磁控记忆合金(以下简称msma)驱动器目前是作为实现机电系统柔性驱动输出的一类新型智能材料驱动器。由于msma存在马氏体磁晶各向异性，且随着外加磁场强度逐渐增大，马氏体磁晶各向异性会同步增大，从而使得与外加磁场强度具有相同易磁化方向的马氏体磁晶会旋转变长，产生较大的宏观位移。逐步减小外加磁场强度，msma驱动器会在弹簧施加的压力作用下逐渐缩小长度直至恢复到初始状态。因此msma驱动器在外加磁场强度的诱导下可以产生输出位移，当去掉外加磁场强度的诱导后又可以在外力作用下恢复原来的长度，是以机器人为代表的机电系统中实现“人工肌肉”柔性驱动性能的新型驱动器之一。因此需要相应检测外加磁场强度实际大小且适应恒力载荷和弹性载荷两种不同工况下对该驱动器驱动性能测试装置。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种变载荷条件下的模块化msma驱动性能测试装置。
4.本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
5.一种变载荷条件下的模块化msma驱动性能测试装置，该驱动性能测试装置包括提供交流磁场的磁场发生单元、提供变载荷条件的直线导轨单元和约束磁控形状记忆合金(msma)驱动器的固定驱动器单元。其中磁场发生单元包括铁芯、铜线圈、霍尔探头、铁架台等；直线导轨单元包括直线导轨、t型支架、砝码、鱼线、滑轮组、滑块、滑块固定块、弹簧、压力传感器、激光位移传感器等；固定驱动器单元包括基座、托载槽、顶针、挡板等。
6.具体地，所述磁场发生单元包括双柱式铁芯4、第一铜线圈5、第二铜线圈21、霍尔探头16、铁架台19，其中，第一铜线圈5缠绕在双柱式铁芯4的左竖直柱上，第二铜线圈21缠绕在双柱式铁芯4的右竖直柱上，霍尔探头16固定在铁架台19上并伸入双柱式铁芯4的气隙间隙处，实现稳定测量磁场强度的频率和幅值；
7.所述直线导轨单元包括直线导轨11、第一t型支架2、第二t型支架10、砝码1、鱼线20、滑轮固定架28、定滑轮22、动滑轮18、第一滑块3、第二滑块6、第三滑块8、前滑块固定块7、后滑块固定块9、弹簧15、压力传感器14、激光位移传感器13；第一滑块3、第二滑块6、第三滑块8在直线导轨11上依次顺序设置，并可在直线导轨11上滑动；第一滑块3上装配第一基座27，第一基座27固定连接用于托载msma驱动器25的托载槽26；第二滑块6上装配第二基座23，第二基座23固定连接顶针24、挡板17、弹簧15；第三滑块8上装配第三基座12，第三基座12固定连接压力传感器14、激光位移传感器13、弹簧15；其中，鱼线20、滑轮固定架28、定滑轮22、动滑轮18共同构成滑轮组，连接砝码1的鱼线20依次通过滑轮固定架28上的定滑轮
22、第一基座27内部的圆通孔、第二基座23内部的圆通孔、第二基座23上的动滑轮18，最后连接顶针24的尾部，从而实现将在竖直方向上产生的恒力载荷转移并施加到在水平方向上的msma驱动器25；
8.所述固定驱动器单元包括第一基座27、第二基座23、第三基座12、托载槽26、顶针24、挡板17；
9.所述msma驱动器25放置在第一基座27上的托载槽26中，由托载槽26提供径向固定和轴向固定，由第二基座23上的顶针24提供轴向载荷。
10.进一步地，在性能测试过程中，所述第一基座27和第三基座12固定，第二基座23可移动，从而实现对msma驱动器25施加载荷的同时能稳定测量msma驱动器25的输出位移和输出作用力。设计基座结构有利于固定msma驱动器25、激光位移传感器13和压力传感器14。
11.进一步地，所述msma驱动器25的输出位移由不可移动的第三基座12上的激光位移传感器13测量；所述msma驱动器25的输出作用力由第三基座12上的压力传感器14测量。安装传感器有利于准确测量msma驱动器25的输出位移和输出作用力。
12.进一步地，所述第二基座23的横向范围由挡板17实现延伸，从而激光位移传感器13获得msma驱动器25的输出位移数据。在第二基座23上延伸横向范围，有利于激光位移传感器13在紧凑的空间范围内进行测量。
13.进一步地，通过部件化更新托载槽26，从而使得测试装置适应多种外形和多种尺寸的msma驱动器25。有利于测试具有不同外形和不同尺寸msma驱动器25。
14.进一步地，通过在所述滑轮组中挂载不同质量的砝码1或者不挂载，实现在不改变实验台装置结构的情况下，从而获得msma驱动器25分别在带恒力载荷和带弹性载荷条件下的驱动输入输出特性。在同一实验台装置中分别测试两种载荷条件，有利于进行对比分析。
15.进一步地，针对在带恒力载荷条件下，为了获取msma驱动器25的驱动输入输出特性，测试的具体操作过程如下：
16.s1、向所述滑轮组中挂载砝码1对msma驱动器25施加恒力载荷；
17.s2、旋转前滑块固定块7和后滑块固定块9上的紧定螺钉，将第三滑块8的位置锁定在前滑块固定块7和后滑块固定块9之间；
18.s3、利用外置交流电源，加载电流到所述磁场发生单元，msma驱动器25在磁场作用下产生输出位移和输出作用力；
19.s4、由霍尔探头16测量磁场发生单元产生的磁场强度，激光位移传感器13和压力传感器14分别测量msma驱动器25的输出位移和输出作用力测量；
20.s5、保存霍尔探头16、激光位移传感器13、压力传感器14的数据，获取msma驱动器25在带恒力载荷条件下的驱动输入输出特性。
21.进一步地，针对在带弹性载荷下，为了获取msma驱动器25的驱动输入输出特性，测试的具体操作过程如下：
22.r1、通过弹簧15对msma驱动器25施加弹性载荷，滑轮组不挂载砝码1；
23.r2、改变第三基座12与第二基座23的距离，以此改变弹性载荷的初始大小；
24.r3、利用外置交流电源，加载电流到磁场发生单元，msma驱动器25在磁场作用下产生输出位移和输出作用力；
25.r4、由霍尔探头16测量磁场发生单元产生的磁场强度，激光位移传感器13和压力
传感器14分别测量msma驱动器25的输出位移和输出作用力测量；
26.r5、保存霍尔探头16、激光位移传感器13、压力传感器14的数据，获取msma驱动器25在带恒力载荷条件下的驱动输入输出特性。
27.进一步地，针对在变幅变频磁信号条件下，为了获取msma驱动器25的磁-机械耦合特性，测试的具体操作过程如下：
28.t1、利用外置交流电源，加载电流到磁场发生单元后，使msma驱动器25处于磁场发生单元产生的交流磁场内；
29.t2、通过控制输入到第一铜线圈5、第二铜线圈21电流的幅值和频率特性，实现磁场发生单元产生变幅变频的交流磁场信号，从而得到在变幅变频磁信号条件下msma驱动器25的磁-机械耦合特性。
30.进一步地，通过挂载不同质量的砝码1对msma驱动器25施加不同特性的恒力载荷。
31.进一步地，通过更换不同刚度的弹簧15对msma驱动器25施加不同特性的弹性载荷。
32.本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
33.(1)本发明公开的模块化msma驱动性能测试装置能通过控制输入到第一铜线圈5、第二铜线圈21电流的幅值和频率特性，实现磁场发生单元产生变幅变频的交流磁场信号，从而得到在变幅变频信号条件下msma驱动器25的磁-机械耦合特性。
34.(2)能通过在所述滑轮组中挂载不同质量的砝码1或者不挂载，实现在不改变实验台装置结构的情况下，从而获得msma驱动器25分别在带恒力载荷和带弹性载荷条件下的驱动输入输出特性。在同一实验台装置中分别测试两种载荷条件，有利于进行对比分析。
35.(3)能通过部件化更新托载槽26，从而使得测试装置适应多种外形和多种尺寸的msma驱动器25。不仅有利于测试具有不同外形和不同尺寸msma驱动器25，还有利于拓展到包括msma以外的其他驱动器，从而使得本发明具有测试功能和测试对象多样化的优点。
附图说明
36.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
37.图1是本发明公开的变载荷条件下的模块化msma驱动性能测试装置的立体图；
38.图2是本发明公开的变载荷条件下的模块化msma驱动性能测试装置的另一立体图；
39.图3是本发明公开的变载荷条件下的模块化msma驱动性能测试装置的侧视图；
40.图4是本发明公开的变载荷条件下的模块化msma驱动性能测试装置中第一基座的立体图；
41.图5是本发明公开的变载荷条件下的模块化msma驱动性能测试装置中第二基座的立体图；
42.图6是本发明公开的变载荷条件下的模块化msma驱动性能测试装置中的具体实验数据结果图；
43.附图中，附图标记说明如下：1-砝码；2-第一t型支架；3-第一滑块；4-双柱式铁芯；5-第一铜线圈；6-第二滑块；7-前滑块固定块；8-第三滑块；9-后滑块固定块；10-第二t型支
架；11-直线导轨；12-第三基座；13-激光位移传感器；14-压力传感器；15-弹簧；16-霍尔探头；17-挡板；18-动滑轮；19-铁架台；20-鱼线；21-第二铜线圈；22-定滑轮；23-第二基座；24-顶针；25-msma驱动器；26-托载槽；27-第一基座；28-滑轮固定架。
具体实施方式
44.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
45.实施例1
46.本实施例公开了一种变载荷条件下的模块化msma驱动性能测试装置，该驱动性能测试装置包括提供交流磁场的磁场发生单元、提供变载荷条件的直线导轨单元和约束磁控形状记忆合金驱动器的固定驱动器单元和msma驱动器25。
47.如图1所示，直线导轨单元包括直线导轨11、第一t型支架2、第二t型支架10、砝码1、鱼线20、滑轮固定架28、定滑轮22、动滑轮18、第一滑块3、第二滑块6、第三滑块8、前滑块固定块7、后滑块固定块9、弹簧15、压力传感器14、激光位移传感器13。
48.如图2所示，磁场发生单元包括双柱式铁芯4、第一铜线圈5、第二铜线圈21、霍尔探头16、铁架台19。第一铜线圈5缠绕在双柱式铁芯4的左竖直柱上，第二铜线圈21缠绕在双柱式铁芯4的右竖直柱上。
49.如图3所示，固定驱动器单元包括第一基座27、第二基座23、第三基座12、托载槽26、顶针24、挡板17。
50.如图4所示，第一基座27连接托载槽26，第一基座27内部的圆通孔用于贯穿鱼线20。
51.如图5所示，第二基座23连接顶针24，第二基座23内部的圆通孔用于贯穿鱼线20。
52.该模块化msma驱动性能测试装置的工作原理如下：
53.利用外置交流电源，加载电流到磁场发生装置后，在双柱式铁芯4两个水平柱之间的气隙间隙处产生局部交流磁场作用于材料上，通过控制输入电流的幅值和频率，间接控制材料所处的交流磁场强度输入特性，可以深入研究输入磁场强度与材料的输出位移、输出作用力的关系特性。在磁场作用下，msma驱动器25沿直线导轨11轴线方向产生输出位移，由于msma驱动器25放置在第一基座27上的托载槽26中，由托载槽26提供径向固定和轴向固定，因此msma驱动器25向顶针24方向伸长，推动顶针24移动，由于顶针24与第二基座23固连，所以，第二基座23的直线位移可以间接反映msma驱动器25的输出位移。
54.本发明实施例中，该模块化msma驱动性能测试装置能稳定获得多组msma驱动器25的输入磁场强度、输出位移、输出作用力三个物理量的测量数据，有利于分析msma驱动器25的驱动输入输出特性。
55.实施例2
56.基于上述实施例1公开的一种变载荷条件下的模块化msma驱动性能测试装置，针对在带恒力载荷条件下，为了获取msma驱动器25的驱动输入输出特性，测试的具体操作过程如下：
57.s1、向所述滑轮组中挂载砝码1对msma驱动器25施加恒力载荷；
58.s2、旋转前滑块固定块7和后滑块固定块9上的紧定螺钉，将第三滑块8的位置锁定在前滑块固定块7和后滑块固定块9之间；
59.s3、利用外置交流电源，加载电流到所述磁场发生单元，msma驱动器25在磁场作用下产生输出位移和输出作用力；
60.s4、由霍尔探头16测量磁场发生单元产生的磁场强度，激光位移传感器13和压力传感器14分别测量msma驱动器25的输出位移和输出作用力测量；
61.s5、保存霍尔探头16、激光位移传感器13、压力传感器14的数据，获取msma驱动器25在带恒力载荷条件下的驱动输入输出特性。
62.本发明实施例中，可承受恒力载荷范围为0n～45n。该模块化msma驱动性能测试装置能稳定获得多组msma驱动器25的输入磁场强度、输出位移、输出作用力三个物理量的测量数据，有利于分析msma驱动器25在带恒力载荷条件下的驱动输入输出特性。
63.实施例3
64.基于上述实施例1公开的一种变载荷条件下的模块化msma驱动性能测试装置，针对在带弹性载荷下，为了获取msma驱动器25的驱动输入输出特性，测试的具体操作过程如下：
65.r1、通过弹簧15对msma驱动器25施加弹性载荷，滑轮组不挂载砝码1；
66.r2、改变第三基座12与第二基座23的距离，以此改变弹性载荷的初始大小；
67.r3、利用外置交流电源，加载电流到磁场发生单元，msma驱动器25在磁场作用下产生输出位移和输出作用力；
68.r4、由霍尔探头16测量磁场发生单元产生的磁场强度，激光位移传感器13和压力传感器14分别测量msma驱动器25的输出位移和输出作用力测量；
69.r5、保存霍尔探头16、激光位移传感器13、压力传感器14的数据，获取msma驱动器25在带恒力载荷条件下的驱动输入输出特性。
70.本发明实施例中，该模块化msma驱动性能测试装置能稳定获得多组msma驱动器25的输入磁场强度、输出位移、输出作用力三个物理量的测量数据，有利于分析msma驱动器25在带弹性载荷下的驱动输入输出特性。
71.实施例4
72.基于上述实施例1公开的一种变载荷条件下的模块化msma驱动性能测试装置，针对在变幅变频磁信号条件下，为了获取msma驱动器25的磁-机械耦合特性，测试的具体操作过程如下：
73.t1、利用外置交流电源，加载电流到磁场发生单元后，使msma驱动器25处于磁场发生单元产生的交流磁场内；
74.t2、通过控制输入到第一铜线圈5、第二铜线圈21电流的幅值和频率特性，实现磁场发生单元产生变幅变频的交流磁场信号，从而得到在变幅变频磁信号条件下msma驱动器25的磁-机械耦合特性。
75.本发明实施例中，该模块化msma驱动性能测试装置能稳定获得多组msma驱动器25的输入磁场强度、输出位移、输出作用力三个物理量的测量数据，有利于分析msma驱动器25在变幅变频磁信号条件下的磁-机械耦合特性。
76.实施例5
77.基于上述实施例1公开的一种变载荷条件下的模块化msma驱动性能测试装置，利用外置交流电源，加载电流到磁场发生单元后，使msma驱动器25处于磁场发生单元产生的交流磁场内，从而得到在磁场发生单元提供的磁场强度激励下msma驱动器25的输出位移，具体实验数据结果如图6所示。
78.本发明实施例中，施加的恒力载荷范围为0n～15n。该模块化msma驱动性能测试装置能稳定获得多组msma驱动器25的输出位移，有利于分析msma驱动器25在带恒力载荷条件下的驱动输入输出特性。
79.由图6可知，当恒力载荷为0n时，msma驱动器25在外加磁场强度的诱导下，能达到1.1mm左右的最大输出位移。随着恒力载荷的逐渐增大，msma驱动器25的最大输出位移逐渐减小，且需要更大的临界磁场强度诱导才会产生输出位移。
80.综上所述，使用磁场、位移、力三种传感器采集数据，利用磁控形状记忆合金的输出位移和弹簧的回复力驱动第二基座23前后移动，进而达到驱动器的效果，通过控制磁场发生装置输入电流的幅值和频率，间接控制材料所处的交流磁场强度输入特性，可以研究输入磁场强度与材料的输出位移、输出作用力的关系特性，从而研究磁控形状记忆合金材料的磁-机械耦合特性和在恒力载荷、弹性载荷下的驱动器输入输出特性。
81.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。