判別磁致伸縮執行器發熱方式的系統與方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于磁致伸縮執行器溫度測量領域，主要涉及一種判別磁致伸縮執行器發 熱方式的系統及方法，特別是涉及一種在中低頻率范圍內判別磁致伸縮執行器發熱類型的 系統與方法。
【背景技術】
[0002] 磁致伸縮材料是20世紀70年代出現的新型稀土功能材料，該材料是繼稀土永 磁、稀土發光、稀土高溫超導材料之后被視為21世紀提高國家高科技綜合競爭力的一種新 型戰略性功能材料。磁致伸縮效應是該材料的重要物理特性之一，磁致伸縮效應是指鐵磁 材料或亞鐵磁材料受到外加磁場作用后，由于其磁化狀態的改變，其長度和體積都要發生 微小變化的現象。同時由于該材料具有大磁致伸縮系數、能量密度高、響應快、較高的磁機 轉換效率和抗壓特性，所以利用磁致伸縮材料的特性和磁致伸縮效應可以制作微位移執行 器，即磁致伸縮執行器。磁致伸縮執行器具有輸出位移范圍大、漂移小、結構簡單、易于驅 動、工作頻率范圍寬等優點，因此磁致伸縮執行器在聲納系統中得到了廣泛的應用，并且在 精密加工、超精密加工、流體機械等工程領域顯示出了良好的應用前景。
[0003] 磁致伸縮執行器作為一種微小位移驅動裝置，其輸出精度必須要嚴格控制，因此 在應用于工程之前要對其輸出特性和影響輸出特性的因素進行研究。磁致伸縮材料是一種 對溫度十分敏感的功能材料，環境溫度的改變將會影響磁致伸縮材料的磁機轉換效率進而 影響機械性能輸出。執行器在交流驅動下，由于渦流效應和線圈產生的焦耳熱會使執行器 的溫度升高，在高頻下渦流效應引起溫升會非常明顯，但是在中低頻率范圍內如何判別磁 致伸縮棒的渦流熱和線圈的焦耳熱是一個難題。隨著執行器溫度的升高，磁致伸縮材料會 產生熱膨脹效應進而產生熱應力，由壓磁效應可知應力的作用會使磁致伸縮材料的磁導率 發生變化，從而影響執行器的輸出特性。所以需要對磁致伸縮執行器采取冷卻措施，來使執 行器達到最佳的工作溫度。然而由于渦流熱和由焦耳熱的溫升特性不同，相對應的冷卻措 施也不同，因此，為了使冷卻效果達到最佳，判斷執行器在某一特定頻率范圍內發熱類型是 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行器主要熱源給出明確的方法。目前在磁致伸縮執行器領域尚 未有如何判斷執行器在某一特定頻率下發熱類型方法的報道。
【發明內容】
[0005] 發明目的
[0006] 為了解決在磁致伸縮執行器領域如何判斷在中低頻率范圍內磁致伸縮執行器的 發熱類型。本發明設計了一個以磁致伸縮執行器為被測對象、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，以及利用該系統判斷磁致伸縮執行器在中低 頻率范圍內發熱類型的方法。
[0007] 技術方案
[0008] -種判別磁致伸縮執行器發熱方式的系統，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 儀和磁致伸縮執行器均設置在實驗臺上，供電電源與多通道溫度顯示儀均通過導線連接磁 致伸縮執行器，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溫度傳感芯片的導線經過純鐵下片和鋼圈由執行器的下端引出。
[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 圈骨架的內壁的中間位置。
[0011]用上述判別磁致伸縮執行器發熱方式的系統判別磁致伸縮執行器發熱方式的方 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，開始向執行器提供激勵；此時執行器線圈在激勵的作用 下會產生磁場，磁場激勵磁致伸縮棒進行工作輸出；線圈由于存在激勵會產生發熱，磁致伸 縮棒由于渦流效應會產生渦流熱。
[0015] (4)在執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值。
[0016] (5)執行器工作2~5min關閉電源，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。
[0017] (6)執行器斷電后每間隔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。
[0018] (7)使激勵頻率按照100Hz為一個梯度增加的方式重復步驟⑴一步驟（6)各步 操作，觀察各個頻率下執行器的溫升特性；
[0019] (8)對采集的數據進行處理和分析。
[0020] 上述步驟（6)記錄溫度讀數后，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壁溫度，執行器斷電之后磁 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一個峰值后下降，則 判斷在該激勵下執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一個峰值后下降，則判斷在該激 勵下執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升高，則判斷在該激勵下執行器的 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， 則此時執行器的發熱類型為線圈的焦耳熱。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明結構示意圖。
[0026] 圖2為傳感芯片貼附位置示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 本發明涉及一種判別磁致伸縮執行器發熱方式的系統及方法，下面結合附圖對本 發明做進一步的說明：
[0028] 測試系統的搭建：
[0029] 本系統由實驗臺23、供電電源22、多通道溫度顯示儀21、磁致伸縮執行器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 和磁致伸縮執行器20均設置在實驗臺23上，供電電源22與多通道溫度顯示儀21均通過 導線連接磁致伸縮執行器20,PtlOO溫度傳感芯片5與磁致伸縮棒的表面直接接觸。
[0030] 由于磁致伸縮執行器工作時激勵線圈需要通恒定的激勵電流來產生定量和穩定 的磁場；執行器在工作過程中需要供電電源具有提供恒定激勵、快速響應和過載保護的基 本功能。因此，本測試系統采用日本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生感應電流即渦流，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電流的 的影響需要在應變片引腳與導線連接處及整個引腳進行絕緣密封處理。本系統中采用熱縮 管對引腳和連接處進行絕緣處理。連接PtlOO溫度傳感芯片的導線經過純鐵下片和鋼圈由 執行器的下端引出。
[0032] PtlOO溫度傳感芯片在_200°C到500°C之間時應變片的阻值與溫度的變化存在著 一定的線性關系，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] 本發明中被測執行器為軸對稱結構：由傳遞軸1、不銹鋼頂蓋2、蝶形彈簧3、不銹 鋼上蓋4、上導磁滑塊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、等基本元件構成。具體裝配方式見圖2。
[0035] 該執行器的核心部分是圓柱狀的磁致伸縮棒和激勵線圈。在執行器中激勵線圈安 裝在純鐵套筒8內腔，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磁滑塊 11，下導磁滑塊11與線圈骨架7內壁相接觸，磁致伸縮棒10安裝在下導磁滑塊11的上部 凹槽內，其下端與下導磁滑塊11相接觸，上端與上導磁滑塊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行器的發熱方式有兩種，分別是磁致伸縮棒產生的渦流熱和 線圈產生的焦耳熱。當通入交流電Idsincot時，兩種發熱類型的發熱量分別為：
[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：當線圈中通入I=I^sincot的電流時，根據畢奧一薩 伐爾定律磁感應強度B大小為：
[0041 ]B=y0nl=y0nl0sinc〇t(2)；
[0042] 式中y。為磁致伸縮棒的磁導率、n為線圈匝數、I為通入線圈的交流電流大小。線 圈通電所產生的最大磁感應強度1^為：
[0043]Bm=y〇nI〇 (3)；
[0044] 假設放入線圈中的是半徑為r高度