超磁致伸縮材料在精密驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用

超磁致伸縮材料在精密驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用

功能材料超磁致伸材料壓陶瓷、形狀記憶金、磁速擴(kuò)展材料的應(yīng)用，以及基于精裝機(jī)、精確檢測和精確控制的精細(xì)微驅(qū)動(dòng)程序解決方案，可以依靠智能材料的功能來實(shí)現(xiàn)。不僅使結(jié)構(gòu)變得緊湊簡捷、精密微驅(qū)動(dòng)作業(yè)能夠滿足更高的要求,而且精度由傳統(tǒng)的微米級提高到納米級。上述各種功能材料有著各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。超磁致伸縮材料作為一種新型功能材料,具有大磁致伸縮系數(shù)、高能量密度、低磁場驅(qū)動(dòng)、高磁機(jī)轉(zhuǎn)換效率以及快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。該材料具有強(qiáng)磁致伸縮正效應(yīng)、逆效應(yīng)以及正逆耦合效應(yīng),表現(xiàn)出雙向能量轉(zhuǎn)換特性。利用磁致伸縮正效應(yīng)可制作驅(qū)動(dòng)器或振動(dòng)器,實(shí)現(xiàn)力、微位移驅(qū)動(dòng)或振動(dòng)控制;利用磁致伸縮逆效應(yīng)可制作傳感器,實(shí)現(xiàn)力、力矩和位移等物理量的感知;利用磁致伸縮正逆耦合效應(yīng),可以開發(fā)集驅(qū)動(dòng)、力測量、輸出力感知和輸出力可控等功能于一體的精密驅(qū)動(dòng)器件。筆者從超磁致伸縮材料應(yīng)用形式分類為切入點(diǎn),分析了超磁致伸縮材料磁致伸縮正效應(yīng)、逆效應(yīng)以及正逆耦合效應(yīng)的機(jī)理,按照功能對利用各種效應(yīng)開發(fā)的器件原理及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析與闡述。1材料：超級磁脹1.1超磁致伸材料鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變,其長度和體積都要發(fā)生微小的變化,這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象。20世紀(jì)70年代初,美國海軍水面武器中心A.E.Clark博士和Iowa大學(xué)Ames稀土材料研究所合作開發(fā)出了成分為Tb0.3Dy0.7Fe1.95的磁致伸縮材料,由于其磁致伸縮系數(shù)比一般磁致伸縮材料高約102~103倍,故稱之為超磁致伸縮材料(giantmagnetostrictivematerials,簡稱GMM)。GMM按組成分類主要有稀土金屬、稀土-過渡金屬化合物、稀土氧化物、錒系金屬化合物和超磁致伸縮復(fù)合材料。GMM按材料形狀大體分為兩種:a.超磁致伸縮棒材具有優(yōu)于傳統(tǒng)材料以及壓電材料的特點(diǎn),其磁致伸縮應(yīng)變大、能量密度高、機(jī)磁(電)耦合系數(shù)大、響應(yīng)速度快、輸出力大、頻率特性好、頻帶寬、居里溫度高、逆磁致伸縮效應(yīng)明顯;b.超磁致伸縮薄膜利用超磁致伸縮靶材,通過物理沉積的方式在非磁性基片上制備出具有磁致伸縮能力的薄膜材料,它具有體積小、性能穩(wěn)定、可靠性高、高頻響應(yīng)快和靈敏度高等特點(diǎn)。1.2雙向能量轉(zhuǎn)換GMM具有強(qiáng)磁致伸縮正效應(yīng)和磁致伸縮逆效應(yīng),在工作過程中表現(xiàn)出雙向能量轉(zhuǎn)換特性。GMM磁致伸縮正、逆效應(yīng)現(xiàn)象較為復(fù)雜,從磁致伸縮表現(xiàn)形式及產(chǎn)生原因的角度出發(fā),能較為清楚地理解磁致伸縮正、逆效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理。1.2.1材料磁致撕裂的物理過程稀土鐵磁材料及亞鐵磁材料在外加磁場作用下,磁化狀態(tài)的改變引起尺寸發(fā)生微小的變化,這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮正效應(yīng)(又稱Joule效應(yīng))。磁致伸縮的產(chǎn)生源于3個(gè)方面,即自發(fā)變形、形狀效應(yīng)和場致變形。自發(fā)變形和形狀效應(yīng)的產(chǎn)生是材料本身固有的,不受外磁場的影響。場致變形是由自旋與軌道耦合能和物質(zhì)的彈性能平衡而產(chǎn)生的,與磁化過程密切相關(guān),并且隨應(yīng)力變化而變化。通常所說的磁致伸縮是指由場致變形引起的,外磁場作用下材料尺寸發(fā)生變化的微觀過程如圖1所示。磁致伸縮過程中磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,在無機(jī)械約束時(shí)通常以位移的形式輸出,如圖2所示。在有機(jī)械約束時(shí)以位移和力的形式輸出,如圖3所示。利用磁致伸縮正效應(yīng)可制作執(zhí)行器,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能,應(yīng)用在精密與超精密加工、流體機(jī)械、直線馬達(dá)、聲吶系統(tǒng)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。1.2.2磁致撕裂逆效應(yīng)鐵磁性材料受到機(jī)械力作用,材料產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力同時(shí),內(nèi)部的磁化狀態(tài)也隨之改變,導(dǎo)致磁導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓磁效應(yīng),即磁致伸縮逆效應(yīng)(又稱Villari效應(yīng))。鐵磁材料發(fā)生磁致伸縮逆效應(yīng)時(shí),磁化強(qiáng)度及磁通密度發(fā)生變化,在該過程中機(jī)械能轉(zhuǎn)換成磁能,如圖4所示。若GMM棒材外部纏有線圈,變化的磁通密度將引起法拉第效應(yīng),產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,如圖5所示。利用磁致伸縮逆效應(yīng)可制作力和位移等傳感器。隨著研究的深入,已從傳統(tǒng)的力學(xué)、磁學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到了聲學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等新型應(yīng)用領(lǐng)域。1.2.3機(jī)械約束作用下的磁致伸磁致伸縮材料具有雙向能量轉(zhuǎn)換的功能,當(dāng)GMM工作在機(jī)械約束條件下,磁場作用會使GMM發(fā)生磁致伸縮正效應(yīng),GMM產(chǎn)生輸出位移的同時(shí)也有力輸出,機(jī)械約束的反作用力使GMM發(fā)生磁致伸縮逆效應(yīng),對其內(nèi)部磁化狀態(tài)產(chǎn)生影響。由于磁致伸縮正效應(yīng)與逆效應(yīng)的同時(shí)存在,使GMM中原本互相獨(dú)立的兩個(gè)子系統(tǒng)———磁系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)發(fā)生耦合。若通過改變磁場強(qiáng)度和磁通密度來增加材料的磁能,則增加的磁能中將有一部分轉(zhuǎn)換為彈性能,導(dǎo)致材料的應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生變化;反之,如果通過改變材料的應(yīng)力和應(yīng)變來增加材料的彈性能,則增加的彈性能中也將有一部分轉(zhuǎn)變成材料的磁能。因此,利用GMM在機(jī)械約束狀態(tài)下存在的磁致伸縮正逆效應(yīng)耦合的特性,可實(shí)現(xiàn)在向外界輸出力的過程中同時(shí)對輸出力進(jìn)行感知,以及實(shí)現(xiàn)對輸出力的可控功能,開發(fā)具執(zhí)行和傳感功能于一體的磁致伸縮器件。由于磁致伸縮正逆耦合效應(yīng)的解耦過程十分復(fù)雜,制約了傳感執(zhí)行功能一體化器件的研發(fā)。2超磁膨脹裝置的研究和應(yīng)用2.1gmm測量技術(shù)研究利用GMM的磁致伸縮逆效應(yīng),可以實(shí)現(xiàn)材料在傳感方面的應(yīng)用。目前,關(guān)于GMM的磁致伸縮逆效應(yīng)特性的應(yīng)用研究按感知物理量分類,主要分為力矩測量、力測量、位置測量以及電能收集等方面。使用GMM實(shí)現(xiàn)對某些非電量的測量始于19世紀(jì),發(fā)展于20世紀(jì)后期。現(xiàn)已從最初的應(yīng)力、應(yīng)變、磁場傳感器擴(kuò)展到水聲換能器、電聲換能器、磁彈性延遲線數(shù)字化儀、磁聲鍵盤系統(tǒng)、生物機(jī)械傳感器和呼吸傳感器等,應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。2.1.1非接觸應(yīng)力檢測使用GMM棒材或是將超磁致伸縮非晶帶纏繞在軸上可制成非接觸式的力矩傳感器。它是基于力矩施加在軸上產(chǎn)生和軸線呈±45°的相反符號的+τ和-τ應(yīng)力的原理制成的。當(dāng)在GMM軸或磁致伸縮非晶帶軸上施加力矩,沿著+τ和-τ方向上的磁特性就會改變(韋德曼效應(yīng))。應(yīng)用如圖6所示的一套正交線圈,采用微分方式或直接采用單個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器及類似的磁強(qiáng)計(jì)即可檢測出磁特性的變化。這種類型的傳感器可應(yīng)用于汽車和航空工業(yè)的遙控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。應(yīng)用GMM在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下產(chǎn)生磁導(dǎo)率變化的原理,設(shè)計(jì)出非接觸力矩傳感器。其原理是采用激勵(lì)線圈提供交流激勵(lì)磁場,并將兩個(gè)傳感線圈串接在鉆頭上,如圖7所示,一個(gè)線圈在排屑槽上,另一個(gè)在鉆柄上(柄的磁導(dǎo)率變化要小于槽的磁導(dǎo)率變化),工作力矩由兩個(gè)感應(yīng)線圈檢測出來。因施加轉(zhuǎn)矩使鉆頭磁導(dǎo)率變化,在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生的微分電壓形成了傳感器輸出量。由于磁性的鋼材或合金有很強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度,因此其檢測對靈敏度要求不高。2.1.2磁致撕裂力傳感器利用GMM的磁致伸縮逆效應(yīng),使用晶態(tài)或非晶態(tài)GMM構(gòu)建力傳感器,實(shí)現(xiàn)力的測量。美國韋恩州立大學(xué)學(xué)者Kleinke和Uras利用兩個(gè)柱狀18#鋼作為敏感元件,分別設(shè)計(jì)了非接觸式和接觸式磁致伸縮力傳感器,如圖8所示。當(dāng)受外力作用時(shí),非接觸式磁致伸縮力傳感器底部應(yīng)變元件發(fā)生形變,使整個(gè)磁路中磁場狀態(tài)發(fā)生改變,檢測線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電壓,實(shí)現(xiàn)力測量。對于接觸式磁致伸縮力傳感器,力作用使敏感元件產(chǎn)生形變并引起磁路狀態(tài)發(fā)生變化,通過監(jiān)測線圈中的感應(yīng)電壓實(shí)現(xiàn)對力的測量。圖9(a),(b)分別為磁致伸縮力傳感器的剖視圖和機(jī)械模型。文獻(xiàn)以鎳鐵合金作為敏感元件,采用降噪自感的方法設(shè)計(jì)了一種環(huán)形磁致伸縮力傳感器。該力傳感器克服了對外界電磁干擾敏感性的問題,設(shè)計(jì)達(dá)到了凈零的效果,如圖10所示。Toriia等采用Tb-Dy-Co超磁致伸縮薄膜研制了一種微型力傳感器,該微型傳感器結(jié)構(gòu)輕小、設(shè)計(jì)新穎,如圖11所示。河北工業(yè)大學(xué)閆榮格等以GMM棒作為敏感元件,采用永磁鐵作為預(yù)磁化場,設(shè)計(jì)了測量靜態(tài)力的磁致伸縮力傳感器,如圖12所示。通過高斯計(jì)直接檢測空氣隙中磁通密度變化情況,實(shí)現(xiàn)力測量,省略了電磁信號的放大環(huán)節(jié),簡化了裝置結(jié)構(gòu),同時(shí)避免了直流電源引起的發(fā)熱問題。大連理工大學(xué)的賈振元等利用軟磁坡莫合金作為磁彈性材料,研制了壓磁式力傳感器并設(shè)計(jì)了相關(guān)的測試系統(tǒng)。2.1.3永磁鐵和gmm導(dǎo)電相互作用應(yīng)用GMM棒和聲學(xué)波導(dǎo)可研制出磁致伸縮波導(dǎo)位置傳感器,結(jié)構(gòu)如圖13所示。其工作原理是利用永磁鐵和GMM波導(dǎo)的相互作用使材料特性發(fā)生改變,利用這一特性即可實(shí)現(xiàn)位置的檢測。2001年,大連理工大學(xué)賈振元等利用GMM研制了磁場與位移自感知型超磁致伸縮微位移器件及控制系統(tǒng),如圖14所示。2.1.4圖1:美國監(jiān)獄警察-區(qū)Davino等研究了磁致伸縮能量收集裝置,實(shí)驗(yàn)裝置如圖15所示。通過時(shí)域測量,分析了影響總收集能量的偏置磁場、外界負(fù)載等參數(shù)對機(jī)械阻尼的影響,研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)從小機(jī)械振動(dòng)中收集更多的能量提供了很好的指導(dǎo)性。2.2控制系統(tǒng)的研制利用GMM磁致伸縮正效應(yīng)可以研制各種執(zhí)行器件,具有溫度范圍寬、低壓可操作性、無纜驅(qū)動(dòng)、輸出力大、頻響相對平滑、響應(yīng)速度快、響應(yīng)頻率和控制精度高等特點(diǎn)。根據(jù)執(zhí)行器的輸出形式可分為微位移執(zhí)行器和力執(zhí)行器。Etrema公司針對不同需求設(shè)計(jì)了多種執(zhí)行器,例如,一種GMA輸出位移和力可達(dá)250μm和2.2kN,工作頻率可達(dá)2.5kHz,工作溫度范圍為-20~100℃。2007年,韓國機(jī)械與材料研究所Moon等研制了一種線性磁致伸縮執(zhí)行器及具有線性二次反饋控制器的實(shí)時(shí)數(shù)字控制系統(tǒng),線性位移范圍可達(dá)到27μm,如圖16所示。2008年,日本Toshiyuki等利用Galfenol針作為驅(qū)動(dòng)單元制成微型磁致伸縮振動(dòng)器,如圖17所示。在高于30kHz的帶寬下,位移可達(dá)1.2μm,此振動(dòng)器可作為揚(yáng)聲器。國內(nèi),2001年,大連理工大學(xué)賈振元等采用GMM研制的磁場與位移自感知型超磁致伸縮微位移執(zhí)行器,執(zhí)行器的響應(yīng)頻率可達(dá)1kHz,輸出精度可達(dá)0.3μm。浙江大學(xué)和河北工業(yè)大學(xué)也開發(fā)了超磁致伸縮微位移執(zhí)行器,并使用DSP研制了控制器。2009年,中國計(jì)量學(xué)院周浩淼等建立了一種適用于超磁致伸縮棒材和薄膜的通用型磁致伸縮本構(gòu)模型,該模型可描述不同預(yù)緊力作用下材料產(chǎn)生的最大磁致伸縮應(yīng)變及飽和磁致伸縮應(yīng)變。2.3力感知、輸出力可控利用GMM的磁致伸縮正效應(yīng)、逆效應(yīng)以及正逆耦合效應(yīng),可實(shí)現(xiàn)執(zhí)行功能、力測量的傳感功能、輸出力感知以及輸出力可控等功能。Pratt等提出了磁致伸縮自感知執(zhí)行器的概念,并嘗試用于主動(dòng)隔振。Fenn等將磁致伸縮執(zhí)行器用于振動(dòng)被動(dòng)控制和速度感知。國內(nèi),大連理工大學(xué)和浙江大學(xué)也在進(jìn)行基于GMM的自感知執(zhí)行器研究。2007年,德國薩爾大學(xué)的Kuhnen等研制了集執(zhí)行和傳感一體的GMM自感知驅(qū)動(dòng)器,并研究了其積分控制算法,如圖18所示。此研究的核心是基于算子信號處理思想與積分反饋控制器相結(jié)合,這便產(chǎn)生了所謂的積分反饋控制的自感知磁致伸縮執(zhí)行器。這種控制方法不需要外部的位移或力傳感器,也能很好地補(bǔ)償由于執(zhí)行器剛度有限而引起的滯后效應(yīng)。大連理工大學(xué)賈振元等以GMM棒為驅(qū)動(dòng)元件,研究了一種具有驅(qū)動(dòng)、力測量、輸出力感知和輸出力可控等多種功能于一體的磁致伸縮器件。通過研究超磁致伸縮材料工作過程中磁致伸縮正逆耦合作用機(jī)理,從超磁致伸縮材料內(nèi)部能量角度出發(fā),建立了正逆耦合作用下,輸出位移與力和磁化強(qiáng)度的關(guān)系,如式(1)所示,為實(shí)現(xiàn)輸出力感知、輸出力可控過程中對控制電流的求解提供了理論依據(jù)。當(dāng)GMM棒內(nèi)磁化強(qiáng)度已知時(shí),根據(jù)GMM棒的輸出力,利用式(1)可以確定GMM棒產(chǎn)生的位移。當(dāng)GMM棒內(nèi)磁化強(qiáng)度已知時(shí),根據(jù)GMM棒的位移,利用式(1)可以確定GMM棒的輸出力。為了方便描述磁致伸縮正逆效應(yīng)耦合作用,對耦合過程進(jìn)行了簡化,即在研究過程中忽略比較微弱的磁致伸縮正逆效應(yīng)的第2次、3次、……耦合作用,只考慮磁致伸縮正效應(yīng)和逆效應(yīng)之間發(fā)生的第1次耦合作用。此時(shí)GMM棒內(nèi)的總磁化強(qiáng)度M由只與工作磁場有關(guān)的磁化強(qiáng)度部分MH和只與應(yīng)力有關(guān)的磁化強(qiáng)度部分Mσ構(gòu)成。根據(jù)磁化強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之間的關(guān)系、磁化強(qiáng)度與應(yīng)力之間的關(guān)系,經(jīng)過推導(dǎo)最終得到了GMM在磁場和力共同作用下,磁致伸縮正效應(yīng)與逆效應(yīng)耦合后其內(nèi)部總磁化強(qiáng)度與磁場和應(yīng)力的關(guān)聯(lián)關(guān)系磁場強(qiáng)度以及應(yīng)力隨著時(shí)間的變化可分別依據(jù)工作磁場和作用在GMM上的力來確定。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合霍爾效應(yīng)和法拉第電磁感應(yīng)原理,建立力測量過程中霍爾電壓與力的關(guān)系(式(3))、感應(yīng)電壓與力的關(guān)系(式(4)),實(shí)現(xiàn)了力測量的功能。其中:感應(yīng)電壓與GMM棒的橫截面積成反比,與感應(yīng)線圈線圈匝數(shù)、橫截面積及外力變化率成正比;對于固定的GMM棒和感應(yīng)線圈,N,A,Ar保持不變,因此感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電壓只與外力Fe有關(guān)。力測量原理是當(dāng)GMM棒單獨(dú)作為力傳感器中的敏感元件進(jìn)行力測量時(shí),其內(nèi)部磁化狀態(tài)由外力決定;因此,通過檢測磁通密度獲得磁化強(qiáng)度可實(shí)現(xiàn)力測量功能,如圖19所示。為實(shí)現(xiàn)力感知,就要對正逆耦合關(guān)系解耦,以建立的輸出位移與力和磁化強(qiáng)度的關(guān)系(式1)、內(nèi)部磁化強(qiáng)度的量化方程(式2)為基礎(chǔ),提出了兩種硬軟件相結(jié)合的進(jìn)行解耦獲得輸出力的方法。即通過霍爾傳感器或感應(yīng)線圈測得磁通密度,經(jīng)計(jì)算獲得磁化強(qiáng)度,并通過解耦計(jì)算實(shí)現(xiàn)輸出力的感知,實(shí)現(xiàn)原理如圖20所示。針對輸出力可控功能,提出一種利用磁致伸縮正逆耦合效應(yīng)映射關(guān)系求解控制電流與PID結(jié)合的控制方法,開發(fā)了輸出力控制系統(tǒng)。以超磁致伸縮力傳感執(zhí)行器對其自身的輸出力大小進(jìn)行實(shí)時(shí)感知為基礎(chǔ),根據(jù)輸出力目標(biāo),通過調(diào)整工作電流,可實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器輸出力的可控?？刂圃砣鐖D21所示,執(zhí)行器輸出力的控制過程主要包括3部分。第1部分為輸出力的感知:通過霍爾傳感器