用于纹理识别与重建的铁镓合金触须传感器阵列

受动物触须传感机制的启发,结合铁镓合金(Galfenol)对物体表面纹理高度信息的优良感知能力,设计制作一种铁镓合金触须传感器单元,并将其集成为4×2阵列。基于力学、电磁学理论和压磁方程建立了传感器单元输出电压模型,描述了输出电压与物体表面纹理高度的关系。实验测试了传感器单元的静态和动态特性。设计的传感器单元能够检测物体表面0.01~1.6 mm纹理高度变化,灵敏度为243.3 mV/mm,且具有较快的响应时间(26 ms)和恢复时间(25 ms)。将传感器单元与阵列装载在机械手上滑过具有不同纹理的样品表面,利用输出电压波形可识别与重建样品表面纹理。结果表明,设计的传感器阵列能够高精度地感知物体表面纹理信息,进而指导机械手调整操作策略,完善人机交互过程。

变压应力条件下铁镓合金棒材高频磁特性测试与模型构建

高频大功率磁致伸缩换能器件的输出特性与其所受的压应力密切相关,施加一定的压应力可以提高其核心元件磁致伸缩棒材的磁致伸缩系数,增大器件输出功率,而不合适的压应力会使得器件性能恶化。该文搭建了磁致伸缩材料高频磁特性测试系统,测量了磁致伸缩材料铁镓合金棒材在不同激励条件下(变压应力σ、变励磁频率f和不同磁场强度H)的动态磁特性曲线。结果表明,当频率与磁场强度一定时,随着压应力的增加,高频磁特性中振幅磁导率减小、动态磁滞回线纵向变扁、磁能损耗减少。针对传统磁滞模型无法计及压应力影响的问题,在现有静态J-A磁滞模型的基础上,计及涡流损耗和剩余损耗,并采用分数阶导数修正高频涡流场表达式,建立了高频动态磁滞模型,再引入压应力相关项修正模型参数,得到与外施压应力相关的改进高频动态磁滞模型。将实验数据与模型计算结果进行对比分析,结果表明,在变压应力和高频激励条件下,模型计算结果与实测值吻合较好,最大误差为5.86%,平均误差为3.29%,验证了模型的准确性与可行性。

棒状铁镓合金磁特性测试装置的设计与实验

磁致伸缩水声换能器作为电-机械-声能量转换器件是声呐系统中重要的大功率电磁装置,其核心驱动元件铁镓合金棒需工作在高频(f>1 kHz)激励条件下,为对此类高频大功率磁致伸缩器件的优化设计提供指导,需要准确测试棒材的高频磁特性。以往的测试装置由于高频激励时导磁回路铁损大、励磁回路电阻抗高以及棒材磁导率低等特点,难以保证铁镓合金棒内获得均匀且数值较高的磁通密度。该文基于电磁场理论设计了一种棒状铁镓合金高频高磁通密度磁特性测试装置,首先根据电磁损耗机理选择高频磁心材料并利用参数化扫描的方法优化其尺寸参数,在此基础上,建立三维有限元模型仿真计算棒材内部磁场大小及分布;然后以提高电磁转化效率为目标,设计测试装置的电路部分并依据串联谐振原理进行阻抗匹配;最后制作样机并进行实验测试。结果表明,该测试装置在1 kHz下,磁通密度幅值最高可达0.89 T,比常用的AMH-1M-S动态磁特性测试仪(最高可提供0.1 T磁通密度幅值)提高约9倍,且操作简单、稳定可靠。

双线圈铁镓合金换能器的输出特性

为了探究铁镓合金在不同磁场频率下产生应变和输出能量的变化规律,设计了一种双励磁线圈结构的铁镓换能器,研究了铁镓合金换能器的静态和动态输出特性。基于有限元法计算了铁镓合金换能器上棒状铁镓合金在不同频率下的磁场分布情况。利用磁能与机械能的转换关系,分析了铁镓合金换能器在不同磁场频率下的电磁损耗、磁能存储和输出机械能变化规律。结果表明,随着磁场强度的增加,铁镓合金换能器的静态输出应变和输出位移先线性增大之后趋于饱和。铁镓合金换能器静态输出的最大应变为80×10^(-6),输出的最大位移为3×10^(-6)m。棒状铁镓合金的最顶端和最底端的磁场强度较大,且随着磁场频率的增加而降低;棒状铁镓合金的中间部分磁场强度较小但分布均匀,且随着磁场频率增加而增加。铁镓合金换能器的动态输出位移曲线为蝶形曲线,在磁场频率为50 Hz时,铁镓合金换能器输出的机械能最大为69.598 J/m^3。

棒状铁镓合金磁滞特性和功耗特性分析

铁镓合金的磁滞和功耗特性是研究磁致伸缩换能器工作效率的基础特性。基于霍尔效应和法拉第电磁感应定律设计了一套磁致伸缩材料磁特性自动测试系统,利用该系统分别测试了铁镓合金棒不同磁场频率和不同磁感应强度下的磁滞回线,得知矫顽力和剩磁都随磁场频率和磁感应强度的增加而增加。基于磁滞回线计算了相同磁感应强度在不同磁场频率下的电磁损耗和介质储能,通过对电磁损耗曲线进行拟合,将电磁损耗分离为磁滞、涡流和剩余损耗。结果表明:磁感应强度为1 725 m T时,磁场频率由30 Hz增至70 Hz,电磁损耗和介质储能分别增加了3.24倍和1.96倍,分离后的磁滞、涡流和剩余损耗分别增加了1.33倍、5.26倍和7.35倍。磁滞损耗所占比例由56.87%下降至31.31%,涡流损耗所占比例由32.98%上升至48.69%,剩余损耗所占比例略有上升。对于高频工作条件下的铁镓换能器,通过对铁镓棒切片处理,减小了涡流损耗,提高了铁镓换能器的工作效率。

环形铁镓合金的动态磁滞特性分析

利用AMH-1M-S型动态磁滞特性测试系统测试了铁镓合金的动态磁滞特性。以内径为5.5mm、外径为7.25 mm的环形<100>取向多晶Fe83Ga17合金为测量对象,分别对励磁磁场频率为50、100、200、300、400 k Hz和最大饱和磁密为0.01、0.03、0.05、0.07 T两个方面研究了磁滞曲线和磁特性参数变化规律。实验表明:当励磁磁场频率或最大饱和磁密增加,磁滞曲线变宽、面积增大,剩磁、矫顽力、损耗增加。本文的实验结果为铁镓材料的应用提供了基础参数。

悬臂式铁镓合金振动能量收集的存储方法

基于悬臂式铁镓合金的动力学模型、等效电路模型和伏安特性建立悬臂式铁镓合金振动能量收集装置的输出电压和输出功率模型,设计能量存储电路,搭建了铁镓合金振动能量收集装置实验平台。实验结果表明,在67Hz固有频率、外接17Ω负载时,样机的最大输出功率为116mW,对应的功率密度约为271μW/cm3;电压智能调解电路的最大输出电压可保持在5.1V,且可为锂电池提供4.18V的充电电压,实验验证了振动收集装置的输出电压经过所设计的能量存储电路可有效地为超级电容器和锂电池充电,实现对能量的存储;样机可持续点亮LED灯和数码管,进一步证明了文中涉及的振动收集装置及存储电路的有效性,并为其在无线传感器节点供电中的实际应用提供了基础。

铁镓合金阻抗频率特性测量与分析

通过测量铁镓合金在不同磁场下的阻抗频率特性,确定铁镓合金的柔顺系数S33和磁机械耦合系数K33,为铁镓合金在致动器和换能器等系统中的应用提供设计参考。分别测量棒状样品和片状样品在不同磁场下的阻抗频率特性,确定共振频率和反共振频率,计算S33和K33,并将片状样品与棒状样品特性参数进行对比分析。结果表明,片状和棒状样品的S33和K33随磁场的增加先增大后减小,在同一磁场下片状样品的柔顺系数小于棒状样品,片状样品的磁机械耦合系数大于棒状样品。

多场耦合效应铁镓合金换能器的非线性模型

本文基于热力学理论和J-A模型,建立了铁镓合金换能器的多场耦合非线性模型,利用此模型研究了铁镓合金换能器在不同温度和压应力下动静态输出应变及磁化强度与驱动磁场的关系。研究表明:随着铁镓合金换能器工作温度升高,铁镓合金换能器输出的最大应变减小;随着铁镓合金换能器的压应力增大,输出的最大应变增大,磁滞曲线面积减小,最大磁化强度减小,磁滞减弱。铁镓合金换能器的动态输出应变曲线为蝶形,且驱动磁场频率越高,输出应变越小,磁滞效应越明显。与实验结果对比发现,所建立的多场耦合非线性模型能够很好地描述铁镓换能器的实际工作状态,为磁致伸缩换能器的设计和发展提供了重要的理论依据。

铁镓合金电磁损耗分析

铁镓合金电磁损耗分析是高频铁镓合金导波激励装置、超声换能器以及振动主动控制结构的研究基础,因此分析铁镓合金在高频(磁场频率50 k Hz～400 k Hz)情况下的电磁损耗至关重要。采用AMH-1M-S型动态磁特性测试系统测量了环形铁镓合金在不同情况下的磁滞回线:相同磁场强度下不同交变励磁磁场频率、相同交变励磁磁场频率下不同磁感应强度、相同磁感应强度下不同交变励磁磁场频率。分别分析了上述情况下环形铁镓合金振幅磁导率变化规律以及介质储能和电磁损耗的变化情况。实验结果表明,在相同磁场强度为400 A/m时,励磁磁场频率由1 k Hz～200 k Hz,振幅磁导率下降了53.68%,电磁损耗增加了283倍;在相同励磁磁场频率100 k Hz时,磁感应强度由0.01 T～0.05 T,振幅磁导率增加了33.55%,介质储能与电磁损耗分别增加了18.13倍和25.97倍;在相同磁感应强度为0.05 T时,励磁磁场频率由50 k Hz～400 k Hz,振幅磁导率减小了39.73%,电磁损耗增加了16.9倍。此项研究为高频铁镓合金换能器设计与优化提供了实验数据基础。

压应力下铁镓合金动态磁滞曲线的测试与分析

铁镓合金的磁滞特性和电磁损耗是材料应用的基础。基于安培定律和法拉第电磁感应定律设计了一套简易的测试装置,运用该装置准确地测试了铁镓合金棒在不同磁场频率和压应力下的磁滞曲线,分析了矫顽力和电磁损耗的变化情况。结果表明,铁镓合金棒在恒定的压应力作用下,随着磁场频率的增加,磁滞曲线面积增大,矫顽力和电磁损耗增大;铁镓合金棒在恒定的磁场频率下,随着压应力增大,磁滞曲线面积减小,矫顽力和电磁损耗增大。

应用于触觉传感器的片状铁镓合金材料特性研究

触觉传感器对于推动机器人智能化发展具有重要作用,应用新型智能敏感材料开发先进的触觉传感器势在必行。新型铁镓合金(Fe83Ga17)具有拉伸强度高、延展性好、磁致伸缩大和机电耦合效率高等优点,可作为磁致伸缩触觉传感器的敏感元件。本文利用COMSOL多物理场仿真软件,建立了片状铁镓合金的悬臂梁模型,分析了梁在不同磁场强度和受力时磁感应强度的变化情况。通过对铁镓合金材料特性的测试和探究,确定了其作为磁致伸缩触觉传感器核心换能元件的适用性,为更好的设计和优化磁致伸缩触觉传感器,提高传感器的输出性能奠定了基础。

基于Fe-Ga合金丝的柔性触觉传感器阵列设计与输出特性

基于生物皮肤的触觉感知机理和维拉利效应,以铁镓(Fe-Ga)合金丝为核心传感元件,设计了一种新型的触觉传感单元和柔性触觉传感器阵列,可用于测试机械手的接触力。根据线性压磁方程和电磁学理论,建立了触觉传感单元的接触力检测模型,制作了触觉传感单元和柔性触觉传感器阵列样机,并通过实验对其输出特性进行了验证。结果表明:触觉传感单元在0~3 N范围内,灵敏度为127 mV/N,且动态性能良好。将2个2×2柔性传感器阵列安装于机械手的柔性指节处,夹取具有柱面特征和球面特征的物体,全部触头均接触到目标物体,实现了在智能机械手的曲面装载和精确感知要求。

铁镓驱动弯曲圆盘换能器设计及振动特性研究

为了研究新型磁致伸缩材料——铁镓合金(Galfenol)在换能器中应用,本文设计了一种低频弯曲圆盘换能器。借助有限元软件仿真分析换能器振动模态,对换能器结构参数进行优化设计,并研制了换能器样品。利用激光测振仪测量了换能器空气中模态及不同电流驱动下振动位移,测得振动模态与仿真结果吻合,换能器空气中共振频率为913 Hz,辐射头能够产生的最大振动位移达到93μm,磁致伸缩材料达到饱和应变。结果表明:铁镓材料能够驱动弯曲圆盘换能器大振幅振动;铁镓作为磁致伸缩换能器驱动材料具有较好的应用前景。

Fe81Ga19磁致伸缩合金的动态磁导率研究

研究了Fe81Ga19磁致伸缩合金在不同的偏置磁场和频率下的动态磁导率。在低频或准静态下,该合金的磁导率能够达到160以上,但随频率增加,磁导率逐渐下降,频率大于6 KHz时,磁导率的下降减缓,并逐渐趋于稳定。当施加平行偏置磁场时,磁导率明显降低,而施加垂直偏置磁场时,与零偏置磁场相比,磁导率除较低频率段有少量的下降外,基本保持不变。

基于Fe-Ga合金敏感栅式应力传感器

针对现有磁致伸缩应力传感器的不足,设计了一种铁镓(Fe-Ga)合金敏感栅式应力传感器。传感器由Fe-Ga片、霍尔元件、线圈及U型磁芯构成,其中,Fe-Ga片设计为大柔度的敏感栅结构。建立了传感器在应力作用下的输出特性模型,利用有限元软件对不同应力、不同线圈电流作用下的传感器输出电压特性进行仿真分析,最后通过实验验证了输出特性模型、有限元仿真结果的准确性及传感器的可行性。实验结果表明:对0.10,0.15,0.20 A的激励电流,传感器拉力灵敏度分别为9.12,8.7,8.52 mV/MPa,压力灵敏度分别为7.08,7.34,7.49 mV/MPa,传感器灵敏度高,有较好的应用研究价值。

考虑铁镓磁特性的换能器输出位移模型与试验

磁致伸缩换能器的换能机制与外加驱动磁场、材料的磁致伸缩特性有不可分割的关系,换能器的输出位移取决于磁致伸缩材料的磁特性、外加磁场、变幅杆等方面。根据等效电路法和平方近似模型,结合材料磁特性和变幅杆振动方程,建立了换能器的输出位移模型,设计了一种无偏置磁场的窗式铁镓磁致伸缩换能器。对铁镓合金材料进行了静态、动态磁特性测量。搭建了试验测试系统,对换能器样机进行了试验测试,完成了模型验证。结果表明:换能器的输出位移幅值理论曲线和试验曲线基本吻合,验证了模型的准确性;在激励电流为2 A、谐振频率为12.4 kHz时,换能器的输出位移幅值为8.22μm。该研究建立的模型和所得结论对换能器的优化设计和输出特性分析具有一定的指导意义。

铁镓材料磁致伸缩换能器的结构设计与优化

介绍了一种新型双棒结构的磁致伸缩换能器,分析了影响装置磁场分布的结构参数的大小。根据仿真分析,确定选择导磁体的材料为硅钢片,厚度为10 mm,磁致伸缩棒的直径为10 mm,并针对换能器的结构优化,设计了界面友好、简化的用户操作界面,为日后的计算分析提供了方便。

基于磁致伸缩超声换能的偏置磁场设计仿真测试技术研究

本文旨在研究偏置磁场大小及位置在磁致伸缩式换能器中的影响。通过介绍磁致伸缩换能器原理,设计磁致伸缩超声导波激励方案。选用直径1 mm的铁镓合金磁致伸缩材料作为测试波导,应用COMSOL有限元仿真软件对磁致伸缩效应与超声传播特性进行仿真,得出当永磁体距离线圈7 mm时,磁通密度约为1 T,此时换能器效率达到最大。最后,设计永磁体距离线圈0~9 mm时的超声激励实验,通过对比超声激励信号的幅值,验证永磁体位置为7 mm,磁通大小为1 T时,换能器效率达到最大,为进一步设计磁致伸缩式超声温度传感器奠定基础。

磁致伸缩压力传感器设计及其输出特性

研究了铁镓合金(Galfenol)的磁致伸缩特性,提出一种基于Galfenol的新型磁致伸缩压力传感器,以实现机器人的触觉力精确感知。该传感器利用磁致伸缩逆效应将压力转换为电压信号,从而完成对压力的精确测量。设计、制作了磁致伸缩压力传感器,采用双永磁体回形磁路优化了压力传感器的磁场。对传感器进行了理论分析与实验研究,讨论了偏置条件、外压力等因素对输出电压峰值的影响。实验结果表明,在偏置磁场为4.8kA/m、施加的压力为2.5Hz、6N时,传感器的输出电压峰值达16mV,且输出电压峰值与压力呈较好的线性关系。研制的传感器具有结构简单、线性度好、反应速度快等特点,可以满足机器人触觉感知的需求,也可应用于其他领域的压力测量。