精密仪器课程设计

精密仪器课程设计

说明书

学生姓名：段焱

学生学号：06011701XX

开始日期：2009年12月28

报告日期：2009年01月11

指导教师：朱丽

南京理工大学机械工程学院 日 日

目 录

引言………………………………………………………………………………………… 3 1 超磁致伸缩材料与器件…………………………………………………………… 3

1.1 超磁致伸缩材料特性……………………………………………………………………3

1.2 超磁致伸缩器件特性 …………………………………………………………………3

1.2.1 磁致伸缩系数磁场依赖性……………………………………………………………3

1.2.2 磁致伸缩系数压力依赖性……………………………………………………………3

1.2.3 磁致伸缩系数温度依赖性……………………………………………………………4

1.2.4 磁滞及机械加工性能…………………………………………………………………4 2 微动工作台的结构设计…………………………………………………………… 4

2.1 超偏置磁场结构设计……………………………………………………………………4

2.2 预加压应力结构设计……………………………………………………………………5

2.3 器件磁路设计……………………………………………………………………………6

2.4 微动工作台整体设计……………………………………………………………………7 3 测量电路设计………………………………………………………………………… 7

3.1 差动脉冲调宽电路设计…………………………………………………………………7

3.2 放大电路设计……………………………………………………………………………9

3.3 平均值电路设计…………………………………………………………………………9

3.4 整体电路设计……………………………………………………………………………10 4 系统总体设计及特性分析………………………………………………………… 10

4.1 系统总体设计……………………………………………………………………………10

4.2 制动系统数学模型………………………………………………………………………11

4.3 制动系统时域特性分析…………………………………………………………………12

4.4 制动系统误差分析………………………………………………………………………13 5 结论…………………………………………………………………………………… 14 参考文献 ……………………………………………………………………………………15 附录 …………………………………………………………………………………………16 附图1：微动工作台总装图…………………………………………………………………16 附图2：测量电路总原理图…………………………………………………………………17

引 言

微位移技术作为精密机械与仪器的关键技术之一，在微机电系统、纳米制造技术、微电子及纳米电子技术、纳米生物工程等众多高科技领域发挥着越来越多的重要作用。可以采用电磁铁、压电陶瓷等设计出多种微位移执行器，广泛用在精密机械加工、仪器、仪表及减振、隔振系统中。本文设计的微位移机构，采用稀土超磁致伸缩材料作为执行器，它的特点是：高能量密度、体积小、响应快。本文主要介绍了设计方法。包括微动工作台类型的选择，系统总体方案的拟定，驱动方式、工作台控制的设计，以及完成了测量的设计。并对设计的微动系统进行特性分析，最终完成一个微动系统的设计。 1 超磁致伸缩材料与器件

1.1 超磁致伸缩材料特性

稀土超磁致伸缩材料Terfernol—D在电磁场和压应力的作用下，会产生较大的体积或长度变化，与压电陶瓷材料PZT相比，应变量大，在低频段（0—2kHz）应变达1600ppm以上，可以承受较大的压应力（可达200MPa），可以高速（10-6s）实现电磁能与机械能之间的转换。

1.2 超磁致伸缩器件特性

1.2.1 磁致伸缩系数磁场依赖性

磁致伸缩系数仅随外磁场的大小而变，与磁场方向无关。磁致伸缩具有很强的各向异性磁致伸缩在［111］方向具有明显的“跳跃”现象，（即当外加磁场到达某一临界值时，磁致伸缩系数迅速增大的现象）。磁致伸缩系数具有饱和特性，即在外磁场加大到一定的数值后，不随磁场变化。

1.2.2 磁致伸缩系数压力依赖性

对Terfernol—D施加一定大小的预加压应力，在外磁场的激励下，能获得更大的磁致伸缩系数值。

1.2.3 磁致伸缩系数压力依赖性

温度对Terfernol—D的影响十分明显，在20℃—50℃范围内，磁致伸缩系数受温度的影响较小；温度升高，磁致伸缩系数明显减小。

1.2.4 磁滞及机械加工性能

Terfernol—D具有较明显的磁滞现象，这是伴随极大的磁致伸缩材料固有的特性。磁滞的存在，对采用Terfernol—D开发线性器件具有一定的影响。Terfernol—D脆且硬，机械加工较为困难。一般采用磨削、线切割等手段对Terfernol—D进行加工。 2 微动工作台的结构设计

根据超磁致伸缩材料的磁特性，微动工作台（即其驱动器的机械结构）示意图如图

1。驱动器有超磁致伸缩棒、轭铁、螺线管线圈、永磁铁、壳体等构成。其中线圈通过电流产生磁场，使超磁致伸缩棒产生长度变化，线圈磁场及偏置磁场通过轭铁构成磁路。永磁铁产生偏置磁场，是驱动器再现性段动作而且能避免驱动器发生倍频问题。预加应

力使超磁致伸缩棒在受压应力条件下工作。当要求驱动器给进精度较高时，需要考虑温度对材料特性的影响。

图1 超磁致伸缩制动器的结构简图

2.1 偏置磁场结构设计

超磁致伸缩材料在外加磁场的作用下可发生很大的形变，外加磁场是由缠绕线圈中的电流产生的，磁致伸缩是部分磁畴转动的结果，磁畴转动导致材料内部发生形变，这

些形变引起材料在磁场方向的伸长。随着磁场的增加，更多的磁畴发生转动并沿磁场方向取向，直到最后达到饱和。此时，几乎所有的磁畴都变的与磁场方向一致。在达到饱和区之前形变量与磁场在很大范围内呈线性关系。

因此，需要设计偏置磁场，偏置磁场的大小应为两者成线性的下限值，当线圈中通电时，产生与偏置磁场同向的磁场，使磁致伸缩棒随着外加驱动电流的增大而线性增长。

在本设计中，偏置磁场采用永磁体来提供，本设计中选用的结构如图2，图中采用了圆筒形永磁体施加偏置磁场，正合适本设计中磁致伸缩棒刚度高，半径小的特点。

图2 偏置磁场结构图

2.2 预加压应力结构设计

研究表明，在超磁致伸缩棒的轴向施加一个压应力时在棒的轴向施加磁场时，一方面可显著提高材料在低磁场下的磁致伸缩，另一方面还能避免超磁致伸缩材料在工作时承受拉伸应力和剪切应力。因此，在压应力作用下，超磁滞伸缩棒的伸缩性能可以得到改善。同时偏置压应力可使材料在更大的张力下工作，并使材料的强度增加，更耐冲击力。

在本设计中采用图3的电磁阀结构，在这种结构中，有一种变形梁，通过这个变形梁，就可对超磁滞伸缩棒施加压应力。变形梁除了对超磁致伸缩棒施加压应力，另一方

面，还对电磁阀的位移起到了放大的作用。

图3 电磁阀结构图

2.3 器件磁路设计

设计磁致伸缩器件时需要综合考虑器件的磁路和机电特性，器件的磁路应该是闭合的。也就是说，理想情况下，设计的磁场应完全处于材料中。然而，超磁致伸缩材料的导磁率仅比空气导磁率大5倍左右。这意味着，在连接处将产生较多的漏磁，使磁致伸缩棒中的磁通量降低，磁场减小。

因此在结构上，可增大连接处的横截面积，和减小磁致伸缩棒的长度来降低漏磁，从而获得比较均匀的磁场。

在磁路方面，可在主线圈的基础上，设计补偿线圈的方法来改善主线圈磁场的均匀度，这对于提高超磁致材料的利用率、减小内部应力，增大驱动器的位移输出等都是有利的。用多层补偿的方法可以得到较大区域高均匀度的磁场分布。

图4利用补偿线圈来改善主席安全磁场的均匀性，并且在设计时也尽量增大了连接处的横截面积，这两种方法都最大限度的实现了磁致伸缩器件中磁场的均匀性，研究也表明这两种方案的可行性。

图4 补偿线圈结构图

2.4 微动工作台整体设计

经过上面各种细节的设计，微动工作台的整体结构如（附图1）。它由电磁阀结构，支架，电容传感器构成。对于它的整体设计，已经综合考虑了上述各种不利的因素，在结构设计中，尽量加以克服，从而能有效的使磁致伸缩器件工作在线性范围，提高材料在低磁场下的磁致伸缩，还能有效避免超磁致伸缩材料在工作时承受拉伸应力和剪切应力，保证磁致伸缩元件中的磁场尽量均匀化。

3 测量电路设计

传感器选用平行平面式变极距型电容传感器。这种电容传感器一般用来测量微小量，如0.01μm至零点几mm距离等。本系统通过电容传感器采集微距信号，将微距信号变换成电容量的变化。测量与信号调理电路由差动脉冲调宽电路、放大电路和滤波电路3部分组成。

3.1 差动脉冲调宽电路

图5给出了差动脉冲调宽电路原理图，包括比较器U1A和U2A，双稳态触发器及基础电容C1(固定不变)、传感器电容Cx(测量电容)与二极管D1、D2：，电阻R8、R9

组成的充放电回路等。双稳态触发器的两个输出端A、B用作整个电路的输出。电源接通时，双稳态触发器处于某一状态，假设A点为高电位，B点为低电位，则A点通过R8对Cx充电，时间常数为(R8)*(Cx)，直至M点的电位等于直流参考电压UR时，比较器U1A输出正跳变信号。与此同时，因U(B)=0，电容器C上的已充电电压通过D2迅速放电至零电平。正跳变信号激励触发器翻转，使U(A)=0，U(B)=1，于是A点为低电位，电容器Cx上的已充电电压通过D1迅速放电，因B点为高电位，通过R9对C充电，时间常数为 (R9)*(C) ，直至N点的电位高于参考电压UR时，比较器U2A输出正跳变信号，使触发器发生翻转。如此周而复始，在双稳态触发器的A、B两端各自产生一宽度受传感器电容

Cx和基础电容C调制的脉冲方波。

图5 差动脉冲调宽电路原理图

当Cx=C时，U(AB)平均电压等于零。当Cx≠C时，U(AB)平均电压就不再等于零了，而且它和Cx(即位移)之间有一定的对应关系，通过这种对应关系，我们可测得位移

值。可把U(AB)经过放大，滤波平均值，模数转换，直接送给PC机，通过PC机实现其平均值的读取，并完成电压值向位移值的转换。

3.2 放大电路设计

AD620是一种低成本，低功耗的仪用放大器，它是一种典型的三运放同相并联差动放大器的集成。它是双端输入，在本设计中选用AD620作为信号的放大，在1管脚和8管脚之间加一个可调电阻，调至49.4K即可实现对上述U(AB)的信号进行两倍的放大，用AD620还可方便获取上述差分信号，有效抑制共模电压。

3.3 平均值电路设计

图6为设计的平均值电路（一阶RC

低通有源滤波电路），此电路由一级RC低通滤波电路和同相比例放大电路组成，它不仅有求平均值功能，而且能起放大作用。

图6 滤波电路原理图

当滑动变阻器R15调节为最小值时，电路的通带电压增益最小，当滑动变阻器R15调节为最大值时，电路的通带电压增益最大。R12用来补偿运放偏执电流。滤波电路的输入信号一般为100 kHz～1MHz的矩形波，所以要求其平均值(直流分量)只需经低通滤波器即可实现。另外，R12还有调零的作用。由于低通滤波器的作用，对输出矩形波的纯度要求不高，这比其他测量线路中要求高稳定度的稳频稳幅的交流电源易于做到。

3.4 整体电路设计

经过上面测量调理功能子电路的设计，测量调理整体电路如（附图2）。它由差动脉冲调宽电路，放大电路，平均值电路构成。这个电路实现了信号的获取，放大，求平均值的功能，为后续AD转换器提供了可靠信号。

4 系统总体设计及特性分析

4.1 系统总体设计

本微动系统要求实现制动器输出位移的自动给进，同时具有可控性好，可控精度高，稳定性好的特点。本控制系统采用数字控制系统，结构框图如图7。主要是被控对象和计算机系统，以及位移测量及转换部分组成。其中被控对象由大功率程控恒流源和磁致伸缩制动器组成，计算机可采用PC机，位移测量及转换部分由高精度电容式位移传感器和12位模数转换器构成。用个系统实现位移量的数据采集，处理以及各种控制作用。

图7 控制系统结构框图

本系统中PC机为控制的核心部分，通过PC机的控制程序完成对控制对象的控制。PC机的控制信号送给大功率程控恒流源，由它来驱动制动器，位移传感器完成制动器位移的检测，并由模数转换器转换为PC机可识别的数字信号送给PC机，这样使信号 形成闭环。闭环系统的控制器选用PID控制器，其控制模型如图8。

图8 超磁致伸缩控制系统原理框图

4.2 制动系统数学模型

用分析法建立控制系统的数学模型，以实现控制系统的控制作用。超磁致伸缩材料在受压力状态下，其应变明显提高，而且器件本身抗压强度较大，因此使用时对其施加预应力。超磁致伸缩制动器的建模原理图如图9。

图9 制动器建模原理图

设N，ls分别为激励线圈的匝数和长度；U，I为输入电压、电流；超磁致伸缩制动器在长度方向可认为由磁致伸缩棒、弹簧、阻尼器、质量组成，设lr、r、Ar、р、CD

分别为超磁致伸缩棒的长度、半径、横截面及、质量密度、内部阻尼系数和等效质量；考虑施加连接刚度是变化的，负载应该是一个质量—弹簧—阻尼型负载，设Kl、Cl、Ml分别为负载的等效刚度系数、阻尼系数和质量。

根据压磁方程，应变ε可表示为：

ε=σSH+d33H

上式中，ε、σ、SH 、d33、H分别为超磁致伸缩棒长度方向的应变、应力、磁场为常数时的柔顺系数、压磁系数、磁场强度。考虑超磁致伸缩棒的质量和阻尼影响时上述方程可表示为：

ε=σSH+d33H-CDSHε’-рlr2SHε’’

考虑图9中超磁致伸缩棒的输出位移x与负载的位移x相同，超磁致伸缩棒的输出力F与负载对超磁致伸缩的反作用力F1有关系F=-F1，因此有：

F=-σAr=-(M1

Δllr

xlr

dxdt

2

2

+C1

dxdt

+K1)

由应变ε定义可得：ε=

=

，假设棒和线圈同长lr=ls，则H=nI=NI/ls=NI/lr，其中

n=N/lr，为单位长度上线圈的匝数，有上述两式可得到制动器输出位移和输入电流的传递函数：

G(s)=

x(s)I(s)

=

A/(Ml+Mr)

s+(Cl+Cr)/(Ml+Mr)s+(Kl+Kr)/(Ml+Mr)Arslr

H2

式中，A=

d33ArNslr

H

，Kr=，Mr=ρlrAr，Cr=

CDAr

lr

。

程控恒流源在理想情况下，可以认为其传递函数为1，所以有程控恒流源和制动器组成的被控对象的传递函数即为制动器及其负载的传递函数。 4.3 制动系统时域特性分析

系统的传递函数为（具体参数含义见前面的内容）：

G(s)=

x(s)I(s)

=

A/(Ml+Mr)

s+(Cl+Cr)/(Ml+Mr)s+(Kl+Kr)/(Ml+Mr)

2

代入文献[9]中的数值后为：

G(s)=

1518

s+6712s+1.3⨯10

2

8

Kωn

2

2

可见被控对象是一个二阶系统，其标准形式为：

s+2ξωns+ωn

2

，K为对象的放大

倍数，其特性参数为K=1.167×10-5，ξ=0.294，ωn=1.12×104（rad/s）。因此由图10可知因系统的阻尼比ξ过小，将导致系统的超调量会很大（将达到65%左右），上升时间较短（Tr=1.15×104s）但是调节时间会很长(Ts=1.17×103s)。动态性能不是很理想，

并在阶跃下为静差系统。故为了改善系统的动态性能和稳态性能，需要设计合适的调节器。

图10 制动器系统开环时时域特性

4.4 制动系统误差分析

对于线性控制系统来讲，控制系统的稳态误差，是系统控制精度的一种度量。影响稳态误差的各种因素是：系统型别、开环增益、输入信号的形式和幅值。当系统为0型系统时稳态误差ess=

R1+K

=常数，当系统型别ν≥1，ess=0。其中

K为开环增益，R为

阶跃响应的幅值，对于0型单位反馈系统，在阶跃输入作用下的稳态误差是希望1与实

际输出

R1 K

之间的位置误差。如果要求系统对于输入作用不存在稳态误差，则必须选1

型或1型以上的系统。0型系统一般叫做静差系统。

经过上面对本控制系统分析，得到数学模型，可知本控制系统为0型系统，因此存在着位置误差，因此应该设计合适的调节器来消除它。对于本控制系统，可以直接采用PID来控制，效果会比较明显，对计算机控制系统来说实现起来很方便，只需改变相应的参数即可。

5 结论

由磁致伸缩材料Terfenol—D作为主要执行元件开发的微位移机构，在0-2kHz范围内，可以稳定的实现电磁能与机械能之间的转换，可以应用于高精度的机械加工、减振、隔振等系统中。文中建立的超磁致伸缩材料动态响应模型及过程，对基于Terfenol—D的电磁能—机械能转换的执行器件的开发，有普遍的指导意义。本文中也给出了微动工作台和测量电路的方案。然而，文中并没有考虑磁滞，温度对器件性能的影响，尚需进一步的研究。

参考文献：

朱 丽 精密仪器课程设计指导书，南京: 南京理工大学印刷厂， 2008 李庆祥 王东生 现代精密仪器设计，北京: 清华大学出版社， 2003 周杏鹏 仇国富 现代检测技术，北京: 高等教育出版社， 2003 朱蕴璞 孔德仁 传感器原理及应用，北京: 国防工业出版社， 2005 周 严 董景新 庞振基 易敬曾 贾宇辉 吕福在

测控系统电子技术，北京: 科学出版社， 2007

赵长德 控制工程基础，北京: 清华大学出版社， 2003 黄其圣 精密机械设计，北京: 机械工业出版社， 2004 磁场计算与磁路设计，成都: 成都电讯工程学院出版社， 1987 谭久斌 超磁致伸缩材料位移驱动系统的研究，压电与声光， 2000

项占琴 稀土超磁致伸缩材料微位移机构综合实验研究，机械科学与技术，2000