超磁致伸缩材料微位移执行器原理与应用

超磁致伸缩材料微位移执行器原理与应用 贾振元，郭东明　著 内容简介 本是多项国家自然科学基金、高等学校博士学科点专项基金、辽宁省科学技术基金等项目的研究成果总结，是一本介绍超磁致伸缩材料微位移执行器的原理、设计方法及应用的专著。本书系统地阐述了超磁致伸缩材料的材料与物理学基础、微位移执行器结构设计方法、建模理论、非线性控制技术以及超磁致伸缩薄膜的工作原理和静动态特性等，并介绍了各种超磁致伸缩材料微位移执行器的应用实例。全书共分8章。第1章介绍了超磁致伸缩材料与物理学基础；第2章介绍了超磁致伸缩材料的制备与应用特性；第3章介绍了超磁致伸缩微位移执行器设计理论与方法；第4章介绍了超磁致伸缩材料及微位移执行器的建模理论；第5章介绍了超磁致伸缩微位移执行器控制技术；第6章阐述了超磁致伸缩薄膜的物理与材料学基础；第7章阐述了超磁致伸缩薄膜材料建模理论；第8章介绍了超磁致伸缩材料的应用研究。 本书既具有理论的系统性，又具有工程技术的实用性，可供从事超磁致伸缩材料及其执行器研究工作的科技工作者、专业技术人员以及高等院校相关专业的师生参考。同时，也可供从事其他功能材料及其应用研究的科研、工程技术人员参阅。 作者简介 贾振元，男，1963年生，大连理工大学机械工程学院院长，工学博士，教授，博士生导师。主要研究方向为功能材料及其传感器执行器技术、精密加工与测量、数控技术等。负责或参与国家973计划项目、国家863计划项目、国家自然科学基金重点项目和面上项目、国防“十一五”预研项目、总装预研等各类科研项目40余项。获得国家技术发明二等奖1项，教育部技术发明一等奖1项，教育部科技进步一等奖1项，中国高校科技进步一等奖1项，中国机械工业科学技术三等奖1项，辽宁省科学技术进步二等奖1项，大连市科技进步一等奖1项、二等奖1项，大连市专利金奖1项；发表论文100余篇；合作出版专著1部；获13项专利、8项鉴定成果。还获得中国机械工程学会青年科技成就奖，辽宁省青年科技奖，大连市劳动模范，辽宁省杰出青年基金；入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选，教育部“新世纪优秀人才支持计划”，辽宁省“新世纪百千万工程”百人层次；享受中华人民共和国国务院颁发的政府特殊津贴。 目录 序 前言 第1章 超磁致伸缩材料与物理学基础 1.1 磁致伸缩现象 1.2 磁致伸缩现象产生的物理机理 1.2.1 磁致伸缩的机理 1.2.2 磁致伸缩的唯象理论 1.3 超磁致伸缩材料及其特性 1.3.1 超磁致伸缩材料的发展 1.3.2 超磁致伸缩材料分类 1.3.3 超磁致伸缩材料的晶体和微结构 1.3.4 稀土超磁致伸缩材料的性能 第2章 超磁致伸缩材料的制备与应用特性 2.1 超磁致伸缩材料制备 2.1.1 制备方法 2.1.2 样品制备 2.2 超磁致伸缩材料的应用特性 2.2.1 磁致伸缩特性 2.2.2 机电耦合特性 2.2.3 动态特性 2.2.4 其他特性 第3章 超磁致伸缩微位移执行器设计理论与方法 3.1 执行器总体结构与工作原理 3.2 微位移传递机构的设计 3.2.1 圆形膜片式微位移传递机构 3.2.2 弹性圆薄板弯曲问的数学模型 3.2.3 圆形膜片式微位移传递机构的解析解及设计原理 3.3 磁场与位移自感知的原理与实现 3.3.1 微位移感知功能的原理 3.3.2 驱动磁场自感知功能的原理 3.4 执行器内部的磁场(路)设计与研究 3.4.1 磁路的总体分析及设计 3.4.2 偏置磁场的设计 3.4.3 电磁线圈的功率优化及设计方法 3.5 驱动磁场的均匀化及分析 3.5.1 驱动磁场的径向均匀度分析 3.5.2 驱动磁场的轴向均匀度分析及均匀化 3.6 线圈电流与驱动磁场的测量曲线及分析 3.7 执行器内部温度分析及冷却系统 3.8 超磁致伸缩微位移执行器的有限元分析 3.8.1 执行器预紧机构的有限元分析 3.8.2 预紧机构模态分析 3.8.3 执行器的偏置磁场有限元分析 3.8.4 电磁场有限元分析 第4章 超磁致伸缩材料及微位移执行器的建模理论 4.1 磁滞的物理建模理论 4.1.1 铁磁磁滞 4.1.2 Weiss分子场理论 4.1.3 Ji1es-Atherton模型 4.2 磁滞的数学建模理论 4.2.1 Preisach算子 4.2.2 Preisach权函数的确定 4.2.3 Preisach算子的离散表达式 4.2.4 矢量Preisach模型 4.3 耦合外部应力的均质能量场模型 4.3.1 均质能量场模型 4.3.2 耦合外部应力的磁机模型 4.3.3 应力耦合磁化模型的离散化及求逆算法 4.4 超磁致伸缩微位移执行器模型 4.4.1 超磁致伸缩微位移执行器矢量阻抗分析模型 4.4.2 超磁致伸缩微位移执行器的负载矢量阻抗模型 4.4.3 超磁致伸缩微位移执行器结构动力学模型 第5章 超磁致伸缩微位移执行器控制技术 5.1 超磁致伸缩执行器控制系统的组成 5.2 高稳定度、智能化超磁致伸缩微位移执行器驱动电源 5.2.1 驱动电源的特点及组成 5.2.2 基于功率MOSFET的高稳定度双向可控恒流源 5.3 单片机控制单元设计 5.3.1 控制器及其外围电路设计 5.3.2 模拟量输入通道和输出通道设计 5.3.3 控制系统软件的设计与调试 5.4 超磁致伸缩微位移执行器控制方法概述 5.5 基于系统辨识模型的离线优化PID控制 5.5.1 超磁致伸缩微位移执行器的系统辨识 5.5.2 串联PID补偿器参数整定 5.5.3 PID控制器参数的闭环优化 5.5.4 两组PID控制参数比较 5.6 执行器的前馈控制 5.6.1 执行器的前馈控制 5.6.2 执行器前馈控制的仿真 5.7 执行器的自适应控制 5.7.1 执行器的简单自适应控制 5.7.2 抑制传感器噪声的自适应控制 5.7.3 改进的执行器控制方法 5.8 超磁致伸缩微位移执行器的滑模变结构控制 5.8.1 超磁致伸缩微位移执行器的控制模型 5.8.2 超磁致伸缩微位移执行器的自适应离散滑模变结构控制 5.8.3 控制仿真实例 第6章 超磁致伸缩薄膜的物理与材料学基础 6.1 超磁致伸缩薄膜概述 6.2 薄膜的磁致伸缩现象机理 6.2.1 薄膜的磁畴 6.2.2 薄膜的自发磁化 6.2.3 薄膜的磁致磁化 6.3 超磁致伸缩薄膜材料的特性 6.3.1 磁致伸缩特性 6.3.2 磁致伸缩薄膜的磁各向异性 6.3.3 超磁致伸缩薄膜的动态特性 6.3.4 超磁致伸缩薄膜的△E效应 6.4 超磁致伸缩薄膜磁致伸缩性能的影响因素 6.4.1 材料成分对薄膜磁致伸缩性能的影响 6.4.2 薄膜内应力对薄膜磁致伸缩性能的影响 6.4.3 热处理对薄膜磁致伸缩性能的影响 6.4.4 磁致伸缩复合镀层 6.5 超磁致伸缩薄膜制备 6.5.1 超磁致伸缩薄膜的制备方法 6.5.2 超磁致伸缩薄膜靶材及基片的选择 6.5.3 超磁致伸缩薄膜的制备工艺参数 6.5.4 双层超磁致伸缩薄膜的样品制备及性能检测 第7章 超磁致伸缩薄膜材料建模理论 7.1 超磁致伸缩薄膜低磁场准静态磁机耦合特性及模型 7.1.1 超磁致伸缩薄膜低磁场磁机耦合特性 7.1.2 超磁致伸缩薄膜低磁场下准静态磁机耦合模型 7.1.3 超磁致伸缩薄膜低磁场下准静态磁机耦合模型的实验分析 7.2 双层超磁致伸缩薄膜几何非线性变形分析及模型 7.2.1 双层超磁致伸缩薄膜几何非线性变形分析 7.2.2 双层超磁致伸缩薄膜几何非线性变形模型 7.2.3 双层超磁致伸缩薄膜几何非线性变形模型的实验分析 7.3 超磁致伸缩薄膜非线性振动模型 7.3.1 动态磁致伸缩等效载荷 7.3.2 超磁致伸缩薄膜非线性振动方程 7.3.3 超磁致伸缩薄膜主共振响应 7.3.4 超磁致伸缩薄膜超谐波共振响应 7.4 超磁致伸缩薄膜振动特性分析及实验研究 7.4.1 超磁致伸缩薄膜振动图像 7.4.2 超磁致伸缩薄膜共振频率的变化分析 7.4.3 超磁致伸缩薄膜振动幅值的变化分析 第8章 超磁致伸缩材料的应用研究 8.1 超磁致伸缩器件的应用研究概述 8.2 超磁致伸缩材料在执行器中的应用 8.2.1 在声呐系统中的应用 8.2.2 在直线电机中的应用 8.2.3 在旋转电机中的应用 8.2.4 在伺服阀中的应用 8.2.5 在超精加工中的应用 8.2.6 超磁致伸缩/压电混合器件中的应用 8.2.7 在流体控制中的应用 8.2.8 在振动控制中的应用 8.3 超磁致伸缩材料在传感器中的应用 8.3.1 力矩传感器 8.3.2 位置传感器 8.3.3 力传感器 8.4 超磁致伸缩薄膜器件的应用概述 8.5 超磁致伸缩薄膜在执行器中的应用 8.5.1 微型泵 8.5.2 微型阀 8.5.3 超声马达 8.5.4 微行走机械 8.5.5 光纤开关 8.5.6 伺服机构 8.6 超磁致伸缩薄膜在传感器中的应用 8.6.1 微型力传感器 8.6.2 光纤磁传感器 8.7 超磁致伸缩薄膜在微型泳动机器人中的应用 8.7.1 超磁致伸缩薄膜微型机器人的泳动推进模式 8.7.2 泳动微型机器人的结构与仿生机理 8.7.3 超磁致伸缩薄膜微型泳动机器人试验系统 8.7.4 超磁致伸缩薄膜微型机器人的泳动特性试验与分析