專利名稱：磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)的光杠桿測(cè)量方法及其測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵磁性物質(zhì)磁致伸縮效應(yīng)和測(cè)量物體微小長(zhǎng)度變化量的方法及裝置，特別是涉及磁流變體磁致伸縮效應(yīng)及磁致伸縮效應(yīng)引起應(yīng)變量大小的測(cè)量。具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及一種基于磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)的光杠桿微位移測(cè)量方法及裝置，能夠在外加磁場(chǎng)作用下，測(cè)量磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)的應(yīng)變量大小。
背景技術(shù)：
鐵磁性物質(zhì)在磁場(chǎng)中被磁化時(shí)，會(huì)沿磁化方向發(fā)生微量伸長(zhǎng)和縮短，而去掉外磁場(chǎng)后，又恢復(fù)原來(lái)的長(zhǎng)度，這一現(xiàn)象叫磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮材料作為一種新型的敏感材料，一經(jīng)出現(xiàn)就引起了人們極大的興趣，很多國(guó)家的研究人員對(duì)它進(jìn)行了研究，尤其是 20世紀(jì)70年代人們發(fā)現(xiàn)的一些磁致伸縮材料具有磁致伸縮應(yīng)變大、強(qiáng)力、機(jī)電耦合系數(shù)高、響應(yīng)速度快等優(yōu)異特性，是制作檢測(cè)和執(zhí)行元器件的優(yōu)良材料。多年來(lái)一直受到美、 日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，并已在理論建模、動(dòng)靜態(tài)特性研究、新器件開發(fā)與應(yīng)用等方面取得了重大進(jìn)展(李松濤，孟凡斌，超磁致伸縮材料及其應(yīng)用研究[J]，物理，2004，33 (10)748-751)。磁流變脂是由微米級(jí)鐵磁性粒子、基礎(chǔ)油、稠化劑、添加劑和填料組成的結(jié)構(gòu)骨架的膠體分散體系(姚金光，晏華，高性能磁流變液研究的進(jìn)展[J]，材料開發(fā)與應(yīng)用，2009，24
(2):62-67)。其鐵磁性顆粒大小為微米數(shù)量級(jí)，而磁疇大小也為微米數(shù)量級(jí)，因此，磁流變脂是一種磁致伸縮材料。近年來(lái)，磁流變體作為一種智能材料，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)并沒有引起國(guó)內(nèi)外科學(xué)界的關(guān)注，也沒有人提出磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)引起的應(yīng)變量測(cè)量裝置。在工程及科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需要測(cè)量微小長(zhǎng)度變化量，常用的測(cè)量裝置有千分尺法和光杠桿法。千分尺法測(cè)微裝置，需要固定測(cè)量點(diǎn)，即測(cè)量點(diǎn)位置變化會(huì)引起測(cè)量誤差。光杠桿法測(cè)微裝置，由全反射平面鏡、尺讀望遠(yuǎn)鏡、標(biāo)尺等裝置構(gòu)成，將微小長(zhǎng)度(高度)變化量轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿〗嵌茸兓?，尺讀望遠(yuǎn)鏡將角度變化轉(zhuǎn)變?yōu)榭潭瘸呱陷^大的讀數(shù)，但測(cè)量精度不足。譚興文，何國(guó)田提出一種新的光杠桿測(cè)量裝置(譚興文，何國(guó)田，納米精度光杠桿微位移測(cè)量方法的研究[J]，中國(guó)激光，2009，36 (s2) :189-193),將微位移傳感器(PSD)應(yīng)用于光杠桿測(cè)量中。這種在先技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，但在光杠桿測(cè)量過(guò)程中存在著近似運(yùn)算，測(cè)量精度有所降低，角度調(diào)節(jié)困難，不能測(cè)量納米級(jí)位移量。隨著科學(xué)的發(fā)展，對(duì)微位移測(cè)量精度的要求達(dá)到亞納米量級(jí)，在先技術(shù)已經(jīng)不適合精度要求極高的工程實(shí)踐和科學(xué)研究(如測(cè)量磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)的應(yīng)變量)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述不足，本發(fā)明提出一種磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)的光杠桿亞納米精度測(cè)量方法，并設(shè)計(jì)一種能夠精確測(cè)量微位移變化量的光杠桿測(cè)量裝置。利用在先技術(shù)光杠桿原理，設(shè)計(jì)出新光路及角度調(diào)節(jié)裝置，將微位移進(jìn)行二級(jí)放大(光杠桿放大法、光學(xué)成像放大法)，至少放大IO6倍。用微位移傳感器(PSD)代替標(biāo)尺，使PSD輸出信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)應(yīng)變力的高精度測(cè)量。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)的光杠桿測(cè)量裝置，能實(shí)時(shí)獲得磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)引起的應(yīng)變量大小，其精度可達(dá)亞納米量級(jí)。本發(fā)明設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置由激光發(fā)射系統(tǒng)、磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器、光位移放大裝置、光學(xué)成像放大系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)構(gòu)成。本發(fā)明設(shè)計(jì)的光位移放大裝置如圖I所示，由平面鏡(反射鏡)M1、M2構(gòu)成；其中Ml一端固定，另一端可在垂直方向上移動(dòng)，M2固定。激光發(fā)射系統(tǒng)如圖2所示，由激光器、準(zhǔn)直鏡、光闌、反射鏡、壓電陶瓷(PZT)、角度傳感器和單片機(jī)處理系統(tǒng)七部分構(gòu)成。磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器如圖3所示，由直流電源、密封缸體、密封螺絲、磁流變脂、線圈、活塞、伸縮桿組成。光學(xué)成像放大系統(tǒng)如圖4所示，由多個(gè)凸透鏡組構(gòu)成(每個(gè)透鏡組由二個(gè)透鏡組成，放大倍數(shù)在10-100之間)。信號(hào)處理系統(tǒng)如圖5所示，由位移光電探測(cè)器、預(yù)放電路、 濾波器、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)系統(tǒng)五部分組成。直流電源輸出端與磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器線圈輸入端相連，為磁流變脂磁致伸縮時(shí)所需磁場(chǎng)提供磁場(chǎng)。伸縮桿與平面鏡Ml的一端接觸，設(shè)為B點(diǎn)，伸縮桿移動(dòng)帶動(dòng)平面鏡Ml移動(dòng)。激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡和光闌后變成平行光，從B點(diǎn)入射到平面鏡Ml的平面上，經(jīng)過(guò)平面鏡Ml反射到光放大裝置中的M2鏡上。光在平面鏡Ml、M2間多次往返反射后，最后從Ml另一端A處射出，照射到光學(xué)成像放大系統(tǒng)輸入端，進(jìn)行第二級(jí)位移放大；經(jīng)光學(xué)成像放大系統(tǒng)多次放大后，成像在位移光電探測(cè)器光敏面上。位移光電探測(cè)器輸出電信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)放電路、濾波器和A/D轉(zhuǎn)換輸入到單片機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行微位移處理，計(jì)算出磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)引起的微位移量。通過(guò)角度傳感器測(cè)量平面鏡偏轉(zhuǎn)的角度，并通過(guò)單片機(jī)、PZT控制激光器的入射角度大小，從而調(diào)節(jié)光放大裝置對(duì)位移的放大倍數(shù)。當(dāng)直流電源不工作時(shí)，磁流變脂不發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)，伸縮桿沒有伸縮，Ml處于水平狀態(tài)，光將照射在位移光電探測(cè)器某一點(diǎn)上。當(dāng)直流電源工作時(shí)，磁流變脂發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)，伸縮桿向上伸長(zhǎng)，帶動(dòng)Ml向上移動(dòng)，光將照射在位移光電探測(cè)器另一點(diǎn)上。兩點(diǎn)間的距離就是磁致伸縮待測(cè)量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后可得實(shí)際磁致伸縮量。具體測(cè)量思想如下
如圖I所示，將磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器以線接觸方式觸碰在B處。激
光束經(jīng)過(guò)透鏡和孔徑光闌后變?yōu)槠叫卸群?、光?qiáng)分布集中的光束。該光束很小角度
入射到Ml的自由端，在兩平面鏡間多次反射后由Ml的另一端A處出射，通過(guò)光學(xué)
成像放大系統(tǒng)(透鏡組)后照射到位移光電探測(cè)器上。初始位置時(shí)Ml和M2互相平
行，當(dāng)給線圈通電后，外磁場(chǎng)作用于磁流變脂上。磁流變脂磁致伸縮產(chǎn)生微小位移
Δ￡ ,平面鏡Ml繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，至端點(diǎn)B處上移M。Ml偏轉(zhuǎn)微小角度Λ α，如圖中虛線所示
, LL, Λ
tan Aa= ■~-(I)
b
b為平面鏡Ml上AB段長(zhǎng)度。由于Λα很小，所以
權(quán)利要求
1.本發(fā)明設(shè)計(jì)基于磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)的測(cè)量裝置包括磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器和基于磁流變脂磁致伸縮應(yīng)變量的光杠桿微位移測(cè)量裝置兩部分； 其特征為 所述的磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器由密封螺絲、封裝缸體、磁流變脂、線圈、活塞、伸縮桿六部分構(gòu)成； 所述的磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部充滿磁流變脂； 所述的磁流變脂磁致伸縮應(yīng)變量的光杠桿測(cè)量裝置由激光發(fā)射系統(tǒng)、平面鏡Ml、平面鏡M2、透鏡組放大單元、微位移傳感器(PSD)、信號(hào)處理系統(tǒng)六部分構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)測(cè)量裝置，其特征是所述的激光發(fā)射系統(tǒng)，由激光器、準(zhǔn)直鏡、光闌、反射鏡、壓電陶瓷(PZT)、角度傳感器和單片機(jī)系統(tǒng)七部分構(gòu)成；激光器發(fā)射的激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡和光闌后，入射到反射鏡上，然后經(jīng)過(guò)反射鏡反射到光杠桿測(cè)量系統(tǒng)中的Ml鏡上；通過(guò)角度傳感器測(cè)量反射鏡偏轉(zhuǎn)的角度，并且通過(guò)單片機(jī)、PZT控制激光器的入射角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)位移測(cè)量裝置，其特征是磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器，由封裝缸體301、線圈302、磁流變脂303、活塞304、伸縮305和密封螺釘306構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)應(yīng)變量的測(cè)量裝置，其特征是所述的信號(hào)處理系統(tǒng)，由位移傳感器701將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)放大電路702放大后，輸入到低通濾波器703中，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換704輸入到89C51單片機(jī)108中。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)應(yīng)變量的測(cè)量裝置，其特征是所述的伸縮桿，其材料為鋁、銅等非鐵磁性金屬，形狀為方形，圓形，梯形以及一切不規(guī)則形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)應(yīng)變量的測(cè)量裝置，其特征是所述的激光器可以為氦氖激光器、二氧化碳激光器等激光器。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)應(yīng)變量的測(cè)量裝置，其特征是所述的平面鏡Ml、M2相互平行，并且保持鏡面的清潔。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)應(yīng)變量的測(cè)量裝置，其特征是所述的PSD，分辨率在0. 2um以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)應(yīng)變量的測(cè)量裝置，其特征是所述的預(yù)放大電路為運(yùn)算放大器電路、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路或者三極管放大電路，放大倍數(shù)在5 10倍。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)應(yīng)變量的測(cè)量裝置，其特征是所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以為單片機(jī)處理系統(tǒng)、DSP處理系統(tǒng)、ARM處理系統(tǒng)或者虛擬儀器處理系統(tǒng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁流變磁致伸縮效應(yīng)測(cè)量方法，其特征是利用(11)式進(jìn)行計(jì)算及本方法的一切延伸都是保護(hù)的內(nèi)容。
全文摘要
基于磁流變脂的磁致伸縮效應(yīng)沒有引起足夠重視的不足及現(xiàn)有光杠桿法測(cè)量精度低等問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)測(cè)量方法，設(shè)計(jì)出一種磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)應(yīng)變量的光杠桿亞納米精度微位移測(cè)量裝置。本發(fā)明由磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器和基于磁流變脂磁致伸縮應(yīng)變量的光杠桿微位移測(cè)量裝置構(gòu)成。磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器以線接觸方式作用于光杠桿，當(dāng)磁流變脂被磁化后，產(chǎn)生磁致伸縮應(yīng)變量。通過(guò)光杠桿進(jìn)行第一級(jí)放大，再被透鏡組進(jìn)行第二級(jí)放大后，被PSD接收轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最終得到應(yīng)變量大小。研究磁流變脂磁致伸縮效應(yīng)是對(duì)磁流變體研究的一次新的嘗試，對(duì)它的研究具有非常重要的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102778200SQ201110118500
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月9日
發(fā)明者何國(guó)田, 冉迎春, 劉云杰, 宋莉, 張德勝, 戴鵬飛, 王松, 谷明信, 馬燕 申請(qǐng)人:重慶師范大學(xué)