專利名稱：電磁-機械同步共振測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁-機械同步共振測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用大功率振蕩電路產(chǎn)生交變的電磁場作用于功率發(fā)射電路以發(fā)射電磁能量，然后電-機換能裝置吸收后高效的轉(zhuǎn)化為機械能，以實現(xiàn)電磁能與機械能之間的同步高效轉(zhuǎn)換，從而為不易拖帶電線的微型管道機器人的電能供給及電能-機械能高效轉(zhuǎn)換提供有效的解決方案。本發(fā)明設(shè)計提供了整套頻率、電壓及機械輸出位移的測量系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、效果明顯、維護方便和操作靈活的特點。
背景技術(shù)：
磁致伸縮材料、形狀記憶材料和壓電材料不但能夠?qū)ν饨缁騼?nèi)部的物理、化學(xué)變化具有感知能力，同時能夠針對發(fā)生的變化作出響應(yīng)，在傳感器與執(zhí)行器領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，因此成為新型功能材料的代表。其中利用磁致伸縮效應(yīng)制成的電-磁-機高精度快速微位移執(zhí)行器具有易于集成、微型化、智能化等優(yōu)點，目前被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代精密加工、建筑工程、機器人、醫(yī)學(xué)和航空航天等領(lǐng)域。本發(fā)明主要利用超磁致伸縮材料自身可實現(xiàn)電磁能與機械能高效相互轉(zhuǎn)換的特點，針對不易拖帶電線的微型管道機器人的電能供給問題，利用大功率振蕩電路產(chǎn)生交變的電磁場作用于功率發(fā)射電路以發(fā)射電磁能量，然后電-機換能裝置吸收后高效的轉(zhuǎn)化為機械能，并通過多種測量手段對能量轉(zhuǎn)換過程的相關(guān)參數(shù)進行實時監(jiān)控，具有結(jié)構(gòu)簡單、效果明顯、維護方便和操作靈活的特點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，在電能的無線傳輸基礎(chǔ)上產(chǎn)生大功率的交變電磁場并作用于功率發(fā)射電路，并使電磁能量無線的傳輸?shù)焦β式邮针娐?，然后向?機換能裝置供電，從而將電磁能同步的轉(zhuǎn)換為機械能，同時在此過程中實現(xiàn)電壓與機械應(yīng)カ的實時監(jiān)測。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是電磁-機械同步共振測量系統(tǒng)，包括有函數(shù)信號發(fā)生器⑴；功率放大器⑵；功率發(fā)射電路⑶；功率接收電路⑷；電_機換能裝置(5);電壓監(jiān)測環(huán)節(jié)出)；振動監(jiān)測環(huán)節(jié)(7)。所述的功率放大器(2)由可以工作在高頻、高電壓下的大功率電子管為主要核心，結(jié)合外圍電子器件組成大功率線性放大器，當(dāng)函數(shù)信號發(fā)生器(I)根據(jù)功率發(fā)射電路
(3)諧振頻率輸出ー個正弦波形時，功率放大器(2)將該正弦信號放大為一功率信號，并通過電子管的調(diào)壓旋鈕改變輸出功率。所述的功率發(fā)射電路(3)由兩部分組成一部分是由高電導(dǎo)率無氧銅線密繞于線圈骨架上形成具有一定電感量的空心線圈；另一部分是選取高頻金屬薄膜電容器構(gòu)成補償回路并聯(lián)在空心線圈首尾，功率發(fā)射電路(3)的工作頻率由以上兩部分同時決定。所述的功率接收電路(4)由三部分組成第一，由線徑較細(xì)的無氧銅漆包線密繞在線圈骨架上形成空心電感線圈；第二，首尾并聯(lián)金屬薄膜電容器，電容器的容值選擇要使功率接收電路(4)諧振頻率與功率發(fā)射電路(3)的工作頻率保持一致；第三，線圈骨架中間裝入由超磁致伸縮材料制成的線性超磁致伸縮致動機構(gòu)。所述的電-機換能裝置(5)由超磁致伸縮棒料與釹鐵硼永磁塊組成，將永磁快吸附于超磁致伸縮棒料的首端與尾端，從而提供偏置磁場以消除材料的倍頻效應(yīng)。當(dāng)功率接收電路(4)工作于激勵頻率時，超磁致伸縮棒料將以同一頻率向外輸出軸向應(yīng)力或者位移，從而實現(xiàn)電能與機械能的同步轉(zhuǎn)換。所述的振動監(jiān)測環(huán)節(jié)(7)由高頻特性良好的壓電傳感器SNAA51為核心元件，通過傳感器在應(yīng)力或應(yīng)變作用下產(chǎn)生對應(yīng)的電壓信號，由上位機采集該電壓信號并轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的應(yīng)力或應(yīng)變信號，從而實現(xiàn)應(yīng)力或應(yīng)變的實時監(jiān)測。本發(fā)明的電磁-機械同步共振測量系統(tǒng)，在無線電能傳輸?shù)幕A(chǔ)上，將電磁能通過無線的方式由功率發(fā)射電路傳送到功率接收電路并向電-機換能裝置提供電能，然后利用超磁致伸縮材料的自身特性將電能轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一頻率的機械能，在此過程中通過示波器及 SNAA51壓電傳感器測量系統(tǒng)實現(xiàn)電壓與應(yīng)力、應(yīng)變的實時監(jiān)測。


圖I是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)原理圖；圖2是功率發(fā)射電路與功率接收電路示意圖；圖3是高頻應(yīng)力、應(yīng)變采集原理圖；圖4是電磁-機械同步共振測量系統(tǒng)各部分關(guān)系的示意圖；其中(I):函數(shù)信號發(fā)生器；(2):功率放大器；⑶功率發(fā)射電路；⑷功率接收電路；(5):電-機換能裝置；(6)電壓監(jiān)測環(huán)節(jié)；(7):振動監(jiān)測環(huán)節(jié)。B1 :功率發(fā)射端a2 :功率接收端V1:發(fā)射端電壓V2:接收端電壓
具體實施例方式下面結(jié)合實例和附圖對本發(fā)明的電磁-機械同步共振測量系統(tǒng)做出詳細(xì)說明。如圖I所示，本發(fā)明的電磁-機械同步共振測量系統(tǒng)，包括有函數(shù)信號發(fā)生器(I)； 功率放大器(2);功率發(fā)射電路(3);功率接收電路(4);電-機換能裝置(5);電壓監(jiān)測環(huán)節(jié)(6);振動監(jiān)測環(huán)節(jié)(7)。如圖2所示，所述的功率發(fā)射電路(3)工作于自身諧振頻率，該頻率由密繞無氧銅線構(gòu)成的電感與并聯(lián)金屬薄膜電容同時決定。功率接收電路(4)與功率發(fā)射電路(3)同軸放置，其工作頻率通過密繞無氧銅線與并聯(lián)金屬薄膜電容的相互配合與調(diào)節(jié)后保證與功率發(fā)射電路(3)的諧振頻率一致。如圖3所示，所述的電-機換能裝置(5)是由提供偏置磁場的永磁體吸附在超磁致伸縮棒的首尾兩關(guān)構(gòu)成的。當(dāng)功率接收電路(4)中產(chǎn)生一定強度的交變電磁場時，超磁致伸縮棒將以外部電磁場的頻率工作，將電磁能轉(zhuǎn)換為機械能。同時超磁致伸縮棒一端固定，由SNAA51傳感器進行耦合，完成應(yīng)力與應(yīng)變的測量。
4
如圖4所示，所述的電磁-機械同步共振測量系統(tǒng)首先由函數(shù)信號發(fā)生器(I)按照功率發(fā)射電路(3)所預(yù)定的工作頻率發(fā)出正弦波信號，該信號在本系統(tǒng)中設(shè)定為10kHz。 然后由功率放大器(2)將該信號放大為一功率信號，經(jīng)過限流保護環(huán)節(jié)后，向功率發(fā)射電路(3)進行供電。功率發(fā)射電路(3)發(fā)生電磁諧振，并通過無線電能傳輸技術(shù)將電磁能傳送到功率接收電路(4)。而后功率接收電路(4)獲得電能，并在密繞線圈中間產(chǎn)生一定磁場強度的空間電磁場。電-機換能裝置(5)在該電磁場中產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，將電磁能轉(zhuǎn)換為同一頻率的機械能。檢測方面，一方面通過示波器測量功率發(fā)射電路(3)與功率接收電路(4)的電壓；另一方面，通過SNAA51傳感器配合前置放大器、高速AD及上位機共同實現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變的信息采集與分析。本發(fā)明的電磁-機械同步共振測量系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)開始工作時，由函數(shù)信號發(fā)生器輸出ー IOkHz的正弦波，經(jīng)過功率放大器后形成一 IOkHz的功率信號，該功率由功率發(fā)射電路無線的傳送到功率接收電路，并在密繞銅線圈中間形成一定強度的IOkHz的交變電磁場，從而使電-機換能裝置將電磁能轉(zhuǎn)換為IOkHz的機械應(yīng)カ或應(yīng)變輸出。功率發(fā)射電路與功率接收電路的電壓由示波器測量，應(yīng)カ或應(yīng)變由SNAA51傳感器測量。
權(quán)利要求
1.電磁-機械同步共振測量系統(tǒng)，其特征在于包括有函數(shù)信號發(fā)生器(I);功率放大器 ⑵；功率發(fā)射電路⑶；功率接收電路⑷；電-機換能裝置(5);電壓監(jiān)測環(huán)節(jié)(6);振動監(jiān)測環(huán)節(jié)(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電磁-機械同步共振測量系統(tǒng)，其特征還在于，所述的功率放大器(2)由可以工作在高頻、高電壓下的大功率電子管為主要核心，結(jié)合外圍電子器件組成大功率線性放大器，當(dāng)函數(shù)信號發(fā)生器(I)根據(jù)功率發(fā)射電路(3)諧振頻率輸出一個正弦波形時，功率放大器(2)將該正弦信號放大為一功率信號，并通過電子管的調(diào)壓旋鈕改變輸出功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電磁-機械同步共振測量系統(tǒng)，其特征還在于，所述的振動監(jiān)測環(huán)節(jié)(7)由高頻特性良好的壓電傳感器SNAA51為核心元件，通過傳感器在應(yīng)力或應(yīng)變作用下產(chǎn)生對應(yīng)的電壓信號，由上位機采集該電壓信號并轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的應(yīng)力或應(yīng)變信號，從而實現(xiàn)應(yīng)力或應(yīng)變的實時監(jiān)測。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電磁-機械同步共振測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)功率發(fā)射電路的諧振頻率，利用信號發(fā)生器產(chǎn)生該頻率在經(jīng)過功率放大器放大，使與能量接收端相聯(lián)的電-機換能裝置將電能轉(zhuǎn)化為同頻率的機械能，從而為不易拖帶電線的微型管道機器人的電能供給及電能-機械能高效轉(zhuǎn)換提供有效的解決方案。本發(fā)明設(shè)計提供了整套頻率、電壓及機械輸出位移的測量系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、效果明顯、維護方便和操作靈活的特點，主要包括函數(shù)信號發(fā)生器(1)；功率放大器(2)；功率發(fā)射電路(3)；功率接收電路(4)；電-機換能裝置(5)；電壓監(jiān)測環(huán)節(jié)(6)；振動監(jiān)測環(huán)節(jié)(7)。
文檔編號H02J17/00GK102593966SQ20121009778
公開日2012年7月18日 申請日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者張獻, 李勁松, 李陽, 楊慶新, 金亮 申請人:天津工業(yè)大學(xué)