超磁致伸缩棒的应用技术

GMM作为高新技术领域中的新型功能材料，以其输出功率大、能量密度高和响应速度快等其他材料不可比拟的优点，广泛应用在军事和民用的诸多领域，主要表现在以下几个方面。

1．在伺服阀中的应用

传统伺服阀的驱动装置主要是电磁铁，存在精度低、响应速度慢等缺点。而GMM具有应变大、能量密度高、响应速度快等特性，用于伺服阀可大幅提高灵敏度和控制精度，对流经阀门的物质能够实现无级控制，系统响应时间不到1 ms［11，12］。南京航空航天大学的李跃松将GMM应用在射流伺服阀中，其设计的射流伺服阀输出压力特性曲线的线性度为5%，滞环为9.6%，分辨率为3%，零偏为2.9%［13］，工作原理如图1－3所示。Urai设计的伺服阀通过GMM棒的伸缩控制阀芯的开度，并通过位移传感器将阀芯位移回馈到控制系统，使整个系统形成闭合回路，其最大流量达2 L／m in，最大频率可达650 Hz［14］，响应速度远高于传统电液伺服阀。武汉理工大学赵亚鹏设计的超磁致伸缩泵采用悬臂梁簧片式单向阀，以φ10 mm×150 mm的GMM棒作为动力源，使用15号液压油，最大输出流量为516.65 mL／min［15］。浙江大学王传礼设计的超磁致伸缩单喷嘴挡板阀零位间隙为0.07 mm，输出压力为0.52 MPa，幅频宽为680 Hz［16］。基于GMM的微位移致动器还可应用在其他类型的伺服阀和气体等流体控制装置中，同样表现出了良好的控制精度和响应速度。

图1-3　超磁致伸缩致动器驱动的射流伺服阀

2．在超精加工中的应用

目前，超精加工中的进给机构主要采用电致伸缩致动器和压电致动器，但这两种致动器的输出位移和输出功率都比较小，并且需要高电压进行驱动。而具有输出功率高、响应速度快、工作电压低和温度范围宽的GMM微位移致动器则很好地解决了这一问题，加工精度能够提高到纳米量级，克服了传统机械传动控制精度低和响应速度慢等缺点，其基本结构如图1－4所示。Eda将GMM驱动器应用在金刚石车床上的微进给装置，位移分辨率能达到5 nm，加工玻璃等材质的精度和表面粗糙度可控制在几微米内［17］。李莹将GMM精密驱动技术应用于数控车削加工系统，并提出了具有较强的鲁棒性和自适应能力的反馈多模自适应控制方法，能够实现较好的稳态精度和较好的过渡过程［18］。翟鹏设计的用于加工非对称性销孔的超磁致伸缩镗削装置采用相角前馈补偿的动态Prandtl－Ishlinskii模型［19］，有效降低了系统的迟滞非线性误差。浙江大学吕福在研制了用于加工高精度非圆截面的超磁致伸缩微进给系统，采用卡具设计提高了输出位移范围，开发了相应的闭环控制系统，对发动机活塞非圆内孔的镗削加工进行了跟踪模拟实验［20］。Yoshioka在旋转机构的轴线上设置了一个超磁致伸缩驱动机构，在旋转过程中还可以实现精确的直线运动［21］。日本Ibaraki大学的Nakano利用GMM致动器研制出一种超微定位系统，该系统的行程虽然只有几微米，但可以实现埃米级定位［22］。

图1-4　超磁致伸缩进给机构的基本结构

3．在电-声换能器中的应用

换能器是声波探测设备的关键部件，高性能的换能器要具备低频率、高功率、宽频带和低质量因子等特性，而GMM具有应变大、低频响应快、频带宽和换能效率高等特点，其磁机耦合系数（k＝0.7）远高于传统材料镍的磁机耦合系数（k＝0.3），能够使换能器具备较低的质量因子，同时具有高功率的输出能力，是制作换能器的理想材料。超磁致伸缩驱动技术最初用在声呐探测中，基于GMM研 制 的 水 声 换 能 器［23］频 带 宽 为200 Hz～2 kHz，声 源 级 为200 dB，如图1－5（a）所示，具有结构简单、体积小的优点，但它的指向性是单方向的。为了克服这一缺点，研究人员研制了环形和弯张型超磁致伸缩水声换能器，可发出多方向指向性的声波，进一步改善了换能器的声波特性，如图1－5（b）所示。基于GMM的换能器大大提高了声呐系统的性能，对潜艇、水面舰艇等武器装备的探测、定位具有重要意义。在此基础上，人们又利用GMM研制了大功率超声换能器［24］，用于超声清洗、加工和分散等。利用GMM研制的扬声器［25］具有保真度好、声音柔美动听和免维护等特点。

图1-5　水声换能器

（a）单向水声换能器；（b）环形水声换能器

4．在振动控制中的应用

由于GMM具有低频特性好、输出力大和响应速度快的特性，超磁致伸缩致动器在振动控制工程领域有着广泛的应用前景。南京航空航天大学的段博文设计了基于GMM的可控式液压悬置装置，并通过PID反馈和前馈神经网络联合控制，用神经网络逆模型进行补偿，得到近似的致动器线性输出，明显减少了车身的受力［26］，其工作原理如图1－6所示。日本的Ohmata基于GMM驱动技术设计了三连杆的半主动振动控制系统，可通过摩擦力和摩擦力矩对六个自由度方向进行振动控制，能够有效降低地震和强风等产生的振动［27］。兰州交通大学的汪慧进行了基于超磁致伸缩致动器的车辆垂向振动主动悬架的研究，实验结果表明，对车辆垂向振动抑制的效果明显优于被动悬架系统［28］。宁波大学的李国平开发了用于精密仪器的二级模拟主动隔振系统，根据人工免疫原理设计了免疫PID控制器，其隔振控制效果较好，能够达到相关精密仪器的隔振要求［29］。

5．在传感器中的应用(www.xing528.com)

超磁致伸缩传感器是利用GMM的逆磁致伸缩效应，当其受到外力作用发生形变时，其产生的磁场也会发生相应的变化，通过检测磁场的变化可进行一些非电量的测量。超磁致伸缩传感器［30，31］与同类传感器相比具有大载荷、高强度、高灵敏度、适应性强和稳定性高等优点。

图1-6　超磁致伸缩可控式液压悬置的工作原理

图1－7（a）所示为一个简单力传感器的工作原理，该传感器包括两个线圈，一个是驱动线圈，另一个是拾取线圈；GMM棒受力使得磁致伸缩应变发生变化，拾取线圈电压的变化正比于磁致伸缩应变；这种压力传感器相比传统的压力传感器，更加简单、更加坚固。根据GMM不同的特性原理，还可以设计成力矩和位移等多种类型的传感器。力矩传感器的原理是GMM受到扭转应力时，其本身的磁特性会发生变化，与轴线成±45°的＋τ和－τ方向的磁导率就会相应变化，通过感应线圈将磁导率的变化检测出来，其工作原理如图1－7（b）所示。这种力矩传感器是非接触式的，适合于灵敏度要求不高的场合。位移传感器的原理是GMM和永磁体之间的位移产生变化时，GMM的材料特性会发生变化，通过检测GMM的反射声脉冲信号或磁场变化可实现位置的测量，量程可达5 m，精度可达0.05 mm［32］。

图1-7　超磁致伸缩传感器的工作原理

（a）力传感器；（b）力矩传感器

另外，还可以将传感器与致动器结合起来形成智能控制系统，利用传感器产生的外部信号反过来控制致动器的输出，从而改变系统的固有频率和阻尼特性，形成一套可控性和可靠性高的智能传感控制系统，可应用在主动减振降噪系统［33，34］、超静平台［35］等方面。

6．在微型泵中的应用

超磁致伸缩泵通过GMM棒的伸缩推动活塞运动，使液体腔体积发生变化，再通过单向阀形成液体的单向流动，具有结构简单、效率高、压力大和频率高的特点，超磁致伸缩泵工作原理如图1－8所示。Active Signal Technologies公司设计开发的超磁致伸缩水泵［36］输出压力为21 MPa，最大流量为57 m L／s，最大频率能达到2 kHz。南京航空航天大学陈龙［37］设计的超磁致伸缩泵采用80 mm的GMM棒为驱动元件，当输入电压为4 V时，输出流量能够达到180 m L／min，输出压力接近0.1 MPa，峰值频率能达到400 Hz。田冬林提出了相变材料和热膨胀补偿机构相组合的温控方法，以控制GMM热变形对输出的影响，该方法将温度控制在（45±0.5）℃范围内，提高了超磁致伸缩泵的输出精度［38］。

图1-8　超磁致伸缩泵的工作原理

7．在能量回收装置中的应用

基于GMM的维拉里效应，还可以将GMM应用于能量收集装置。其工作原理是利用GMM表现出的机械变量与电磁场之间的耦合关系，将外界的振动能量转化为电能，具有输出功率高、稳定性强、适应性广等优势，可为微机电系统等中小型功率器件供电，其基本结构如图1－9所示。河北工业大学的王志华设计了柱棒式超磁致伸缩能量收集装置，当输入频率为47 Hz、初始角为5°、大小为0.05 MPa的激振应力时，输出电动势峰峰值可达100 mV，输出功率达10 mW以上［39］。美国北卡罗来纳州立大学的Wang设计了悬臂梁式超磁致伸缩能量收集装置，研究了不同层数薄膜对能量收集装置输出性能的影响，采用2～3层薄膜、频率为342 Hz时，可输出1.5 V的开路电压［40］。

图1-9　超磁致伸缩能量回收装置的基本结构