如何测试GMM的倍频特性？

由于GMM的输出位移应变与磁场方向无关，即GMM在激励磁场的正负两个方向上都表现出伸长性能，由激励线圈输入交变磁场时，磁致伸缩应变频率是交变磁场频率的2倍，这就是倍频现象，如图2－6中实线所示。为了解决这一问题，通常设置一个偏置磁场，GMM磁场强度为激励线圈磁场和偏置磁场强度之和，通过设置合适的偏置磁场，使GMM磁场方向始终保持为正（负），从而避免倍频现象，如图2－6中虚线所示。

图2-6　GMM的倍频现象

磁场强度较低时，磁致伸缩应变较小（图2－6中的ab段）；磁场强度达到中等时，磁致伸缩应变与磁场强度基本呈线性关系（图2－6中的bc段）；磁场强度达到高磁场时，磁致伸缩应变逐渐变小，达到饱和磁致伸缩状态（图2－6中的cd段）。通过施加偏置磁场，可以使GMM工作在线性增长区域，发挥GMM的最佳输出性能。偏置磁场的大小应适中，偏置磁场强度过小，不能抵消激励线圈磁场强度的负值，达不到磁场偏置的目的；偏置磁场强度过大，很小的激励线圈交变磁场就能使GMM达到饱和磁场强度，减小了磁致伸缩应变的变化范围，降低了GMM的输出性能。偏置磁场的大小应为应变曲线线性段中点处对应的磁场强度（图2－6中点H B），此时激励线圈产生交变磁场时，应变在以H B点为中心的线性区域内变化，能发挥GMM的最佳输出性能。

常用的偏置磁场的施加方式主要有两种：一种是通过偏置线圈提供偏置磁场，另一种是通过永磁体施加偏置磁场。线圈偏置磁场简单方便，通过调整线圈电流大小就可以改变偏置磁场强度，便于控制，但激励线圈和偏置线圈之间会产生互感，相互干扰，同时还会增大致动器的整体尺寸。随着永磁材料和制备工艺的发展，稀土永磁材料的磁能积不断提高，可以提供足够强度的偏置磁场，而且永磁材料对驱动线圈影响很小，工作状态稳定，所需空间小，成为偏置磁场的主要施加方式。永磁体偏置磁场常见的设置方式主要有两种，一种是套在GMM棒外部的筒式永磁体偏置［145］，这种形式磁场强度较为均匀，但难以提供较大的偏置磁场，而且所需安装空间大；另一种是置于GMM棒两端的片式永磁体偏置［146］，这种结构的最大优点是结构简单，占用空间小，其缺点是磁场的均匀度较差。(www.xing528.com)

受限于安装空间，本书采用在GMM棒两端设置永磁体的形式来提供偏置磁场，永磁体材料为钕铁硼（Nd2 Fe14 B），尺寸为φ3 mm×2 mm。驱动信号为1 Hz的正弦信号时，分别在有偏置磁场和无偏置磁场两种情况下，输入相同的交变磁场，GMM棒（φ3 mm×20 mm）的输出位移曲线如图2－7所示。从图2－7可以看出，无偏置磁场时，输出频率为2 Hz，出现了倍频现象；有偏置磁场时，输出频率为1 Hz，与输入频率相同。从图2－7还可以看出，有偏置磁场的输出位移是无偏置磁场的2倍多，这表明在相同条件下，施加较小的交变磁场就可以充分发挥GMM的输出性能，达到饱和磁致伸缩时所需的磁场强度小，能量消耗小，对减小激励线圈和致动器尺寸有重要的意义。

图2-7　有偏置磁场和无偏置磁场的输出位移

驱动信号为正方波信号时，GMM磁场强度始终为正，不需要设置偏置磁场。驱动信号为正弦波、锯齿波等交变信号时，激励线圈产生交变磁场，需设置偏置磁场来避免倍频现象，同时还能提高GMM的磁致伸缩系数。