单步位移实验详解

频率f＝5 Hz、不同驱动电压下的位移特性曲线如图4－25所示。在不同驱动电压下，位移曲线都呈阶梯状，说明致动器可以实现步进式位移运动。另外，随着驱动电压增大，曲线中的脉冲现象也更加明显，这是由于驱动电压越大，GMM棒的输出力也越大，对质量块的冲击力也越大。

图4-25　不同驱动电压下的位移特性曲线（书后附彩插）

在电压U＝3 V、频率分别为f＝5 Hz和f＝50 Hz时，两个质量块的位移曲线如图4－26所示。从图4－26中可以看出，驱动电压快速上升时，GMM棒伸长，推动两个质量块向两个方向产生位移，由于两个质量块的质量m1＞m2，其位移；电压缓慢下降时，GMM棒收缩，质量块A在静摩擦力作用下保持静止状态，位移y1保持不变，质量块B向左移动，y2逐渐减少。其位移变化过程和工作原理一致，说明惯性式直线致动器的设计方案是可行的。另外，在电压信号快速上升的过程中，位移y1和y2都出现了脉冲形状，然后回落，这主要是两个质量块瞬间受力，由于惯性产生的冲击造成的。

从图4－26（a）可以看出，致动器的输出位移y1的实验值和模拟值基本一致，而位移y2的实验值要小于模拟值且呈非线性变化，这主要是由于功率放大器低频失真造成的，但y2的非线性并不影响致动器的输出位移y1。而在图4－26（b）中，功率放大器的波形不再失真，y2的模拟值和实验值基本重合。

图4-26　两个质量块的位移曲线

（a）f＝5 Hz；（b）f＝50 Hz(www.xing528.com)

信号发生器输出的锯齿波信号经功率放大器放大后，频率分别为5 Hz和50 Hz时，电压、电流的响应曲线如图4－27所示。当频率为5 Hz时，电压曲线和电流曲线基本吻合，信号缓慢下降时，由于功率放大器低频失真，电压和电流曲线都呈非线性［图4－27（a）］，造成在驱动信号缓慢下降阶段，位移y2曲线呈非线性，如图4－26（a）所示。当频率达到50 Hz时，电压和电流曲线都为锯齿波形状［图4－27（b）］，所以在驱动信号缓慢下降阶段，位移y2曲线恢复线性，如图4－26（b）所示。

图4-27　不同频率下的电压和电流响应曲线

（a）f＝5 Hz；（b）f＝50 Hz

频率f＝5 Hz、单步位移随电压的变化规律如图4－28所示。从图4－28可以看出，随着电压的增大（0～4.5 V），模拟值曲线基本呈线性增长，这是由于惯性式直线致动器设置了偏置磁场，GMM棒应变曲线的0点对应图2－6中的H B点，跳过了应变曲线的低磁场死区阶段（图2－6中的ab段），使GMM棒处于线性增长区域；随着电压的继续增大，模拟值曲线的增长趋势变得缓慢，逐渐达到饱和状态。实验值的变化规律和模拟值基本一致，驱动电压较低时（0～1 V），实验值小于模拟值，这主要是由于惯性式直线致动器受外界因素的影响较大，驱动电压低时，位移输出也小，摩擦阻力等外界因素对输出位移的影响就尤为明显，使得实验值小于模拟值，二者最大相对误差达到了21.22%。驱动电压处于中等区域时（1.5～4.5 V），实验值和模拟值都基本呈线性变化，二者基本吻合，最大相对误差为4.84%。当驱动电压超过4.5 V时，实验值开始明显小于模拟值，这主要是由于随着驱动电压的继续增大，磁场强度逐渐达到饱和，而风扇散热装置的冷却效果有限，GMM棒的温升和涡流损耗使得磁致伸缩应变减小，导致实验值小于模拟值。实验中发现，线圈电压超过4.5 V时，线圈开始明显发热，所以将最高工作电压设定为4.5 V，此时最大单步位移为7.49 μm。

图4-28　单步位移随电压的变化规律