專利名稱：一種磁致伸縮效應智能檢測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
一種磁致伸縮效應智能檢測系統(tǒng)技術領域[0001]本實用新型涉及一種磁致伸縮效應和測量物體微小長度的方法及裝置。具體來說，本實用新型涉及一種基于磁流變脂磁致伸縮效應的光杠桿微位移納米精度測量方法及直O(jiān)背景技術[0002]磁流變脂是由微米級鐵磁性粒子、基礎油、稠化劑、添加劑和填料組成的結構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展[J]，材料開發(fā)與應用，2009， 24(2) :62-67)。其鐵磁性顆粒大小為微米數(shù)量級，而磁疇大小也為微米數(shù)量級，因此，磁流變脂是一種磁致伸縮材料。近年來，磁流變體作為一種智能材料，已經(jīng)得到了廣泛的應用。 但磁流變脂磁致伸縮效應并沒有引起國內(nèi)外科學界的關注，也沒有人提出磁流變脂磁致伸縮效應引起的應變量測量裝置。[0003]在工程及科學實驗中，需要測量微小長度變化量，常用的測量裝置有千分尺法和光杠桿法。千分尺法測微裝置，需要固定測量點，即測量點位置變化會引起測量誤差。光杠桿法測微裝置，由全反射平面鏡、尺讀望遠鏡、標尺等裝置構成，將微小長度(高度)變化量轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿〗嵌茸兓?，尺讀望遠鏡將角度變化轉(zhuǎn)變?yōu)榭潭瘸呱陷^大的讀數(shù)，但測量精度不足。譚興文，何國田提出一種新的光杠桿測量裝置(譚興文，何國田，納米精度光杠桿微位移測量方法的研究[J]，中國激光，2009，36 (s2) :189-193)，將微位移傳感器(PSD)應用于光杠桿測量中。這種在先技術具有操作簡單，可實現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點，但在光杠桿測量過程中存在著近似運算，測量精度有所降低，角度調(diào)節(jié)困難，不能測量納米級位移量。隨著科學的發(fā)展，對微位移測量精度的要求達到亞納米量級，在先技術已經(jīng)不適合精度要求極高的工程實踐和科學研究(如測量磁流變脂磁致伸縮效應的應變量)。實用新型內(nèi)容[0004]為了克服上述不足，本實用新型提出一種磁流變脂磁致伸縮效應的光杠桿亞納米精度測量方法，并設計一種能夠精確測量微位移變化量的光杠桿測量裝置。利用在先技術光杠桿原理，設計出新光路及角度調(diào)節(jié)裝置，將微位移進行二級放大(光杠桿放大法、光學成像放大法)，至少放大IO6倍。用微位移傳感器(PSD)代替標尺，使PSD輸出信號進入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對磁流變脂磁致伸縮效應應變力的高精度測量。[0005]本實用新型所采用的技術方案[0006]為了解決上述問題，本實用新型設計一種磁流變脂磁致伸縮效應的光杠桿測量裝置，能實時獲得磁流變脂磁致伸縮效應引起的應變量大小，其精度可達亞納米量級。本實用新型設計的測量裝置由激光發(fā)射系統(tǒng)、磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動器、光位移放大裝置、 光學成像放大系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)構成。[0007]本實用新型設計的光位移放大裝置如
圖1所示，由平面鏡(反射鏡)M1、M2構成； 其中Ml —端固定，另一端可在垂直方向上移動，M2固定。激光發(fā)射系統(tǒng)如圖2所示，由激光器、準直鏡、光闌、反射鏡、壓電陶瓷(PZT)、角度傳感器和單片機處理系統(tǒng)七部分構成。磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動器如圖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。光學成像放大系統(tǒng)如圖4所示，由多個凸透鏡組構成(每個透鏡組由二個透鏡組成，放大倍數(shù)在10-100之間)。信號處理系統(tǒng)如圖5所示，由位移光電探測器、預放電路、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換、單片機系統(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)動器線圈輸入端相連，為磁流變脂磁致伸縮時所需磁場提供磁場。伸縮桿與平面鏡Ml的一端接觸，設為B點，伸縮桿移動帶動平面鏡Ml移動。[0008]激光發(fā)射系統(tǒng)由激光器、準直鏡、光闌、反射鏡、壓電陶瓷(PZT)、角度傳感器和單片機處理系統(tǒng)七部分構成；氦氖激光器(101)上固定角度傳感器(106)，激光器發(fā)射出的激光通過第一準直鏡(102)、孔徑光闌(104)、第二準直鏡(10 后經(jīng)一反射鏡(10 入射到位移光放大裝置Ml上。壓電陶瓷PM150/4/7VS9 (107a、107b、107c、107d)通過89C51單片機(108)控制反射鏡105的角度。激光器發(fā)出的激光經(jīng)過準直鏡和光闌后變成平行光， 從B點入射到平面鏡Ml的平面上，經(jīng)過平面鏡Ml反射到光放大裝置中的M2鏡上。光在平面鏡M1、M2間多次往返反射后，最后從Ml另一端A處射出，照射到光學成像放大系統(tǒng)輸入端，進行第二級位移放大；經(jīng)光學成像放大系統(tǒng)多次放大后，成像在位移光電探測器光敏面上。位移光電探測器輸出電信號經(jīng)過預放電路、濾波器和A/D轉(zhuǎn)換輸入到單片機系統(tǒng)，進行微位移處理，計算出磁流變脂磁致伸縮效應引起的微位移量。[0009]通過角度傳感器測量平面鏡偏轉(zhuǎn)的角度，并通過單片機、PZT控制激光器的入射角度大小，從而調(diào)節(jié)光放大裝置對位移的放大倍數(shù)。[0010]當直流電源不工作時，磁流變脂不發(fā)生磁致伸縮效應，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器某一點上。當直流電源工作時，磁流變脂發(fā)生磁致伸縮效應，伸縮桿向上伸長，帶動Ml向上移動，光將照射在位移光電探測器另一點上。兩點間的距離就是磁致伸縮待測量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后可得實際磁致伸縮量。[0011]具體測量思想如下[0012]如圖1所示，將磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動器以線接觸方式觸碰在B處。激光束經(jīng)過透鏡和孔徑光闌后變?yōu)槠叫卸群?、光強分布集中的光束。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，通過光學成像放大系統(tǒng)(透鏡組)后照射到位移光電探測器上。初始位置時Ml和M2互相平行，當給線圈通電后，外磁場作用于磁流變脂上。磁流變脂磁致伸縮產(chǎn)生微小位移AL，平面鏡Ml繞A點轉(zhuǎn)動，至端點 B處上移AL。Ml偏轉(zhuǎn)微小角度Δ α，如圖中虛線所示[0013]tan Δα = —(1)b[0014]b為平面鏡Ml上AB段長度。[0015]由于Δ α很小，所以[0016]Δα = tan Aa = -(2)b[0017]光束經(jīng)過多次反射，出射角Δ β角度變化為[0018]Αβ = 2nAa = 2n(3)[0019]式中η為光線在兩反射鏡間的反射次數(shù)。[0020] 設第一級放大(光杠桿放大裝置)位移量為Δ S，AC = d，AD = I1, AE = 12，CD = 13； ED = Δ s，在AAED中，根據(jù)余弦定理得u +I27-As2 COsAy^ = · 221Α[0022] 其中[0023][0024]I1 = ^Jd2 +1 dU =COS^[0025]θ是激光器入射角，且θ =Z CAE。[0026]把(5)、(6)代入(4)中，得 d1 cos2 θ + ξ cos2 0 + d2-As2 cos2 θ(4)(5)(6)[0027]COS Ay^ =2d cos θ^d2 +1[0028]由(3)知[0029]cosA^ = cos[0030]由(7)式與(8)式得[0031](7)(8)d2 cos2 θ + ξ cos2 θ + d2 -Δ 2 cos2 θ 、 arccos(-. -)IdJd2 +Il cos θ AL = b- v 3(9)2n[0032]其中b、d、θ、l3、n、已知。[0033]由上可知，第一級放大后的位移為As。為了提高測量精度，需進一步放大位移量 As，如圖4所示，設經(jīng)過第二級位移放大(光學成像放大系統(tǒng)，即透鏡組)后，位移光電探測器測得距離為Δ h，透鏡組放大倍數(shù)為k，則[0034]Ah = kAs (10)[0035]故測量裝置測磁致伸縮應變量大小的表達式為99999Ah 99d2 cos2 θ +123 cos2 θ + d2 - (一)2 cos2 θ[0036]arccos(-1---)IdJd +1 cos θ AL = b- ~ 3(11)2n[0037]由上可知，位移光電探測器測得兩點間距離Ah，經(jīng)過信號處理系統(tǒng)進行信號處理，從而得到待測量位移AL的值。[0038]本實用新型設計的激光發(fā)射系統(tǒng)1如圖2所示，[0039]所述的激光器101可以為氦氖激光器、二氧化碳激光器，半導體激光器等。[0040]所述的準直鏡為凸透鏡102、103，使光線經(jīng)過后變得平行。[0041]所述的光闌為孔徑光闌104。[0042]所述的反射鏡為平面鏡105，其形狀為長方形，正方形，圓形或橢圓。[0043]所述的壓電陶瓷107a-107d(PZT)，是一種無機非金屬并且具有壓電效應的材料， 四個相同的PZT安放在反射鏡底部的四個角上。[0044]所述的角度傳感器106用來測量反射鏡偏轉(zhuǎn)的角度。[0045]所述的單片機系統(tǒng)108通過PZT來控制激光器入射角的大小。[0046]本實用新型設計的磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動器3如圖2所示，[0047]所述的封裝缸體301，其材料為鋁、銅等非鐵磁性金屬。內(nèi)部充滿磁流變脂。[0048]所述的線圈302，其材料為銅，均勻繞制在封裝上。[0049]所述的磁流變脂303，由微米級鐵磁性粒子、基礎油、稠化劑、添加劑和填料組成的結構骨架的膠體分散體系。也可是磁流變液、磁性液體等等測樣品。[0050]所述的活塞304，其材料為鋁、銅等非鐵磁性金屬，形狀為方形，圓柱形。[0051]所述的伸縮桿305，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。[0052]所述的密封螺絲306，其材料為鋁、銅等非鐵磁性金屬。密封性能好。[0053]本實用新型所述位移第一級放大裝置為光放大裝置由平面鏡4(M1)、平面鏡 5(M2)構成，要求高反射率；其中平面鏡4 一端可在垂直方向上移動，平面鏡5固定。位移第二級放大裝置為光學成像放大系統(tǒng)6，由多個凸透鏡組構成。出射光線通過凸透鏡組，將 Δ s放大Ml[0054]本實用新型設計的信號處理系統(tǒng)7如圖4所示。由位移光電探測器701、預放電路702、濾波器703、A/D轉(zhuǎn)換704、單片機系統(tǒng)108組成。經(jīng)凸透鏡組6出射的光照射到位移探測器701光敏面上，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。位移光電探測器701輸出電信號經(jīng)過預放電路、濾波器和A/D轉(zhuǎn)換輸入到單片機系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)處理。[0055]所述的預放電路702由運算放大器組成，放大倍數(shù)為5 10倍。[0056]所述的濾波器703為低通濾波器。[0057]所述的單片機系統(tǒng)108與激光發(fā)射系統(tǒng)1中的單片機系統(tǒng)108為同一個系統(tǒng)，位移光電探測器701輸出電信號經(jīng)過預放電路702、濾波器703和A/D轉(zhuǎn)換704輸入到單片機系統(tǒng)108中，由單片機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)108進行處理。[0058]在本實用新型的技術方案中，提出一種新和光杠桿測量方法，具有測量準確、快速、亞納米精度、實時等特點，具有良好的應用前景。[0059]本實用新型所采用的方法[0060]根據(jù)上述測量裝置，本實用新型進一步提出一種基于磁流變脂磁致伸縮應變量的測量方法，該方法包括以下步驟[0061](1)將待測樣品(如磁流變脂)充滿磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動器中[0062](2)將磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動器以線接觸的方式作為平面鏡支點。[0063](3)令平面鏡Ml和Μ2平行放置，作為位移的第一級放大。凸透鏡組放大單元放置在出射光線方向上，接收從Ml —端A處出射的光，作為位移的第二級放大。[0064](4)通過單片機和壓電陶瓷控制激光發(fā)射裝置角度。調(diào)整角度后，通過角度傳感器記錄下激光器入射角大小。[0065](5)直流電源為磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動器的線圈提供電流，使其內(nèi)部產(chǎn)生磁場。磁流變脂在外加磁場的作用下發(fā)生磁致伸縮效應，產(chǎn)生磁致伸縮應變量，并通過伸縮桿與平面鏡Ml接觸，使Ml發(fā)生傾斜，導致平面鏡Ml、Μ2之間的光線傳播路徑發(fā)生改變。[0066](6)位移光電探測器接收未加磁場時出射光線和外加磁場后的出射光線，通過預放電路、A/D轉(zhuǎn)換，輸入到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。[0067](7)磁流變脂磁致伸縮應變量大小為
權利要求1. 一種磁致伸縮效應智能檢測系統(tǒng)由激光發(fā)射系統(tǒng)、磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動器、光位移放大裝置、光學成像放大系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)構成； 其特征為所述的激光發(fā)射系統(tǒng)，由激光器、準直鏡、光闌、反射鏡、壓電陶瓷(PZT)、角度傳感器和單片機處理系統(tǒng)七部分構成；氦氖激光器(101)上固定角度傳感器(106)，激光器發(fā)射出的激光通過第一準直鏡(102)、孔徑光闌(104)、第二準直鏡(10 后經(jīng)一反射鏡(10 入射到位移光放大裝置Ml上；壓電陶瓷PStl50/4/7VS9 (107a、107b、107c、107d)通過89C51單片機(108)控制反射鏡(105)的角度。
專利摘要基于磁流變脂的磁致伸縮效應沒有引起足夠重視的不足及現(xiàn)有光杠桿法測量精度低等問題，本實用新型提出一種磁致伸縮效應智能檢測系統(tǒng)。本實用新型由磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動器和基于磁流變脂磁致伸縮應變量的光杠桿微位移測量裝置構成。磁流變脂磁致伸縮微位移驅(qū)動器以線接觸方式作用于光杠桿，當磁流變脂被磁化后，產(chǎn)生磁致伸縮應變量。通過光杠桿進行第一級放大，再被透鏡組進行第二級放大后，被PSD接收轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)過預放電路和A/D轉(zhuǎn)換輸入到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，最終得到應變量大小。本實用新型的優(yōu)點在于能準確的測量不同磁場的作用下磁流變脂磁致伸縮應變量大小，結構簡單易操作，測量準確、精度度，不易受外界干擾，可實現(xiàn)實時測量。研究磁流變脂磁致伸縮效應是對磁流變體研究的一次新的嘗試，對它的研究具有非常重要的實用價值。
文檔編號G01B11/16GK202255291SQ201120144390
公開日2012年5月30日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權日2011年5月9日
發(fā)明者何國田, 冉迎春, 劉云杰, 宋莉, 張德勝, 戴鵬飛, 王松, 谷明信, 馬燕 申請人:重慶師范大學