本發(fā)明涉及超磁致伸縮彎張換能器能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)量，尤其涉及一種超磁致伸縮彎張換能器能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、超磁致伸縮材料具有頻響快、出力大、能量密度高等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)成為目前研究的熱點(diǎn)。其廣泛應(yīng)用于水下探測(cè)、無(wú)損探傷等場(chǎng)合。作為超磁致伸縮彎張換能器的核心部件，超磁致伸縮棒材的工作狀態(tài)對(duì)材料特性具有較大影響，進(jìn)而對(duì)超磁致伸縮彎張換能器的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生巨大影響。而現(xiàn)有超磁致伸縮彎張換能器的在不同工況下的能量轉(zhuǎn)換效率尚不明朗，嚴(yán)重制約了其使用和推廣。

2、目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)超磁致伸縮材料的損耗特性展開(kāi)了大量研究，并研制出了相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)，但測(cè)試對(duì)象僅為尺寸較小的環(huán)狀或塊狀材料，并且沒(méi)有考慮超磁致伸縮彎張換能器實(shí)際工作中溫度、預(yù)應(yīng)力與偏置磁場(chǎng)均不同等復(fù)雜工況，上述研究缺乏系統(tǒng)的測(cè)試方法，難以應(yīng)用于實(shí)際工況，并不能為超磁致伸縮彎張換能器的研制提供較大參考。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提出一種超磁致伸縮彎張換能器能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試系統(tǒng)及方法，其能夠有效地提取在不同預(yù)應(yīng)力及溫度工況下超磁致伸縮彎張換能器的能量轉(zhuǎn)換效率，對(duì)超磁致伸縮彎張換能器的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性意義。

2、為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

3、一種超磁致伸縮彎張換能器能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試系統(tǒng)，包括負(fù)載部分，負(fù)載部分電連接有測(cè)量與監(jiān)測(cè)部分和供電部分，負(fù)載部分通過(guò)供電部分進(jìn)行供電，其特征在于：

4、所述負(fù)載部分包括振子模塊、勵(lì)磁模塊、導(dǎo)磁模塊、輸出模塊、預(yù)應(yīng)力加載模塊和溫控模塊；所述振子模塊包括超磁致伸縮棒材、上釤鈷永磁體和下釤鈷永磁體；所述勵(lì)磁模塊包括左勵(lì)磁線圈和右勵(lì)磁線圈；所述導(dǎo)磁模塊包括上導(dǎo)磁塊、下導(dǎo)磁塊和磁軛，上導(dǎo)磁塊和下導(dǎo)磁塊對(duì)稱(chēng)分布在振子模塊兩端，與磁軛共同形成換能器的磁路；所述輸出模塊為彎張殼體，彎張殼體設(shè)置在導(dǎo)磁模塊兩端；所述預(yù)應(yīng)力加載模塊包括數(shù)顯壓力傳感器和壓機(jī)，壓機(jī)位于彎張殼體的長(zhǎng)軸方向，數(shù)顯壓力傳感器位于上導(dǎo)磁塊與彎張殼體長(zhǎng)軸之間；所述溫控模塊包括恒溫箱，恒溫箱將振子模塊全部包覆，恒溫箱還包覆有上導(dǎo)磁塊下部和下導(dǎo)磁塊上部；所述上釤鈷永磁體和下釤鈷永磁體對(duì)稱(chēng)分布在超磁致伸縮棒材兩端，超磁致伸縮棒材兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布有左勵(lì)磁線圈和右勵(lì)磁線圈；

5、所述測(cè)量與監(jiān)測(cè)部分包括數(shù)字化平臺(tái)，數(shù)字化平臺(tái)電連接功率分析儀、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)、激光位移傳感器、存儲(chǔ)記錄儀和示波器，動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)電連接加速度傳感器，加速度傳感器放置于彎張殼體短軸處，激光位移傳感器位于彎張外殼短軸外側(cè)，存儲(chǔ)記錄儀電連接霍爾芯片、感應(yīng)線圈和熱電偶，霍爾芯片緊密貼在超磁致伸縮棒材表面，感應(yīng)線圈纏繞在超磁致伸縮棒材表面，熱電偶粘貼在超磁致伸縮棒材上，示波器與功率分析儀電連接左勵(lì)磁線圈和右勵(lì)磁線圈兩端。

6、進(jìn)一步的，所述供電部分包括可編程交流電源和匹配箱，可編程交流電源通過(guò)匹配箱電連接負(fù)載部分。

7、進(jìn)一步的，所述溫控裝置還包括加熱片和溫控裝置，加熱片設(shè)置與恒溫箱內(nèi)壁，溫控裝置電連接加熱片。

8、進(jìn)一步的，所述供電部分中的匹配箱由多個(gè)電容組成，通過(guò)調(diào)節(jié)電容的串并聯(lián)，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)不同工況下的電抗進(jìn)行匹配。

9、進(jìn)一步的，所述恒溫箱，內(nèi)層骨架由環(huán)氧樹(shù)脂板制成，外層由保溫棉制成。

10、一種超磁致伸縮彎張換能器能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試方法，包括以下步驟：

11、步驟1:利用權(quán)利要求2中所述的可編程交流電源為超磁致伸縮彎張換能器提供幅值不同的交變電流，利用權(quán)利要求1中所述的霍爾芯片對(duì)超磁致伸縮棒材中的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，利用權(quán)利要求1中所述的感應(yīng)線圈對(duì)超磁致伸縮棒材中的磁通密度進(jìn)行測(cè)試，并按照公式：we1(t,σ,bbias)＝∫hdb(t,σ,bbias)求解相應(yīng)工況下的超磁致伸縮棒材的磁能損耗we1(t,σ,bbias)，其中t為該工況下的溫度，σ為預(yù)應(yīng)力，bbias為偏置磁場(chǎng)。利用權(quán)利要求4中所述的示波器對(duì)勵(lì)磁線圈兩端的電壓、電流、相位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到勵(lì)磁線圈的渦流損耗we2。超磁致伸縮棒材的磁能損耗we1(t,σ,bbias)與勵(lì)磁線圈的渦流損耗we2之和為超磁致伸縮彎張換能器的電磁損耗we(t,σ,bbias)；

12、步驟2:利用權(quán)利要求1中所述的加速度傳感器對(duì)該工況下超磁致伸縮彎張換能器殼體的機(jī)械特性進(jìn)行測(cè)試，利用權(quán)利要求1中所述的激光位移傳感器對(duì)該工況下超磁致伸縮彎張換能器殼體短軸的位移進(jìn)行測(cè)試，并按照公式:wm(t,σ,bbias)＝ωr·es·q＝wr·q·e·ε(t,σ,bbias)2·v；ωr為角頻率，es為單位體積內(nèi)的彈性勢(shì)能，q為質(zhì)量因數(shù)，e為楊氏模量，ε(t,σ,bbias)為考慮溫度、預(yù)應(yīng)力、偏置磁場(chǎng)影響下彎張殼體短軸的位移，v為體積，對(duì)超磁致伸縮彎張換能器的機(jī)械損耗wm(t,σ,bbias)進(jìn)行計(jì)算；

13、步驟3:利用權(quán)利要求1中所述的功率分析儀對(duì)該工況下超磁致伸縮彎張換能器的輸入電功率wp進(jìn)行監(jiān)測(cè)，減去步驟1與步驟2中所述的電磁損耗we(t,σ,bbias)與機(jī)械損耗wm(t,σ,bbias)，可以得到輸出機(jī)械能wo(t,σ,bbias)，進(jìn)而可以計(jì)算超磁致伸縮彎張換能器的電磁轉(zhuǎn)換效率ηe(t,σ,bbias)、磁機(jī)轉(zhuǎn)換效率ηm(t,σ,bbias)與能量轉(zhuǎn)換效率η(t,σ,bbias)；

14、步驟4:利用權(quán)利要求1中所述的溫控模塊改變超磁致伸縮棒材的溫度，利用權(quán)利要求1中所述的壓機(jī)改變超磁致伸縮彎張換能器的預(yù)應(yīng)力，再次向超磁致伸縮彎張換能器提供與步驟1-2相同幅值及頻率的交流電流，并按照步驟1-3所述，測(cè)試超磁致伸縮棒材的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通密度、超磁致伸縮彎張換能器殼體的機(jī)械特性及短軸位移，得到在不同溫度與預(yù)應(yīng)力工況下，超磁致伸縮彎張換能器能量轉(zhuǎn)換效率。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

16、本發(fā)明提供了一種超磁致伸縮彎張換能器能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過(guò)供電部分產(chǎn)生不同工況下的激勵(lì)，為負(fù)載部分提供交變磁場(chǎng)，利用負(fù)載部分的預(yù)應(yīng)力加載模塊與溫控模塊對(duì)超磁致伸縮棒材的預(yù)應(yīng)力與溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用測(cè)量與監(jiān)測(cè)部分可以測(cè)量不同工況下超磁致伸縮彎張換能器的輸入電功率、電磁損耗與機(jī)械損耗。利用數(shù)字化平臺(tái)可以直接提取超磁致伸縮彎張換能器在實(shí)際工作時(shí)的能量轉(zhuǎn)換效率。

17、本發(fā)明提供了一種超磁致伸縮彎張換能器能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試方法，與現(xiàn)有在單一因素影響下測(cè)量小尺寸的超磁致伸縮材料損耗特性的方式相比，本發(fā)明測(cè)試對(duì)象為包含大體積、柱狀超磁致伸縮棒材的超磁致伸縮彎張換能器，并同時(shí)考慮了預(yù)應(yīng)力、溫度與偏置磁場(chǎng)的影響，直接地提取了超磁致伸縮彎張換能器在實(shí)際工作時(shí)的能量轉(zhuǎn)換效率，對(duì)大功率超磁致伸縮彎張換能器的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性意義。

技術(shù)特征：

1.一種超磁致伸縮彎張換能器能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試系統(tǒng)，包括負(fù)載部分，負(fù)載部分電連接有測(cè)量與監(jiān)測(cè)部分和供電部分，負(fù)載部分通過(guò)供電部分進(jìn)行供電，其特征在于：

2.如權(quán)利要求1所述的一種超磁致伸縮彎張換能器能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于：所述供電部分包括可編程交流電源和匹配箱，可編程交流電源通過(guò)匹配箱電連接負(fù)載部分。

3.如權(quán)利要求1所述的一種超磁致伸縮彎張換能器能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于：所述溫控裝置還包括加熱片和溫控裝置，加熱片設(shè)置與恒溫箱內(nèi)壁，溫控裝置電連接加熱片。

4.如權(quán)利要求1所述的一種超磁致伸縮彎張換能器能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于：所述供電部分中的匹配箱由多個(gè)電容組成，通過(guò)調(diào)節(jié)電容的串并聯(lián)，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)不同工況下的電抗進(jìn)行匹配。

5.如權(quán)利要求1所述的一種超磁致伸縮彎張換能器能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于：所述恒溫箱，內(nèi)層骨架由環(huán)氧樹(shù)脂板制成，外層由保溫棉制成。

6.一種超磁致伸縮彎張換能器能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試方法，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)一種超磁致伸縮彎張換能器能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試系統(tǒng)及方法，測(cè)試系統(tǒng)包括負(fù)載部分、供電部分及測(cè)量與監(jiān)測(cè)部分。所述負(fù)載部分包括振子模塊、勵(lì)磁模塊、導(dǎo)磁模塊、輸出模塊、預(yù)應(yīng)力加載模塊、溫控模塊；所述供電部分包括可編程交流電源、匹配箱；所述測(cè)量與監(jiān)測(cè)部分包括功率分析儀、存儲(chǔ)記錄儀、示波器、激光位移傳感器、加速度傳感器、數(shù)字化平臺(tái)等。本發(fā)明可以簡(jiǎn)便且有效地提取不同工況下超磁致伸縮彎張換能器的能量轉(zhuǎn)換效率，對(duì)超磁致伸縮彎張換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了理論支撐。

技術(shù)研發(fā)人員：高兵,黃博浩,趙能桐,管仁鋒,王雷,徐千鳴,彭超毅,楊文虎,趙新喆,吳澤偉,徐修賢
受保護(hù)的技術(shù)使用者：湖南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6