主动控制中致动器与传感器的介绍

主动振动控制中致动器与传感器的介绍1.致动器的含义致动器又称作动器或执行机构，其作用是将控制器输出的电量等非机械量转变为应变、位移、力等机械力学量，以实现对控制对象的应变驱动、位移驱动、力驱动的目的，因此，它是主动振动控制系统中必不可少的一个环节。实际应用对致动器提出的基本性能要求包括：最大极限应变量、刚度、频带、线性、强度、温度灵敏度、有效性和可靠性等。目前，用于主动振动控制的执行机构主要有：气动伺服致动器、液压伺服致动器、电磁式致动器、压电致动器、电致伸缩致动器、形状记忆合金致动器以及超磁致伸缩致动器等。气候伺服致动器气动伺服致动器通常由一个气缸和一个供气泵组成，通过改变二位四通的气阀，可以控制气缸活塞的上下运动，实现控制杆的位移和力的输出，从而对振动进行控制。使用气动伺服致动器的优点主要是由于气动伺服致动器系统结构简单并且容易维持，致动器零件价格相对低廉，对于一般的控制系统尤其是对控制精度要求不是很高的控制系统容易达到控制的目的，操作安全易行，有很好的力输出和位移输出，稳定性和可靠性高，其缺点是机构时延大，容易出现迟滞现象，对于气泵的输入输出管道要求高。液压伺服致动器是一个液压作动筒，其工作原理和气动式类似，由于液压式致动器控制力(位移)大、稳定性及可靠性高，因此得到广泛的应用。其缺点是机构延时大，容易出现迟滞、爬行、蠕动等缺点。主要适用于低频、力大的场合[6]。电磁式致动器电磁式致动器近年来在主动振动控制中逐渐受到重视，从主磁路磁场形成的机理的不同，电磁式致动器可分为永磁性和电磁性两类。电磁式致动器的优点是频率范围宽，可控性好，易于对复杂周期振动及随机振动实施控制，主要适用于较高频率、控制力不大的场合,而且电源通常比气源、液压源简单易行[7]。压电致动器与电致伸缩致动器对于压电材料，电场与机械应变场具有一阶近似线性关系，且是双极性的，即正、逆压电效应。压电式致动器就是利用压电材料的正、逆压电效应进行工作。压电式致动器可以分为薄片(或薄膜)型和叠层(或厚)型。薄膜型可以进一步分成压电陶瓷片(PZT)或压电薄膜(PVDF)。薄膜型通常粘结在激励的结构上，通过向该结构施加弯矩来产生激励。压电式执行器具有精度高、不发热、响应速度较快、重量轻、机电转换效率高等优点，但输出力小，所需驱动电压高，且压电料存在滞后现象，主要用于高频、控制力不大的场合[8]。电致伸缩材料，如PMN，不是双极性的，而且电场与应变场的关系是非线性的，但无滞后现象[9]。形状记忆合金（SMA）形状记忆合金(SMA)是近几十年发展起来的一种新型智能材料。它既有传感功能(感知并接收应力、应变、电、热等信号)，又具有驱动功能(对激励产生响应)，而且形状记忆合金具有源于热弹性马氏体相变的所谓形状记忆效应．可根据热、力、电各种物理参变量之间的关系对响应进行主、被动控制。形状记忆合金致动器只需SMA单独一种材料，其体积可以很小，而且还能被做成纤维状。形状记忆合金致动器具有很强的抗疲劳破坏能力，每次被驱动所产生的应力、应变的大小都基本相同，而且也不易受环境因素如湿度或真空的影响，但形状记忆合金致动器具有实时性差等缺点，也不适用于高精度的微制造隔振平台的控制[8]。超磁致伸缩致动器(GMA）超磁致伸缩致动器(GMA)是在超磁致伸缩材料的基础上发展起来的一种新型致动器，与常用的压电材料、形状记忆合金致动器相比，超磁致伸缩致动器具有响应速度快、应变大、使用频带宽(0—3000Hz)、驱动电压低等优点，因而受到众多研究者和研究机构的关注。早在1842年，焦耳发现：磁性材料所处的磁场变化时，其长度(主要的)和体积也随之发生微小的变化。此现象称为磁致伸缩，又称焦耳效应。长期以来，作为磁致伸缩材料的主要是镍、铁等金属或合金，由于磁致伸缩值较小，功率密度不高，故应用面较窄，主要用于声纳、超声波发射等方面。所谓“稀土超磁致伸缩材料”则指国外八十年代末新开发的新型功能材料。主要是指稀土一铁系金属问化合物。这类材料具有比铁、镍等大得多的磁致伸缩值，其磁致伸缩系数x比一般磁致伸缩材料高约102～103倍，因此被称为巨或超磁致伸缩材料。迄今为止，比较理想、性能稳定、应用较广的一种超磁致伸缩材料是Terfenol-D(铽镝铁磁致伸缩合金)。在高精度稳定平台等特殊结构中，Terfenol-D是一种很有前途的材料，它在磁场作用下机械形变能力为压电材料的10倍，杨氏模量相当高，约为25×10一35×10N／m2，因此能够提供较大的控制力[9]。2.传感器传感器是振动主动控制系统中的重要元件，其作用是将机械量(应变、位移、速度、加速度)转化为非机械量(电、光等)。从传感器的工作原理看，既有诸如加速度传感器、应变仪、接近式检测仪等传统类型传感，又有基于压电材料、光导纤维和形状记忆合金的新型传感器及先进的非接触式传感器[10]。电阻应变片只能感受结构一点的平均应变量，而光导纤维可以感受结构连续的应变量。传感器的选择取决于所检测的系统变量以及所采用的信号处理方式。用于振动主动控制的传感器主要有加速度传感器、速度传感器和位移传感器。尽管位移传感器的动态范围小于加速度传感器的动态范围，但位移传感器在低频(o～10Hz)时更实用，此时要测量的加速度值太小。同样，在一些振动系统中，位移是首选的控制变量，对加速度信号进行双重积分来得到位移信号常常导致过大的电磁噪声干扰。参考文献李海斌．振动主动控制技术现状和发展[J]．振动与冲击，1998，17(3)：38—42．王加春．机械振动主动控制技术的研究现状和发展综述[J]．机械强度，2001，6(1)：156-160．任建亭．振动控制传感嚣作动器的数目和住置优化设计[N]．振动工程学报，2001，14(2)：237—241．丁文镜．振动主动控制当前的主要研究课题[J]．力学进展，1994，24(2)：173—180．李值宝．振动工程中智能结构的研究进展[J]．力学进展，1999，29(2)：165—177．