一种智能材料驱动的电静液作动器动态特性测试装置
技术领域
本发明涉及电静液作动器检测技术领域，尤其涉及一种智能材料驱动的电静液作动器动态特性测试装置。
背景技术
电静液作动器(Electro Hydrostatic Actuator，EHA)是一种高度集成的泵控静液传动系统，依靠电机、静液、泵阀和液压缸等机构实现力和位移的传递。传统的电静液作动器产品由电机作为驱动元件，为液压回路提供动力。然而，受制于电机物理特性限制，使电机驱动的电静液作动器的发展在高频率、高效率等方面受到影响，因此将智能材料与电静液作动器结合，可以使EHA装置相比传统机构具有更小的体积、更高的响应速度以及更精确的位移输出控制。
目前，由智能材料驱动的电静液作动器，其驱动元件通常为压电陶瓷、超磁致伸缩材料(GMM)、形状记忆合金和磁流变材料等。例如，相对于采用压电陶瓷作为驱动元件的电静液作动器，采用超磁致伸缩材料(GMM)作为驱动元件的电静液作动器在输出行程上是前者的5-8倍，且在功率密度上是前者的10倍以上，因此GMM作为驱动元件的电静液作动器在工程应用中具有更加优异的性能。
在实际使用过程中，由于GMM具有较强的非线性特性，其输出性能与激励磁场和负载应力有关联，使得智能型磁致伸缩式电静液作动器(M-EHA)装置的整体动力学特性较为复杂，影响因素也较多。因此，要整体描述和掌握M-EHA装置的动力学特性，就必须对GMM在多物理场耦合条件下的本征非线性进行研究，并且通过测试的方法掌握和了解GMM驱动时电静液作动器的动力学输出特性。
因此，亟需一种智能材料驱动的电静液作动器动态特性测试装置，能够用于测试磁场、温度、动态负载影响下的GMM本征非线性和多物理场耦合特性，实现整体对M-EHA装置的动力学特性指标测试。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种智能材料驱动的电静液作动器动态特性测试装置，能够测试磁场、温度、动态负载影响下的GMM本征非线性和多物理场耦合特性，实现整体对M-EHA装置的动力学特性指标测试。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种智能材料驱动的电静液作动器动态特性测试装置，其用于智能材料驱动的电静液作动器上；其中，所述智能材料驱动的电静液作动器包括GMM棒、直流偏置线圈、激励线圈、泵活塞、泵腔、单向阀、管路、液压缸、回油阀、蓄能器以及预紧螺栓；
其中，所述的智能材料驱动的电静液作动器动态特性测试装置包括：功率放大器、霍尔传感器、感应线圈、第一压力传感器、应变片、激光位移传感器、第二压力传感器以及dSPACE平台；其中，
所述功率放大器的控制端与dSPACE平台的第一端相连，电压输入端及电压输出端分别与所述激励线圈的两端相连；其中，所述功率放大器，用于接收所述dSPACE平台下发的控制信号，并将所述控制信号处理后输出相应的电压信号加载于所述激励线圈上；
所述霍尔传感器粘贴固定于所述激励线圈内径上并与所述dSPACE平台的第二端相连，且靠近所述GMM棒外表面设置；其中，所述霍尔传感器，用于测量所述GMM棒的表面磁场强度并送至所述dSPACE平台中；
所述感应线圈套接于所述激励线圈的外表面并与所述dSPACE平台的第三端相连；其中，所述感应线圈，用于测量所述GMM棒内部的磁通密度并送至所述dSPACE平台中；
所述第一压力传感器设置于所述GMM棒朝向所述预紧螺栓一端的端面上，并与所述dSPACE平台的第四端相连；其中，所述第一压力传感器，用于测量作用于所述GMM棒上的预紧力并送至所述dSPACE平台中；
所述应变片粘贴在所述GMM棒的外表面上并与所述dSPACE平台的第五端相连；其中，所述应变片，用于测量所述GMM棒受力后的应变量并送至所述dSPACE平台中；
所述激光位移传感器设置于所述液压缸的活塞杆前端并通过预设的螺杆升降机构来调整高度，且其与所述dSPACE平台的第六端相连；其中，所述激光位移传感器，用于测量所述液压缸的机械状态变量并送至所述dSPACE平台中；
所述第二压力传感器有两个，分别安装固定于所述液压缸高低压两端的安装孔上，并均与所述dSPACE平台的第七端相连；其中，所述两个第二压力传感器，用于测量所述液压缸的高压端和低压端的压力变化以及所述液压缸的流量变化并送至所述dSPACE平台中；
所述dSPACE平台由预装有测试软件的芯片形成，用于根据所述霍尔传感器测量的GMM棒的表面磁场强度及所述感应线圈测量的GMM棒内部的磁通密度，计算出所述GMM棒工作过程所处的磁场条件；根据所述第一压力传感器测量的GMM棒上的预紧力及所述应变片测量的GMM棒受力后的应变量，计算出所述GMM棒当前工作状态的杨氏模量，并得到相应的非线性曲线；根据所述激光位移传感器测量的液压缸的机械状态变量以及所述第二压力传感器测量的液压缸的压力变化和流量变化，计算出所述智能材料驱动的电静液作动器的输出功率、机械阻抗及动态特征指标。
其中，所述激光位移传感器设置于所述液压缸的活塞杆，并与所述液压缸的活塞杆位于同一高度。
其中，所述液压缸的机械状态变量包括输出位移、速度和加速度。
其中，所述两个第二压力传感器均与所述液压缸高低压两端的安装孔形成密封连接。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明通过测试M-EHA装置工作状态下的各项参数(包括GMM棒的磁通密度、用于驱动GMM的激励磁场强度、GMM元件的应力应变量以及液压缸两侧压力和输出的位移、速度等变量)来实现测试磁场、温度、动态负载影响下的GMM本征非线性和多物理场耦合特性，并将所测各项参数进行相互联系整理，以较完整地描述M-EHA的动力学特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的智能材料驱动的电静液作动器动态特性测试装置的系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的智能材料驱动的电静液作动器动态特性测试装置中电静液作动器的应用场景图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种智能材料驱动的电静液作动器动态特性测试装置，其用于智能材料驱动的电静液作动器(如图2所示)上；在图2中，该智能材料驱动的电静液作动器包括GMM棒1、电气控制回路(直流偏置线圈2，激励线圈3)、液压系统(泵活塞4、泵腔5、单向阀6、管路7、液压缸8和回油阀9)、蓄能器10和预紧螺栓11；其中，
GMM棒1作为作动器的驱动元件，其能量密度大(压电陶瓷的10倍以上)，响应速度快(微秒级)、定位精度高(微米级)，依靠自身的磁致伸缩效应将电磁能转换成机械能，是电静液作动器的理想驱动元件。GMM材料具有ΔE效应，即当材料所受磁场或者应力发生变化时，其杨氏模量将发生改变，表示出非线性行为；直流偏置线圈2布置在GMM棒1周围，为其提供偏置磁场，调节驱动元件GMM棒1的杨氏模量；激励线圈3布置在GMM棒1中间，为其提供驱动磁场，激励GMM棒1产生磁致伸缩，驱动作动器运动；液压系统由泵活塞4、泵腔5、单向阀6、管路7、液压缸8和回油阀9组成，将GMM棒1的小位移高频振动通过油路的配流转换为液压缸8的大位移输出；蓄能器10为系统提供偏置压力，并抵消作动器运行过程中产生的冲击以及补偿泄漏；预紧螺栓11为GMM棒1提供预紧力，可经调节使GMM棒1受变化的应力作用；
其中，GMM棒1在激励线圈3所产生的激励磁场和直流偏置线圈2产生的偏置磁场的作用下，再连同预紧螺栓11产生的预紧力的共同作用，产生磁致伸缩变形推动泵活塞5挤压泵腔6产生高压流体，经过单向阀7整流，进而推动液压缸8实现功率输出，即改变激励磁场大小和预压力大小，可使液压缸8输出不同功率。
该智能材料驱动的电静液作动器动态特性测试装置包括：功率放大器M1、霍尔传感器M2、感应线圈M3、第一压力传感器M4、应变片M5、激光位移传感器M6、第二压力传感器M7以及dSPACE平台M0；其中，
功率放大器M1的控制端与dSPACE平台M0的第一端相连，电压输入端及电压输出端分别与激励线圈3的两端相连；其中，该功率放大器M1，用于接收dSPACE平台M0下发的控制信号，并将控制信号处理后输出相应的电压信号加载于激励线圈3上；霍尔传感器M2通过粘合剂粘贴固定于激励线圈3内径上并与dSPACE平台M0的第二端相连，且靠近GMM棒1外表面设置；其中，该霍尔传感器M2，用于测量GMM棒1的表面磁场强度并送至dSPACE平台M0中；应当说明的是，霍尔传感器M2获得电流信号，在dSPACE平台M0中处理成磁场强度；
感应线圈M3套接于激励线圈3的外表面并与dSPACE平台M0的第三端相连；其中，该感应线圈M3，用于测量GMM棒1内部的磁通密度并送至dSPACE平台M0中；应当说明的是，该感应线圈M3两端获得感应电压，在dSPACE平台M0中经数字磁通计积分处理，就会得到磁通密度大小；
第一压力传感器M4为应变片型，设置于GMM棒1朝向预紧螺栓11一端的端面上，并与dSPACE平台M0的第四端相连；其中，该第一压力传感器M4，用于测量作用于GMM棒1上的预紧力并送至dSPACE平台M0中；应当说明的是，该第一压力传感器M4获取压力信号，会在dSPACE平台M0中处理成预紧力；
应变片M5通过粘合剂粘贴在GMM棒1的外表面上并与dSPACE平台M0的第五端相连；其中，该应变片M5，用于测量GMM棒1受力后的应变量并送至dSPACE平台M0中；应当说明的是，该应变片M5通过其形成的受力信号变化情况，在dSPACE平台M0中形成相应的应变量来实现对GMM棒1当前杨氏模量变化进行检测；
激光位移传感器M6设置于液压缸8的活塞杆前端并通过预设的螺杆升降机构来调整高度，且其与dSPACE平台M0的第六端相连；其中，该激光位移传感器M6，用于测量液压缸8的机械状态变量并送至dSPACE平台M0中；其中，激光位移传感器M6与液压缸8的活塞杆位于同一高度为最佳，其所测量的液压缸的机械状态变量包括输出位移、速度和加速度；
第二压力传感器M7有两个，分别安装固定于液压缸8高低压两端的安装孔(未图示)上，并均与dSPACE平台M0的第七端相连；其中，两个第二压力传感器M7，用于测量液压缸8的高压端和低压端的压力变化以及液压缸8的流量变化并送至dSPACE平台M0中；其中，两个第二压力传感器M7均通过涂抹防脱化合物与液压缸8高低压两端的安装孔形成密封连接；应当说明的是，两个第二压力传感器M7所形成高低压两端的压力信号，会在dSPACE平台M0中形成压力差，从而实现对M-EHA的压力、流量等变化状态进行检测，并提供流体部分状态信息，对流体运动模型进行变量反馈和校正对比；
dSPACE平台M0由预装有测试软件的芯片形成，用于根据霍尔传感器M2测量的GMM棒1的表面磁场强度及感应线圈M2测量的GMM棒1内部的磁通密度，计算出GMM棒1工作过程所处的磁场条件；根据第一压力传感器M4测量的GMM棒1上的预紧力及应变片M5测量的GMM棒1受力后的应变量，计算出GMM棒1当前工作状态的杨氏模量，并得到相应的非线性曲线；根据激光位移传感器M6测量的液压缸的机械状态变量以及第二压力传感器M7测量的液压缸的压力变化和流量变化，计算出智能材料驱动的电静液作动器的输出功率、机械阻抗及动态特征指标。应当说明的是，dSPACE平台M0在本测试装置中作为数据采集和处理平台，亦可采用其他平台替换，如示波器、数据采集板卡等。
本发明实施例中的一种智能材料驱动的电静液作动器动态特性测试装置的工作原理为，由霍尔传感器M2和感应线圈M3可测出GMM棒1工作过程所处的磁场条件，再由GMM棒1上的第一压力传感器M4得到GMM棒所处的工作应力，从而能够完全地获得输给智能材料驱动的电静液作动器的测试参数。激光位移传感器M6获得M-EHA整个系统的位移输出，通过数据拟合得到输出速度和加速度。
应变片M5得到的GMM棒应变量结合第一压力传感器M4得到的工作应力，可获得GMM棒当前工作状态的杨氏模量，从而获取其非线性曲线。
通过第二压力传感器M7测量液压缸8高压端和低压端的压力差，结合液压缸8的输出位移和速度，可获得输出功率。若施加于作动器的负载为活配重，通过螺栓连接在液压缸高压端活塞杆上，则可改变配重质量以调节负载大小。
由第二压力传感器M7获得的压力差和液压缸8活塞面积大小，得到液压缸8输出的作用力，即对负载地激励；结合激光位移传感器M6获得的位移、速度和加速度及负载质量大小，根据牛顿第二定律列出系统运动微分方程，求解即负载响应。将对负载的激励与负载的响应相比，得到的与时间无关的量，就是负载的机械阻抗。各仪器都与dSPACE平台M0的I/O接口相连，由dSPACE平台M0进行数据控制与分析，可以实时、同步测量得到系统各项动态特性指标。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明通过测试M-EHA装置工作状态下的各项参数(包括GMM棒的磁通密度、用于驱动GMM的激励磁场强度、GMM元件的应力应变量、以及液压缸两侧压力和输出的位移、速度等变量)来实现测试磁场、温度、动态负载影响下的GMM本征非线性和多物理场耦合特性，并将所测各项参数进行相互联系整理，以较完整地描述M-EHA的动力学特性。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
