磁致伸缩驱动器在干涉仪动态调整系统的设计与实现

　　1 引言

　　在傅里叶变换光谱仪中, 迈克尔逊干涉仪是其光学系统的核心部分, 干涉仪要求作扫描运动的动镜在作匀速直线运动时,与定镜保持严格的准直关系, 而干涉系统的稳定性经常受到各种不确定因素的干扰, 例如系统的振动, 空气的扰动, 温度的变化等。尤其动镜在运动过程中会不可避免的发生倾斜, 使重建光谱产生畸变。为了保证光谱仪性能要求, 在动镜运动时采用自适应动态调整技术。

　　目前, 在动态校正领域, 曾有采用压电倾斜镜的方法进行校正的应用, 但是压电型驱动器工作时需要高电压使驱动设备比较庞大, 且压电晶体自身组织结构会出现不规则的濡变、漂移等现象。本文利用超磁致伸缩材料 ( 简称 GMM) 设计并制作了微位移驱动器, 输出位移大, 线性度好, 应用于干涉仪定镜平面控制, 并将驱动器与传感器构成闭环控制系统, 以进一步提高磁致伸缩执行器的精度。

　　2 超磁致伸缩驱动器的设计

　　2.1 材料特性及其工作原理

　　设计中采用稀土超磁致伸缩棒, 代表成分为Tb0.27Dy0.73Fe2, GMM棒在不同的预压力作用下, 经磁致伸缩参数测量仪测量, 得到如图1 所示磁场- 应变特性曲线。

　　由图1 可以看出, 与无预压力时情况相比, 有预压力时其伸缩系数大, 且伸缩系数与磁场强度大小的关系是不完全线性的, 为了便于控制, 故需要施加一定的偏置磁场以使材料工作在线性区域。磁致伸缩驱动器的性能由 GMM棒、偏置磁场、激励磁场和预加压力等因素共同决定, 在线性区域可以由下式表示:

　　式中S 表示形变, H 为磁场强度, B 为磁通密度, σ为机械应力, S为柔顺系数, d 为压磁系数, μσ为磁导率。

　　由图1 可看出, 当有 10Mpa 左右预压力时, 利用永磁铁提供的偏置磁场和螺线管线圈产生的激励磁场, 将磁场强度控制在150- 700 Oe 范围内, 伸缩系数与磁场强度有很好的线性关系。

　　2.2 磁场分析

　　在磁路设计中, 永久磁铁采用铷铁硼材料, 产生300Oe 左右的偏置磁场 。要求激励磁场强度为±150Oe。螺线管产生的激励磁场在GMM棒工作范围内的均匀度和场强大小对驱动器的性能有很大影响。GMM棒磁导率小, 导磁性能差, 提高轴对称线圈轴向磁场的均匀度, 对提高磁致应变的利用率, 增大转换器的位移输出等是有利的。对于多层螺线管, 长度为2l,绕组内径为R1,外径为R2,则根据磁路设计原理, 螺线管上距离中心O 点为x 处的磁场强度Hx为:

　　其中n₁=1/(k₁d_j)=1.732 匝/mm 为每层绕线单位长度上的匝数; n₂=1/(k₁d_j)=1.581 匝/mm 为单位厚度上的绕线层数。k₁为线圈的排绕系数=1.05, k₂为线圈的叠绕系数=1.15。由此初算空心交流线圈磁场, 进一步的精确可以用 ansys 有限元软件进行模拟。设负载电流为1A, 采用线径为0.55 的漆包线, 设计螺线管线圈内径R₁=8mm, 缠绕10 层则可使轴线中心磁场达到要求。因为螺线管线圈的内部磁场是不均匀分布的, 存在边界效应, 必须对其进行优化设计, 在线圈两端各加长2mm 以增强棒上均匀性, 而在螺线管上下及四周用磁性材料构成闭合磁路, 线圈中产生的磁通基本上都被约束在由磁性材料构成的磁路内, 漏磁很小, 提高了螺线管内磁场的均匀性, 使其更接近闭合回路的理论磁场强度。