（仪器科学与技术专业论文）磁电式相对位移自传感磁流变阻尼器的研究.pdf

中文摘要 i 摘摘要要 随着磁流变（magnetorheological, mr）技术的的不断进步，基于 mr 阻尼器 的半主动悬架系统的研究与应用受到国内外的广泛重视。基于 mr 阻尼器的半主 动悬架系统主要由 mr 阻尼器、弹簧、传感器、控制器及相关辅助电路构成。要 充分发挥采用 mr 阻尼器构成的半主动悬架系统的特长，实现反馈控制是必不可 少的，其前提是能够采用动态传感器获取应用对象的动态信息。现有的基于 mr 阻尼器的半主动悬架系统通常采用与mr阻尼器分离的动态传感器实现振动测量， 会大幅度增加基于 mr 阻尼器的半主动系统的应用成本。同时，传感器与 mr 阻 尼器分离配置的半主动悬架系统不仅存在结构复杂、安装空间大、连接线缆多等 问题，而且直接暴露于工作环境之中的传感器易受到外界环境碰撞、渗水、渗油、 电磁干扰等影响，导致系统体积大、可靠性低。所以，简化基于 mr 阻尼器的半 主动悬架系统的结构、降低系统成本、提高系统可靠性是实现 mr 阻尼器大规模 工业化应用急待解决的问题。 可以想象，如果将传感器和 mr 阻尼器进行结构集成和功能复用则可有效降 低系统的结构复杂性、提高系统的整体可靠性和降低应用成本。本文作者提出并 研究了一种磁电式相对位移自传感 mr 阻尼器（magnetoelectric self- sensing mr damper, msmrd）的原理，实现了相对位移传感器与 mr 阻尼器的结构集成和功 能复用。采用本文提出并研究的 msmrd 构成半主动悬架系统不再需要另外配置 传感器及连接线缆，可以简化系统结构、降低系统成本、提高系统可靠性。 本文的主要研究工作和成果包括： 1. 针对 mr 阻尼器的反馈控制问题，提出了两种不同传感模式的集成相对位 移传感器（integrated relative displacement sensor, irds）的原理及结构：传感器 的感应线圈绕制在活塞杆内部的活塞杆感应式 irds 和感应线圈缠制在缸体内部 的缸体感应式 irds。分析了这两种传感模式的优缺点，确定缸体感应式 irds 更 适于与 mr 阻尼器集成，进而建立了该传感器的相对位移测量的理论模型。 2在作者提出并实现的 irds 原理的基础上，提出并研究了 irds 和 mr 阻 尼器集成的 msmrd 的工作原理及基于 msmrd 的半主动悬架系统的实现方法。 3 采用 bingham 粘塑性 mr 材料模型和 mr 阻尼器的 parallel- plate 通道模型 建立了 msmrd 中的 mr 阻尼器的准静态力学模型，可以有效预测 msmrd 的外 部力学特性。 4在建立 msmrd 初步参数模型的基础上，利用 ansys/emag 提供的电磁 场有限元建模 （finite element model, fem） 和有限元分析 （finite elementanalysis, fea）工具分别对本文提出并实现的 msmrd 的 irds 谐波磁场和 mr 阻尼器静 重庆大学硕士学位论文 ii 磁场进行了有限元建模和仿真，比较了活塞处在缸体的不同位置时它们的磁力线 分布，定性地验证了 msmrd 集成设计方法的可行性及结构和磁路的合理性。 5根据 msmrd 的工作原理和 irds 及 mr 阻尼器理论模型，利用 matlab/simulink软件分别建立起了irds和mr阻尼器的性能评估计算模型， 探讨并确定了影响 irds 传感灵敏度和 mr 阻尼器可控阻尼力的制约因素及对应 的关键设计参数，获得了一套性能综合最优 msmrd 优化参数模型。 6 分析了基于 msmrd 优化模型的 irds 谐波磁场和 mr 阻尼器静磁场分布， 将仿真分析结果带入 msmrd 性能评估计算模型定量的预估和验证了 msmrd 工 作性能：irds 的传感输出信号直接反映了活塞的相对位移量，它们之间呈一定的 线性比例关系； 而 mr 阻尼器的力- 位移和力- 速度计算仿真结果曲线较好的验证了 msmrd 的外部力学性能。 7在 msmrd 原理研究和仿真验证的基础上，设计并试制了 msmrd 原型， 基于 matlab/simulink/rtw 软件、mts 849 振动试验系统和 dspace 快速原 型系统搭建了 irds 的快速原型实验测试系统，重点测试了载波信号频率、外界振 动频率对 irds 的影响和 irds 相对位移传感的线性特性。实验测试结果验证了 irds 原理模型和仿真验证的正确性。 8初步分析了 msmrd 的非线性问题的原因，给出相应的线性补偿措施及补 偿的仿真效果。 本文的研究工作为简化基于 mr 阻尼器的半主动悬架系统的结构、降低 mr 阻尼器的应用成本和提高基于mr阻尼器的半主动系统的可靠性奠定了理论基础。 同时，本文中实现的 msmrd 的原型系统具有明显的工程应用前景。 关键词：关键词：磁流变阻尼器，位移传感器，自传感，有限元分析，快速原型系统 abstract iii abstract with the improvement of magnetorheological (mr) technologies, the study and application of the semiactive suspension systems based on mr dampers have been paid special attention to. in general, a semiactive suspension system based on mr dampers mainly comprises mr dampers, springs, dynamic sensors, semiactive controller and required circuits. in order to make full use of the advantages of the semiactive suspension system based on mr dampers, it is inevitable to realize the feedback control of the semiactive suspension system with the dynamic responses of the plant. one of the presuppositions to realize the feedback control is that the dynamic responces of the plant can be accessed, which are realized through the dynamic sensors. up to now, the dynamic sensors aligned with the mr dampers in parallel are used to access the dynamic responces of the plant and/or across the mr dampers in the mr damper based semiactive suspension system, which will increase the cost of the system apparently. in the meantime, the separated sensors in the semiactive suspension system complicate the structure, enlarge the installation space and need more cables and connectors. furthermore, the separated sensors that are exposed directly into the harmful working environments will be prone to be injured by collisions, water, oil and electromagnetic field, which will enlarge the size of the system and decrease the reliability. in this case, in order to realize the massive production and application of mr dampers in industry, it is urgent to simplify the structure, improve the reliability, and decrease the cost of the semiactive suspension system based on mr dampers. we can image that it is a good idea to integrate the dynamic sensor into the mr damper to compose an mr damper with self- sensing ability of the dynamic responses, which can not only decrease the cost but also improve the reliability with elimination the separate sensors and its connectors from the conventional systems. in this dissertation, a novel approach to make mr damper self- sensing based on the magnetic flux linkage measurement and the working principle of an integrated relative displacement sensor (irds) directly integrated into a commercially available mr damper are proposed and realized. in addition, the principle and structure of a magnetoelectric self- sensing mr damper (msmrd) are proposed and realized based on the irds proposed in this dissertation. the semiactive suspension system based on msmrds can exclude the separated sensors, which can simplify the structure, decrease the cost, and improve the realiability. mater dissertation of chngqing university iv the major research works completed in this dissertation include: 1. for the feedback control of mr dampers, the principles and pertinent structures of two different sensing modes of the irds, which includes (a) the rod sensing mode and (b) the cylinder sensing mode, are proposed. according to the prelimary research results, the irds based on the cylinder sensing mode is more prone to be integrated into commercially available mr dampers. the mathematic model of the irds based on the cylinder sensing mode is established in this dissertation. 2. based on the mathematic model of irds based on the cylinder sensing mode, the principle of the msmrd are proposed and realized and the method to realize the semiactive suspension system based on msmrds also explored. 3. based on the bingham visco- plasticity model of mr fluids and the parallel- plate model of mr dampers, the quasi- static model of mr damper of the msmrd is build and can well estimate the damping force of the msmrd. 4. on the basis of a preliminary parameter model of the msmrd, the harmonic magnetic field of the irds and the static magnetic field of the mr damper are modeled and analyzed through the fem (finite element modeling) and fea (finite element analyzing) using the software package of ansys/emag. the analyzing results with ansys show that not only is the integrated approach of the msmrd validated qualitatively, but also the structure and the main flux paths of the msmrd are rational. 5. according to the principle of the msmrd, the sensing model of irds, and the quasi- static model of mr damper, the simulation model to estimate the performance of the irds and the mr damper in matlab/simulink are build, respectively. some key design parameters of the msmrd that influence on the performance of the irds, the mr damper, and msmrd are explored and determined through the above simulation models and a set of the optimum parameters of the msmrd is obtained. 6. based on the optimum parameters of msmrd, the harmonic magnetic field of the irds and the static magnetic field of the mr damper are modeled and analyzed, respectively. then, the finite element analysis results of the optimum parameters of msmrd are used as the input of the performance simulation model, which are carried out to validate and estimate quantitatively the performance of msmrd. the simulating results show that the output of the irds is directly proportional to the displacement of the piston and the relationship between the damping force and the displacement and the relationships between the damping force and the velocity validate the the damping force model of the msmrd. abstract v 7. based on the principle studying and the simulation validating of the msmrd, the msmrd prototype is developed. in order to experimentally validate the performance of the irds, a testing setup for the irds is build using mts 849 vibration test system and the dspace rapid prototyping system. the experimental results indicate that the principle of the irds is feasible. 8. the nonlinearity of the irds of msmrd is explored and two linear compensating methods are proposed. the research works in this dissertation establish the theoretical foundation to simplify the structure, decrease the cost, and improve the reliability of the semiactive suspension system based on mr dampers. furthermore, the msmrd proposed and realized in the dissertation possesses a cheerful prospect in industry. key words：magnetorheological damper, displacement sensor, self- sensing, finite elementanalysis,rapid prototyping system 1 绪 论 1 1 绪绪论论 1.11.1 引言引言 车辆悬架系统是指车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切力连 接装置的总称，它是实现整个车辆操作稳定性和行驶平稳性的一套基本结构，主 要由弹簧和减振器等部件组成。车辆悬架系统的作用除了缓冲和吸收来自车轮的 振动之外，还要在车辆行驶过程中传递车轮与地面之间的驱动力和制动力。在车 辆转向时，悬架还要承受来自车身的侧向力，并在车辆起步和制动时能够抑制车 身的俯仰振动，保持轮胎与地面的附着力，改善操纵稳定性，提高车辆的行驶稳 定性和安全性。 为了有效克服和避免各种不利的振动，先后出现了振动被动控制（passive vibration control）1,2、振动主动控制（active vibration control）3,4,5、振动复合 控制（hybrid vibration control）和振动半主动控制（semiactive vibration control） 6,7,8等方法和系统。 上述振动控制方法与系统不仅已广泛应用于民用建筑结构和精 密加工等行业，而且在航天、航空以及国防军工领域也得到广泛应用。伴随着这 些振动控制技术的不断发展，车辆的悬架系统性能也不断得到改善，先后出现了 被动悬架系统、主动悬架系统及半主动悬架系统。从各种理论分析和模型试验的 结果可以看出，主动悬架的各种性能显著优于被动悬架系统。但是由于主动悬架 系统存在能耗大、造价高、控制稳定性差等缺点，商业上的广泛应用还面临诸多 制约因素。与主动悬架系统相比，半主动悬架系统的能耗很小、造价较低、控制 灵活。因此，尽管主动悬架的提出早于半主动悬架，但在商业的推广应用上，半 主动悬架却早于主动悬架。 半主动车辆悬架系统主要包括下面几种： （1）阻尼力可控悬架系统， （2）弹 簧刚度可控悬架系统， （3）阻尼力和刚度综合可控悬架系统，在改善车辆的乘坐 舒适性和操纵稳定性方面三种悬架系统均能得到较为满意的效果。近年来，为满 足现代轿车的要求，许多高级轿车都采用了阻尼力可控的半主动悬架系统。在车 辆行驶过程中，这种悬架系统能根据传感器探测到的行驶路面条件、车辆行驶状 态和车辆载荷（如图 1.1 所示） ，实时的调节减振器的阻尼力，有效保证车辆的行 驶稳定性和安全性，提高轿车的乘坐舒适性。 现代车辆中采用的阻尼力可控半主动悬架系统有很多种，比较典型的有日产 公司的无限 m30 轿车上配置的超声悬架系统（super sonic suspension, sss） ，阿姆 斯特朗专利有限公司推出的自适应悬架控制系统（adjusting damping control suspension system, ads） （已配置在梅赛德斯- 奔驰轿车上，图 1.2 给出了奔驰轿 重庆大学硕士学位论文 2 车上的 ads 工作原理框图） ， 福特公司的雷鸟 turbo 轿车配置的行驶平顺性程控悬 架系统。如图 1.2 所示，阻尼力可控半主动悬架系统主要由四个部分组成，包括车 身状态传感器（加速度、速度、转角、位移及其它目标参数） 、微计算机控制装置、 驱动放大、调节悬架参数的机电执行器（电磁阀、步进电机等） 。 roll vibration pitch loadingvertical longtitude lateral 图 1.1 汽车行驶过程中五种行驶状态 fig. 1.1 various riding states of an automobile accemeter on suspension model selector angle sensor velocity sensor accemeter on vehicles body left- front damping valve left- front damper controller motor driver signal preprocessor fault diagnose device fault memory left- rear damping valve left- rear damper right- rear damping valve right- rear damper right- front damping valve right- front damper 图 1.2 梅赛德斯- 奔驰轿车上的自适应型悬架系统示意图 fig. 1.2 schematic of theads on mercedes- benz automobile 通过对现有车辆半主动悬架控制系统的分析我们不难发现，实现通过电信号 对悬架系统的控制，需要一套可控的机电转动阀及一些机械运动部件，因此系统 结构复杂、响应速度相对较慢、造价成本高、可靠性低。 近年来，随着对智能材料与结构（smart materials and structures）的研究的不 断深入，尤其是磁流变（magnetorheological, mr）技术的不断进步，对基于 mr 阻尼器的半主动悬架系统的研究与应用受到广泛重视。与传统的半主动悬架系统 相比，基于 mr 阻尼器的半主动悬架系统具有阻尼力大、性能稳定（对杂质和温 1 绪 论 3 度不敏感） 、所需电压低、能耗小和控制灵活等优点。其中，振动传感器和 mr 阻 尼器是基于 mr 阻尼器的半主动悬架系统的核心部件，直接影响到振动控制系统 的静特性、动特性及工作可靠性和成本造价。 本章将介绍磁流变液及相关技术的研究现状，分析现有的基于 mr 阻尼器的 半主动悬架系统应用现状及存在的问题和不足，给出本课题的研究目的和主要研 究内容。 1.1.2 2 磁流变材料及相关技术研究磁流变材料及相关技术研究 近年来，随着对智能材料与结构（smart materials and structures）的研究的不 断深入，磁流变（magnetorheological, mr）技术的不断完善，基于 mr 阻尼器的 半主动振动控制系统（semiactive vibration control system, svcs）的研究与应用 受到广泛重视，基于 mr 阻尼器的半主动悬架系统也迎来更大更广阔的发展空间。 1.2.11.2.1 mr 材料材料 磁流变液是由弥散质颗粒（纳米级） 、载液、表面活性剂三部分组成的悬浮液， 如图 1.3 所示。rabinow9,10,11在 winslow12,13发明电流变液后不久于 1948 年首先 报道了磁流变液这种新材料。通常，组成上与磁流变液相同的具有磁流变效应的 胶体（传统上属于磁液范围）也纳入了磁流变液的范围。早期的磁流变液一般是 直径大约 35m的软磁材料颗粒（羰基铁颗粒、铁钴合金颗粒等）在载液 (矿物 油、合成油等) 中形成的悬浮液，现在的磁流变液范围有所扩大。磁流变液的载液 用于提供磁流变液的基体，一般要求热稳定性好、挥发性低、适用温差宽；弥散 质颗粒使磁流变液获得明显的磁流变效应 (即在磁场作用下液相与固相之间的相 互可逆转换)；表面活性添加剂的用途是稳定磁流变液的化学、物理性能，并使其 活化易于产生磁粘性。 shulman14,15和 kordonsky16,17在磁流变液研究中取得较大进展，随后 lord 公 司18，ford 汽车公司19,20，delphi 公司20，basf 公司都开展了磁流变液的研究 工作并取得了可喜的进展，例如 lord 公司开发的商业磁流变液- 132ad18。 carrier medium micron- sized magnetically polarizable particles surface- active reagent 图 1.3 磁流变液的构成 fig. 1.3 ingredients of mr fluids 重庆大学硕士学位论文 4 尽管磁流变液和电流变液都是在上世纪 40 年代就初步研制成功，限于当时相 关的材料科学和工艺的发展滞后，最初研制出的磁流变液表现出稳定性差、沉降 严重等不足，与工程应用要求相差甚远，从而限制了磁流变液研究的进一步发展。 直到最近几年，由于材料科学、材料制备工艺技术的快速发展，制备优良磁流变 液的主要技术问题都逐步得到了解决，从根本上推动了磁流变液的工程研究和应 用推广，目前已有商业化的磁流变液面世18。与电流变液相比，磁流变液具有对 载液纯度的不敏感性、比电流变液更稳定、毫秒级的快速响应、在同样的能耗下 磁流变液提供比电流变液高一个数量级的剪切力、磁流变液能耗更低、磁流变液 工作电压低，使得磁流变液在工程应用21,22,23,24,25方面表现出巨大潜力。 由于磁流变液是一种流变特性随外界磁场强度改变而变化的功能材料，通常 其流变特性的变化表现为剪切应力随磁场强度的变化而变化，而且这种变化是可 逆的。通过对外界磁场强弱的控制，可以使磁流变液在毫秒级的时间内改变其流 变力学特性。因此，由于磁流变液的流变效应具有连续、可逆、迅速和易于控制 的特点，使得 mr 装置成为电气控制与机械系统间简单、安静而且响应迅速的中 间装置。目前，磁流变液及 mr 装置已开始逐步广泛应用于振动控制、精密加工、 传动制动等工程领域，跨度汽车、建筑、机械、航空和医疗等行业。 1.2.21.2.2 mr 阻尼器阻尼器 carlson22,23,24,25和 weiss23等人对磁流变液及其应用器件进行了深入研究和 探讨。尤其在 1994 年以后，国内外学者逐步认识到磁流变液的优良性能及其工程 应用方面的广阔前景，相继开始从事磁流变液及磁流变液应用器件的各项研究开 发。从磁流变液应用器件角度看，目前磁流变液主要用做驱动和耗能材料。 磁流变阻尼器是磁流变液的典型应用之一。按结构类型的不同，mr 阻尼器可 分为：旁路转动阀式32、活塞推杆式（单、双推杆式）33。其中活塞推杆式是目 前最常用的 mr 阻尼器结构， 图 1.4 给出了 lord 公司18研制的 rd- 1005- 3 磁流变 液阻尼器的实物图和内部结构示意图。由于 mr 阻尼器具有响应快、阻尼力大、 能量需求小、机构简单、耐久性好，即使在控制系统失效的情况下仍可充当被动 控制器件，具有很强的可靠性、实用性等优点，故与电流变液阻尼器表现出更多 更优良的性能和更广阔的应用潜力。 1 绪 论 5 mr fluid electric leads coil diaphragn annular orifice bearing & seal accummulator 图 1.4 lord 公司 rd- 1005- 3 mr 阻尼器的实物图和内部结构示意图18 fig. 1.4 schematic and photo of the rd- 1005- 3 mr damper of lord corporation mr 阻尼器的国内外研究总体情况是：美国在这方面已处于绝对的领先地位， 其次是日本和德国，而我国国内的 mr 阻尼器的研究几乎是与国际同步，但是总 的来说在原理上取得明显进展的研究还比较少，目前我们的研究重点主要是放在 mr 阻尼器的器件本身结构上的改进和创新。 近几年， 国外学者在 mr 阻尼器的器 件本身设计方面取得了较大的进展，例如 carlson25, carlson and wesis23, dyke et al27,28, kabakov and pabat34, kordonsky35,36, minagawa37，以及 gavin, jesse and mark 提出 mr 阻尼器的优化设计方法38。lord 公司18，福特公司，basf 等纷纷 投入巨资，开发各种商业化的磁流变应用器件和系统。lord 公司开发的一种型号 为 mrx- 126pd18的汽车座椅悬架阻尼器为单筒式结构，采用压缩氮气作补偿器， 阻尼孔为环形分布，在活塞头上绕有电磁线圈并通过活塞杆引出电源线。 mrx- 126pd 阻尼器直径 4.1cm， 两连接孔中心距离为 17.9cm， 活塞行程为2.9cm， 阻尼器内填有 70 3 cm的磁流变液，在阻尼器工作时，活塞中发生流变效应的磁流变 液为 0.3 3 cm ，在输入电流为 1a 时，其输入功率为 5w。另外，赵晓鹏研制了楔行 施力的自适应阻尼器39和电流变液与压电陶瓷复合的自适应阻尼器40，丘玲研制 的新型磁流变体阻尼器件41，周刚毅研制出的用于车辆的直线型 mr 阻尼器42， 以及陈吉安49、廖昌荣等人50、王恩荣等人51也对汽车悬架减振中的 mr 阻尼器 的设计、试验、运行性能分析等方面进行了深入的研究和探讨。 1.2.31.2.3 mr 阻尼器的力学模型阻尼器的力学模型 由于 mr 阻尼器是一种高度非线性系统，所以很难建立其准确的数学模型以 获得真实逼近实际物理系统的效果。对于一些复杂的 mr 阻尼器应用系统，如果 采用直接建模分析方法甚至不可能得到一个有效的模型。目前，国外学者提出的 重庆大学硕士学位论文 6 mr 阻尼器的力学模型主要有 bingham 塑性模型26、bingham 粘弹一塑性模型26、 bouc- wen 模型27,28和现象模型 （修正的 bouc- wen 模型） 27,284、 神经网络模型29、 模糊逻辑模型30及神经模糊模型31。前面四种模型主要采用参数建模方法获得， 其中修正的 bouc- wen 模型能够很好地描述 mr 阻尼的非线性， 是近两年来较成功 的模型。但是修正的 bouc- wen 模型涉及到多个参数的非线性识别问题，难度大， 可推广性差。后面两种模型则主要采用非参数建模方法获得，其中神经模糊模型 是采用基于神经网络的非参数建模方法获得，该模型能较好的逼近 mr 阻尼器的 实际物理系统。mr 阻尼器的神经模糊模型是目前研究热点，在建模方法和系统模 型上都也取得了快速的发展，模型完善度不断提高。 1.2.41.2.4 常用常用的振动控制方法的振动控制方法 由于 mr 阻尼器的控制是一个高度非线性的控制问题，因此如何设计与之相 适应的控制策略和控制系统是一项极富挑战性的工作。目前，针对 mr 阻尼器的 振动控制方法主要有经典的 pid 控制方法、线性最优控制方法44,45、自适应控制 方法46。值得一提的是，近年来随着智能控制理论的迅速发展和相应的智能控制 技术的不断完善，国内外学者先后提出了多种智能控制方法来解决 mr 阻尼器的 振动控制问题，并取得了较好的控制效果。例如运用神经网络模型模拟 mr 阻尼 器逆向动态特性的神经网络自适应控制策略47。 1.2.51.2.5 常用的振动传感方法常用的振动传感方法 通常，在确定振动控制系统的定义、功能、测控范围和精确度之后，如何准 确快速的感测外界振动信息是整个系统研究设计时必须考虑的一个重要问题。为 了能给控制器提供及时准确、完整的控制参考信息，我们需要根据不同的被控对 象、不同的用途、不同的工作原理选择或设计相应的振动传感器，实时准确的感 知被控对象和环境状况的各种必要参数，以便控制器做出正确的控制决策并送出 相应控制信号。 目前，基于 mr 阻尼器的振动半主动控制系统的研究，主要还是将 mr 阻尼 器和振动传感器进行分离设计和构造。现在，在该领域研究和应用振动传感器主 要类型和特点如表 1.1 所示。 1 绪 论 7 表 1.1 常用振动传感器 table 1.1 commercialy available vibration sensors 分类依据第一种第二种第三种 不同配置类型点式传感器点阵式传感器连续分布式传感器 不同工作原理 应变仪、接近式检测 仪等传统类型传感器 目前基于压电材料、 光 纤和形状记忆合金的 新型振动传感器 非接触式传感器 不同反馈信息 压阻式加速度传感器 加速度传感器 压电式加速度传感器：应用较广，这种传感器中有一个与压电晶体 相连的质量块，由该质量块加速度产生的惯性力使压电晶体内部产 生应力，在压电效应的作用下，在晶体表面产生一个与应力（或质 量块加速度）成比例的电压。 激光多普勒速度计：用它进行振动速度测量时不需要在振动表面固 定任何装置。 速度传感器 磁电式速度传感器：适合于相对速度测量，但不适合于绝对速度的 测量，适用范围为 1hz1khz，如汽车悬挂振动速度的测量。由于 该类型传感器极限测量范围的限制，故不及加速度传感器应用广泛。 位移传感器 位移传感器： 其测量范围比加速度传感器小得多， 常用于振幅较大(几 十或几百 mm)、相应加速度很小的低频(010hz)振动系统测量。因 为在有些情况下，采用二次积分方法由加速度信号获取位移信号时， 会导致产生过多的电噪声，所以在一些振动半主动控制中，利用位 移作为控制变量更为合适，在 l0hz 以下的超低顿时尤其如此。位移 传感器主要有接近式探头式位移传感器，包括电容探头和涡流探头 (适用于 200hz 以下的频率范围)； 以及线性变量微分传感器和线性变 量电感传感器，适用于测量范围为 l100mm，频率范围为 010hz 的振动。 1.1.3 3 基于基于 mr 阻尼器的半主动悬架系统阻尼器的半主动悬架系统 通常，我们所指的 mr 阻尼器及其半主动悬架系统，主要由振动传感器、系 统控制和阻尼控制器、弹簧、mr 阻尼器本身及相关辅助电路和被控对象等构成， 如图 1.5 所示。 根据图 1.5，基于 mr 阻尼器的半主动控制系统的工作原理是：当被控对象发 生振动时，系统的传感器实时感测出被控对象的各种振动特性（如相对加速度、 相对速度或相对位移） ，经前向通道对所获得的包含振动信息的传感信号的调理和 分析，然后送入系统的控制器；控制器根据所接收到的振动信息进行智能决策和 分析，并立即产生相应的控制调节电压；系统将调节电压信号送入后向电流驱动 器，最后送出一个驱动电流到 mr 阻尼器的励磁线圈上形成强磁场；磁流变液在 重庆大学硕士学位论文 8 这个外加磁场的作用下，按照磁流变液的流变特性改变自身阻尼比系数，对被控 对象形成一个反方向的阻尼作用力，最终达到减振效果。 为了实现图 1.5 所示的振动半主动控制系统， 并将其应用于各种实际的工程应 用领域，研制开发适用于工程具体应用的各种 mr 阻尼器、振动的动态传感元件、 系统控制算法，并探讨它们之间的优化组合等工作是目前的研究重点。同时，这 些 mr 应用器件和应用系统，除了实现其自身独特的功能外，应努力使其向着智 能化、集成化、微型化、网络化的方向发展。 1.3.11.3.1 传感器与传感器与 mr 阻尼器相互分离的半主动悬架系统阻尼器相互分离的半主动悬架系统 目前，基于 mr 阻尼器的半主动悬架系统的振动传感器和 mr 阻尼器绝大部 分是按照传统的传感器与 mr 阻尼器分离的配置模式和设计思想进行构造，在实 际使用时系统的传感器与 mr 阻尼器采用各自独立的结构、不同安装的位置、分 离的供电电源和线路实现振动控制。 图 1.6 分别给出了采用这种传感器与 mr 阻尼 器“分离”配置模式的三种常见的半主动悬架系统结构配置示意图。 plant system controller damper controller mr damper output disturbances desired damping force controlled damping force command voltage force transducer sensor f c f measurement noises current driver v i 图 1.5 基于 mr 阻尼器的振动半主动控制系统示意图65 fig. 1.5 schematic of the semi- active control system for a plant integrated with mr damper 1 绪 论 9 mr damper acceleration sensor wheel acceleration sensor chassis )(tx （a） relative velocity sensor wheel chassis )(tx （b） relative displacement sensor wheel chassis )(tx （c） 图 1.6 三种常见的基于 mr 阻尼器的半主动悬架系统配置示意图 （a）由一个 mr 阻尼器和两个单独的加速度传感器构成的悬架系统， （b）由一个 mr 阻尼 器和一个单独的相对速度传感器构成的悬架系统， （c）由一个 mr 阻尼器和一个单独的相对 位移传感器构成的悬架系统 fig. 1.6 three configurations of the semi- active suspension systems based on an mr damper (a) the suspension system using an mr damper and two accelerometers, (b) the suspension system using an mr damper and a separate relative velocity sensor, and (c) the suspension system using an mr damper and a separate relative displacement sensor 重庆大学硕士学位论文 10 wire of sensors wire of mrf of damper mrf damper axle mounted accelerometer frame rail mounted acceleronmeter acceleronmeter mr damper 图 1.7 volvo 卡车悬架系统中加速度传感器和 mr 阻尼器分离安装的实物照48 fig. 1.7 photo of sensors and mr dampers location of the suspension system on a volvo vehicle 在图 1.6（a）中，悬架系统通过分别安装在车架和车轮轴上的加速度传感器 实现车架和车轮之间的相对运动信息的监测。例如，最近美国学者 simon 应用基 于 mr 阻尼器的重型汽车悬架系统的进行了实际试验分析时48，就采用图 1.6（a） 方式在该悬架系统中的每个 mr 阻尼器上端所连接的车身部份和下端悬架部分各 安装一个加速度传感器（如图 1.7 所示的实际安装照片） ，通过对两个加速度信号 做减，实时得到路面状况，另外再配与其它几个传感器构成系统的传感探测部分， 而该系统的阻尼力调节部分则主要由控制器控制调节 mr 阻尼器实现。整个悬架 系统共配置 4 个 mr 阻尼器和 8 个加速度传感器，以及其它必要传感器（车速、 转角、侧向加速度等） 。尽管加速度传感器的测量精度高、动态响应范围大，但是 加速度传