CN101246183A - 磁性流体加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明所述的磁性流体加速度传感器包括非磁性腔体是由非磁性材料构成的密闭容器；质量块设于非磁性腔体中部，两端面与非磁性腔体的接触面间设有检测装置，并在质量块、检测装置与非磁性腔体之间保持设定的预紧压力；且非磁性腔体与质量块形成的空腔中充满磁性流体；检测装置用于检测质量块与非磁性腔体之间压力的变化，输出加速度检测结果信号。具有大量程、量程可控性、高灵敏度、高可靠性、智能性、工作寿命长等特点。

Description

磁性流体加速度传感器

技术领域

本发明涉及加速度传感器的生产及应用领域，尤其涉及一种基于磁性流体的加速度传感器。

背景技术

目前，在诸多的技术领域均常用到加速度传感器，如汽车运动控制、建筑机械运动控制、机械振动检测、航天航空、家电产品性能检测等等。

现有的加速度传感器通常有以下几种结构。

一种加速度传感器是采用悬臂梁结构，包含固定端设置在基板上作往复弹性变形运动的悬臂梁，通过检测悬臂梁位置的方式确定外界加速度大小。常用的检测方式有设置一端固定、另一端自由运动的悬臂梁，在悬臂梁的根部粘贴应变片，通过应变片检测悬臂梁根部的位移值，从而确定外界输入加速度。

另一种加速度传感器是将钢球以移动自如的状态安放在壳体内，根据从外部施加的机械性振动，钢球相对地移动，则根据该位移按预定配置而设计的开关部分产生通或断输出，该结构主要用作为一种加速度开关。

上述的加速度传感器都具有刚度小的特点，在加速度测量过程中容易到达测量范围的极限值，一经制造后就不能改变加速度传感器内部的材料，这些都是它们的缺点。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种加速度传感器，是基于磁性流体的加速度传感器，具有大量程、量程可控性、高灵敏度、高可靠性、智能性、工作寿命长等特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种磁性流体加速度传感器，包括：非磁性腔体、质量块、检测装置与磁性流体，其中：

非磁性腔体：由非磁性材料构成的密闭容器；

质量块：设于非磁性腔体中部，两端面与非磁性腔体的接触面间设有检测装置，并在质量块、检测装置与非磁性腔体之间保持设定的预紧压力；且非磁性腔体与质量块形成的空腔中充满磁性流体；

检测装置：用于检测质量块与非磁性腔体之间压力的变化，输出加速度检测结果信号。

所述的磁性流体加速度传感器，还包括磁场控制装置，用于改变磁性流体的粘度，控制质量块轴向的位移量，具体包括：

励磁线圈：缠绕于非磁性腔体的外部，通过输入电流产生均匀磁场，改变磁性流体的粘度，控制质量块轴向的位移量。

所述的磁性流体加速度传感器，还包括检测控制装置，用于根据检测装置输出的加速度检测结果信号，控制励磁线圈的输入电流，从而控制励磁线圈的内部磁场。

所述的检测装置包括一块或者多块压电片通过串连方式或者并联方式组成的压电元件，压电元件设于质量块与非磁性腔体之间，用于检测质量块的位移量变化，输出可供后续检测电路检测的信号。

所述的质量块以高比重材料制成。

所述的质量块是圆柱体或棱柱体，且在质量块周向设置有多道凹槽或叶片，用于增加与磁性流体的有效接触面积。

所述的非磁性腔体包括非磁性内筒与非磁性压盖，其中：

所述的非磁性内筒两端开口，两端分别通过螺钉固定安装一个非磁性压盖压紧质量块组成非磁性腔体，并在质量块、检测装置与非磁性腔体之间产生保持设定的预紧压力；或者，

所述的非磁性内筒一端开口，开口处安装一个非磁性压盖压紧质量块组成非磁性腔体，并在质量块、检测装置与非磁性腔体之间产生保持设定的预紧压力；或者，

所述的非磁性内筒与非磁性压盖之间还设置有非磁性密封圈。

所述的非磁性腔体为圆柱体或棱柱体，外壁沿轴向方向设置有周向凹槽，用于安装励磁线圈；或者还包括，

所述的质量块端面处设置有定位凹槽，所述的非磁性腔体内部端面处设置有凸台，质量块通过非磁性腔体内部凸台进行周向定位。

所述的磁性流体包括磁流体、磁性复合流体或磁流变体中的至少一种。

所述的磁性流体加速度传感器，还包括外壳体，所述的非磁性腔体、磁性流体、质量块、检测装置或磁场控制装置设置于外壳体内腔中，外壳体具体包括外套筒、上端盖与下端盖，外套筒与上端盖与下端盖通过螺栓固定，所述的下端盖上设有安装支脚和/或安装孔，或者；

所述的外壳体与非磁性腔体间设有隔离套，用于隔离磁场控制装置与外部磁场的联系，抑制外界磁场干扰。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的磁性流体加速度传感器包括非磁性腔体是由非磁性材料构成的密闭容器；质量块设于非磁性腔体中部，两端面与非磁性腔体的接触面间设有检测装置，并在质量块、检测装置与非磁性腔体之间保持设定的预紧压力；且非磁性腔体与质量块形成的空腔中充满磁性流体；检测装置用于检测质量块与非磁性腔体之间压力的变化，输出加速度检测结果信号。

具体可将一质量块和两块压电元件放置于一非磁性材料组成的满磁性流体的非磁性腔体的内部，通过非磁性压盖的周向定位作用，使质量块、压电元件与非磁性腔体保持同轴，避免了不平衡受力的情况，非磁性压盖除了起到定位的作用，还提供了预紧力，当非磁性压盖锁紧的时候，产生的预紧力将压电元件和质量块压紧，使压电元件和质量块紧密接触；当存在外界加速度时，质量块由于惯性作用，将对压电元件产生拉伸或者压缩的效果，通过检测压电元件的输出信号，即可确定质量块的位移量，进而确定外界加速度的值，同时，质量块还将受到磁性流体的阻尼力作用，通过控制磁性流体的阻尼力，可以控制质量块的位移量，从而实现检测量程范围的改变。

本发明结构上新颖，避免了传统的悬臂梁结构，引入了压电材料，通过非磁性压盖提供的预紧力，使质量块和压电材料紧密接触，一方面增强了所述加速度传感器的灵敏度，另一方面还能够消除径向作用的影响；所述加速度传感器中引入压电材料，有效增加了加速度传感器的刚度，能够提高加速度传感器的量程，实现加速度传感器大量程检测；质量块上设置对称的多凹槽结构，不仅增加了结构的稳定性，而且增大了质量块与磁性流体的有效接触面积，进一步增强加速度传感器的灵敏度；在质量块的两个端面上设置压电元件，当存在外界加速度的时候，将使得其中一块压电元件受压，而另外一块压电元件被放松，这种差动检测方式有效消除各种干扰，提高了质量块位移量检测的准确度；另外本发明中利用磁性流体粘度可控性特点，通过对励磁线圈电流进行改变，改变施加在磁性流体上的磁场强度，达到控制磁性流体粘度的目的，从而可以达到对加速度传感器量程的控制，实现大量程的特点。具有大量程、量程可控性、高灵敏度、高可靠性、智能性、工作寿命长等特点。

附图说明

图1为本发明所述的磁性流体加速度传感器的立体爆炸示意图；

图2为本发明所述的磁性流体加速度传感器的结构示意图；

具体实施方式

本发明所述的磁性流体加速度传感器包括非磁性腔体是由非磁性材料构成的密闭容器；质量块设于非磁性腔体中部，两端面与非磁性腔体的接触面间设有检测装置，并在质量块、检测装置与非磁性腔体之间保持设定的预紧压力；且非磁性腔体与质量块形成的空腔中充满磁性流体；检测装置用于检测质量块与非磁性腔体之间压力的变化，输出加速度检测结果信号。

具体是将质量块和压电元件放置于一非磁性材料组成的满磁性流体的非磁性腔体的内部，通过非磁性压盖的周向定位作用，使质量块、压电元件与非磁性腔体保持同轴，避免了质量块和压电元件不平衡受力的情况，压电元件所受到质量块的压力根据非磁性腔体的轴线均匀对称，非磁性压盖除了对质量块和压电元件起到周向定位的作用，还提供了必要的预紧力，当非磁性压盖锁紧的时候，产生的预紧力将压电元件和质量块压紧，使压电元件和质量块紧密接触，这样增加了结构的稳定性，增大了所述加速度传感器的刚度，能增大加速度传感器的测量灵敏度；当存在外界加速度时，质量块由于惯性作用，将对与之紧密接触的压电元件产生拉伸或者压缩的效果，若质量块对其中之一的压电元件产生压缩作用时，该压电元件会产生一个相应的输出信号，而另一块压电元件则将由于被放松而产生拉伸的效果，该压电元件亦将产生一个相应的输出信号，将两块压电元件的输出端按照差动连接的方式连接，可有效消除各种干扰，提高质量块位移检测的准确度，通过检测压电元件的输出信号，可确定质量块的位移量，从而确定外界加速度的值，同时，质量块外壁处设置了多道对称的凹槽，可有效增质量块与磁性流体的有效接触面积，通过控制励磁线圈的输入电流，可控制励磁线圈的磁场，励磁线圈的磁场可改变磁性流体的粘度，磁性流体粘度的改变将改变磁性流体对质量块的阻尼力，从而可控制质量块的位移量，实现加速度传感器大量程检测，还可动态控制量程范围大小。

本发明的具体实施方式的结构如图1与图2所示，所述的加速度传感器最基本的结构包括：非磁性腔体、磁性流体10、质量块11、检测装置，其中：非磁性腔体为非磁性材料构成的密闭容器，内部充满磁性流体10；非磁性腔体包括非磁性内筒6与非磁性压盖3，本例中的非磁性内筒6两端开口，两端分别通过第一螺钉13固定安装非磁性压盖3，锁紧后组成密闭的非磁性腔体，并在质量块11、检测装置与非磁性腔体之间产生保持设定的预紧压力；在非磁性腔体与质量块形成的空腔中充满磁性流体10；有时在加工工艺允许的情况下非磁性内筒可以是一端开口，开口处通过第一螺钉13固定安装一个非磁性压盖压紧质量块3组成非磁性腔体，内部充满磁性流体10。同时，为了更好地实现非磁性腔体的密闭(主要是磁性流体的密封)，所述的非磁性内筒6与非磁性压盖3之间可设置非磁性密封圈5，防止磁性流体10发生泄漏。

本例中的非磁性腔体外壁沿轴向方向设置有周向凹槽，也就是非磁性内筒6的外壁沿轴向方向设置有周向凹槽，用于安装励磁线圈，在非磁性内筒6的两个端面沿轴向方向预留壁厚，用于固定非磁性压盖3。

本例中的非磁性腔体为圆柱形，也就是非磁性内筒6的形状为圆柱形，内部开通孔，两端面预留安装壁厚，且在非磁性内筒6的外壁沿轴向方向设有周向凹槽，用于安装励磁线圈8；当然，非磁性腔体也可以是棱柱体，也就是非磁性内筒6的形状为棱柱体，内部开通孔，两端面处预留壁厚，在非磁性内筒6的外壁沿轴向方向设有周向凹槽，凹槽处也可用于设置线圈固定套，励磁线圈8可缠绕在线圈固定套上。

磁性流体10为磁流体、磁性复合流体或磁流变体等具备磁性的流体中的任何一种或是其中任何几种的组合。所述加速度传感器的非磁性内筒6中充满磁性流体10，质量块11设置于磁性流体10中，受到磁性流体10的阻尼力作用。改变磁性流体10的粘度，可以改变磁性流体10对质量块11的阻尼力大小，从而改变质量块11在轴向方向的位移量。

检测装置，所述的检测装置包括一块或者多块压电片通过串连方式或者并联方式组成的压电元件4，压电元件4设于质量块11与非磁性腔体之间，用于检测质量块11的位移量变化，输出可供后续检测电路检测的信号。

压电元件4由石英晶体、压电陶瓷或其他新型压电材料等具备压电效应的材料构成。本例中的压电元件4为圆柱薄片形，中心开通孔，用于定位在非磁性压盖3的凸台位置，保持与非磁性内筒6同轴，保证与质量块的受力区域根据轴线对称；当然，不排除压电元件4为方形、棱形等其他可替换的形状。在性能足以得到保证的时候，可考虑将压电元件4粘结在非磁性压盖3上，简化安装过程。当锁紧非磁性压盖3时，压电元件4受到预紧力的作用而与质量块11在接触端面上紧密接触，保证压电元件4能够正常感应质量块的位移量。

质量块11为高比重材料制成，一般要求比重为14-19克/立方厘米，质量块可以为金属如由钨合金、铜钨合金等高比重合金构成。质量块也可以为非金属，只要满足上述比重范围即可。质量块11端面处设置有定位凹槽，通过非磁性压盖3的凸台进行周向定位，本例中的质量块11为圆柱体，在圆柱体周向设置有多道凹槽，用于增质量块11与磁性流体的有效接触面积；当然，质量块11也可以是棱柱体，在棱柱体周向设置有多道凹槽，可以增质量块11与磁性流体的有效接触面积；在加工工艺允许的条件下，可以在质量块11的周向加工出薄叶片，可进一步增质量块11与磁性流体的有效接触面积。当锁紧非磁性压盖3时，产生的预紧力使得质量块11和压电元件4紧密接触，可以增大所述加速度传感器的灵敏度，同时由于压电元件4的材料特性，能够增大加速度传感器的刚度；当存在外界加速度时，质量块11由于自身惯性的作用，输出相应的位移量，由于压电元件4与质量块11紧密接触，质量块11的位移量便成为压电元件4的输入量。当改变磁性流体10的粘度时，质量块11受到磁性流体10的阻尼力将发生变化，从而其输出位移量也发生变化：相同的加速度输入时，若增大磁性流体10的粘度，质量块11受到磁性流体10的阻尼力将相对增大，质量块11的输出位移量相对减小，此时所述的加速度传感器适合测量数值比较大的输入加速度；若减小磁性流体10的粘度，质量块11受到磁性流体10的阻尼力将相对减小，质量块11的输出位移量相对增大，此时所述的加速度传感器适合测量数值比较小的输入加速度。因此，通过控制磁性流体10的粘度，可以控制所述加速度传感器的量程范围，同时，通过大幅度增大磁性流体10的粘度，所述加速度传感器可实现大量程测量。

为了更好地完成测量工作，在本例的基础上所述的加速度传感器还包括磁场控制装置，用于改变磁性流体的粘度，控制质量块轴向的位移量，具体包括励磁线圈，励磁线圈缠绕于非磁性腔体的外部，通过输入电流产生均匀磁场，改变磁性流体的粘度，控制质量块轴向的位移量。本例中，线圈缠绕在非磁性内筒6的凹槽之上，保持与非磁性内筒6同轴；也可以设置同轴线圈固定套于非磁性内筒6上，励磁线圈8缠绕在线圈固定套上。励磁线圈8用于在非磁性内筒6的内部产生均匀磁场，改变励磁线圈8的通电电流，可以改变非磁性内筒6内部的磁场：增大励磁线圈8的通电电流，将增大非磁性内筒6内部的磁场；减小励磁线圈8的通电电流，将减小非磁性内筒6内部的磁场。

所述的加速度传感器还包括外壳体，所述的非磁性腔体、磁性流体10、质量块11、检测装置或磁场控制装置设置于外壳体内腔中，外壳体具体包括外套筒7、上端盖12与下端盖1，外套筒7与上端盖12与下端盖1通过第二螺钉14固定，所述的下端盖1上设有安装支脚15和/或安装孔16。

另外，所述的外壳体与非磁性腔体间设有隔离套，用于隔离磁场控制装置与外部磁场的联系，抑制外界磁场干扰。隔离套包括非磁性套筒9与非磁性垫圈2。

所述的加速度传感器还包括检测控制装置，用于根据检测装置输出的加速度检测结果信号，控制励磁线圈的输入电流，从而控制励磁线圈的内部磁场。

本发明所述的加速度传感器的工作原理如下：

如图1与图2所示，在非磁性内筒6中充满了磁性流体10，在磁性流体10里，质量块11和压电元件4通过非磁性压盖3的凸台定位，当锁紧非磁性压盖3时，产生的预紧力使得质量块11和压电元件4紧密接触，质量块11还受到磁性流体10的阻尼力作用，质量块11设置有多道周向凹槽，增加与磁性流体10的有效接触面积，由于非磁性压盖3设置了密封圈5，使得磁性流体10不会溢出；在非磁性内筒6的外壁沿轴向方向设有周向凹槽，励磁线圈8设置于周向凹槽内，用于提供均匀的磁场，励磁线圈8外部设置了非磁性套筒9、非磁性压盖3设置了非磁性垫圈，用于隔绝励磁线圈8的磁场和外界磁场的联系，防止外磁场干扰。

存在外界加速度时，质量块11由于惯性的作用，将输出相应的位移量，这个位移量成为压电元件4的输入量，由于质量块11与两块压电元件4紧密接触，两块压电元件4获得的输入位移量符号相反，即其中一块压电元件被压缩，另外一块压电元件则被放松，此时，压电元件4输出相应的信号值，由于这两块压电元件信号的符号相反，可通过差动连接的方式将两者的信号连接，然后进行检测，这种差动检测方式可以消除各种干扰；通过检测压电元件4的输出信号，则可确定所述加速度传感器输入的外界加速度。

通过控制励磁线圈8的通电电流，改变产生的磁场大小，能改变磁性流体10的粘度，由于质量块11受到磁性流体10的阻尼力作用，因此可改变质量块11受到的阻尼力作用，进而改变质量块11的输出位移量。在相同的外界加速度输入时，改变励磁线圈8的通电电流，改变磁性流体10的粘度，即可改变质量块11的位移量，从而可实现所述加速度传感器的量程可控性；若大幅度提高磁性流体10的粘度，在相同的外界加速度输入时，质量块11的位移量将会降低，从而实现大量程加速度的测量。

若进一步将压电元件4的输出量以反馈的形式输入到励磁线圈8的控制电路，控制电路可以自动根据压电元件4的输出量来调整励磁线圈8的通电电流，则可实现所述加速度传感器的智能性。

本例所述加速度传感器结构中不再采用传统的悬臂梁工作方式，转而引入了压电元件作为弹性元件，提高了所述加速度传感器的测量灵敏度，在工作过程中弹性元件不再出现弯曲、扭转等物理变形，也提高了加速度传感器的工作寿命和可靠性。

因此本发明具有如下优点和有益效果：

1、本发明结构上新颖，避免了传统的悬臂梁结构，改变了质量块的工作原理，是对现有加速度传感器原理上的创新；

2、本发明中采用磁性流体粘度可控性特点，通过控制励磁线圈的通电电流，改变施加在磁性流体上的磁场强度，达到控制磁性流体粘度的目的，从而实现了加速度传感器量程可控性；

3、本发明引入多凹槽质量块和压电元件，通过提高磁性流体的粘度，可以实现大量程输入加速度的检测；

4、本发明中采取了压电元件输出信号的差动连接，能够有效消除各种干扰，提高了检测准确度；

5、本发明消除了弹性元件在运动过程中产生弯曲、扭转的弹性形变，提高了所述加速度传感器的工作可靠性；

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1. 一种磁性流体加速度传感器，其特征在于，包括：非磁性腔体、质量块、检测装置与磁性流体，其中：

非磁性腔体：由非磁性材料构成的密闭容器；

质量块：设于非磁性腔体中部，两端面与非磁性腔体的接触面间设有检测装置，并在质量块、检测装置与非磁性腔体之间保持设定的预紧压力；且非磁性腔体与质量块形成的空腔中充满磁性流体；

检测装置：用于检测质量块与非磁性腔体之间压力的变化，输出加速度检测结果信号。

2. 根据权利要求1所述的磁性流体加速度传感器，其特征在于，还包括磁场控制装置，用于改变磁性流体的粘度，控制质量块轴向的位移量，具体包括：

励磁线圈：缠绕于非磁性腔体的外部，通过输入电流产生均匀磁场，改变磁性流体的粘度，控制质量块轴向的位移量。

3. 根据权利要求2所述的磁性流体加速度传感器，其特征在于，还包括检测控制装置，用于根据检测装置输出的加速度检测结果信号，控制励磁线圈的输入电流，从而控制励磁线圈的内部磁场。

4. 根据权利要求1或2所述的磁性流体加速度传感器，其特征在于，所述的检测装置包括一块或者多块压电片通过串连方式或者并联方式组成的压电元件，压电元件设于质量块与非磁性腔体之间，用于检测质量块的位移量变化，输出可供后续检测电路检测的信号。

5. 根据权利要求1或2所述的磁性流体加速度传感器，其特征在于，所述的质量块以高比重材料制成。

6. 根据权利要求5所述的磁性流体加速度传感器，其特征在于，所述的质量块是圆柱体或棱柱体，且在质量块周向设置有多道凹槽或叶片，用于增加与磁性流体的有效接触面积。

7. 根据权利要求1或2所述的磁性流体加速度传感器，其特征在于，所述的非磁性腔体包括非磁性内筒与非磁性压盖，其中：

所述的非磁性内筒两端开口，两端分别通过螺钉固定安装一个非磁性压盖压紧质量块组成非磁性腔体，并在质量块、检测装置与非磁性腔体之间产生保持设定的预紧压力；或者，

所述的非磁性内筒一端开口，开口处安装一个非磁性压盖压紧质量块组成非磁性腔体，并在质量块、检测装置与非磁性腔体之间产生保持设定的预紧压力；或者，

所述的非磁性内筒与非磁性压盖之间还设置有非磁性密封圈。

8. 根据权利要求7所述的磁性流体加速度传感器，其特征在于，所述的非磁性腔体为圆柱体或棱柱体，外壁沿轴向方向设置有周向凹槽，用于安装励磁线圈；或者还包括，

所述的质量块端面处设置有定位凹槽，所述的非磁性腔体内部端面处设置有凸台，质量块通过非磁性腔体内部凸台进行周向定位。

9. 根据权利要求1或2所述的磁性流体加速度传感器，其特征在于，所述的磁性流体包括磁流体、磁性复合流体或磁流变体中的至少一种。

10. 根据权利要求1或2所述的磁性流体加速度传感器，其特征在于，还包括外壳体，所述的非磁性腔体、磁性流体、质量块、检测装置或磁场控制装置设置于外壳体内腔中，外壳体具体包括外套筒、上端盖与下端盖，外套筒与上端盖与下端盖通过螺栓固定，所述的下端盖上设有安装支脚和/或安装孔，或者；

所述的外壳体与非磁性腔体间设有隔离套，用于隔离磁场控制装置与外部磁场的联系，抑制外界磁场干扰。

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