CN101622548A

CN101622548A - 用于测量材料的磁导率的方法和装置

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Publication number: CN101622548A
Application number: CN200880006869A
Authority: CN
Inventors: 威廉·科道斯基; 阿帕德·塞格拉斯; 罗伯特·詹姆斯
Original assignee: QED Technologies Inc
Current assignee: QED Technologies Inc
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2010-01-06
Also published as: JP2010520456A; US7557566B2; WO2008109301A1; US20080214092A1; US7888929B2; US20100079137A1

Abstract

本发明提供一种用于确定材料的磁导率的系统。两个电感形成主和次同心线圈，共享公共的磁芯部空间。施加至所述主线圈的第一AC电压在所述芯部中产生与所述材料的所述磁导率成正比的磁通。所述磁通在所述次线圈中感生AC电压，所述AC电压指示所述样品的所述表观磁导率。通过施加第二AC电压和在所述材料中设置的第一和第二电极上串联的电阻，对所述表观磁导率进行电导率的校正。当所述材料是磁流变流体时，所述磁导率与所述样品中的磁粒子的所述浓度成正比，并且可以从所述次电压信号的所述幅度中反计算出所述磁导率。

Description

用于测量材料的磁导率的方法和装置

与其它申请和专利的关系

本申请是于2007年3月2日提交的待决的美国专利申请11/681,258的部分继续。

技术领域

本发明涉及用于推理估测的方法和装置；更具体地，涉及用于确定材料的磁导率的方法和装置；并且最具体地，涉及利用这种测量控制磁流变(MR)流体中的磁材料的浓度的方法和装置。

背景技术

MR流体是众所周知的并且可以将其实际上定义为流体材料，该流体材料的表观粘度随着流体暴露在磁场下而反增长。粘度的增加是各向异性的，由于磁化粒子的纤维(fibrils)的形成，粘度在磁场的方向上是最大的。该属性在本领域中称作“硬化”(stiffenening)，已经在极高分辨率的成型、修整以及表面的抛光中获得巨大的成功，特别是光学元件，其中可以用高度精确和控制的方式来移除非常少量的材料。在本技术领域中将该领域一般地称作磁流变修整(MRF)。参见例如美国专利号5,971,835；6,746,310；以及6,893,322，它们的相关内容以引用的方式并入本文中。

MRF技术中的问题是维持进入磁工作区中的MR流体的恒定磁粒子浓度。通过从混合池抽取MR流体的传输系统向工作区供应MR流体，使用过的MR流体从工作区传送到混合池中用于混合和重使用。典型地，由于蒸发，使用过的MR流体的载体(水)被消耗，并且使用过的MR流体还被加热，这两个改变必须在可以重使用MR流体之前校正。在没有对由于蒸发而损失的水进行补充的情况下，在MRF操作期间池中的MR流体的批量供应将逐渐增加粒子浓度。由于粒子浓度是控制从待修整基板上移除材料的速度的重要因素，因此这是不受欢迎的操作条件。因此，在任意给定时间知道从池中供应的MR流体中的粒子浓度并且向池中提供正确的水补充速度以替代由于使用中蒸发导致的水损失是重要的，从而动态地将浓度保持恒定在目标值。

美国专利号5,554,932披露了一种用于测量样品材料的饱和磁通密度的系统。在圆柱形永久磁铁的两侧对称地设置第一和第二样品支架。环绕样品支架放置线圈，并且旋转该永久磁铁。将由于磁材料不在样品支架中的一个中时在线圈中感生的信号施加至放大器/仪表，以提供零(null)信号。当将样品放置在一个样品支架中时，可以测量饱和磁通密度。该披露的系统的缺点是机械设备是相对笨重的并且具有关键的移动部件(永久磁铁)。

美国专利号6,650,108披露了用于推理流动MR流体中的磁粒子的浓度的系统。该系统是基于在阻抗测量中汇聚的电感测量，它具有涉及高灵敏度电桥电路的相对复杂的技术。该披露的系统的缺点是分辨率相对低。

于2007年3月2日提交的美国专利申请号11/681,258披露了简单、高分辨率装置，该装置用于连续地测量和监视混合池MR流体中的磁粒子的浓度以在重使用池中MR流体用于修整之前允许受控制的实时稀释。该披露的系统的缺点是表观浓度(磁导率)也是MR流体的电导率的函数。

本领域需要的是简单、高分辨率装置，该装置用于对输出信号进行混合池MR流体的流体电导率(fluid conductivity)的改变的连续补偿以在重使用池中MR流体用于修整之前允许进行受控制的实时稀释。

本发明的主要目标是在确定MR流体的粒子浓度时考虑到流体电导率。

发明内容

在本发明的方法和装置中简要地描述了两个电感共享相同的磁芯部。优选地，将电感形成为主和次同心线圈。当向主线圈应用AC电压时，在芯部中产生轴向的磁通，该磁通与芯部的磁导率的强度成正比。接下来，由于互感效应，磁通在次线圈中感生AC电压，该电压与源电压同相。芯部的磁导率取决于样品中的磁粒子的浓度(当“芯部”是MR流体的样品时)，并且因此可以从次电压信号的幅度反计算出磁粒子的浓度。

通过使用差分方法可以增加测量灵敏度和系统分辨率，该方法使用两个相同的线圈组或者线圈对，其中参考材料形成一个线圈组的磁芯部，并且MR流体形成另一个线圈组的磁芯部。

由于液体导电芯部中的磁感生环形涡流生成与外部磁场相反的磁场，可能影响该装置的输出信号。这种涡流的强度是MR流体的电导率的函数，它可以随着时间而改变，这是由于在MR流体的工作寿命期间发生的化学过程(如氧化)。因此，当计算装置的电压输出时必须包括电导率项，并且必须在使用期间连续地测量MR流体的电导率。

附图说明

通过阅读下列描述以及附图，本发明的前述和其它目的、特征以及优点和它的当前优选实施例将变得更显而易见，其中：

图1示出了用于测量磁导率的依照于本发明的系统的示例实施例的示意图，包括用于连续地测量电导率的设备在内；以及

图2示出了MR流体修整机器中的示例实施例的应用的示意图。

具体实施方式

参见图1，在依照于本发明的适用于测量磁芯部12的材料的磁导率的系统10中，两个电感(主线圈14和次线圈16)共享磁芯部12，该磁芯部12是待测试的磁材料的样品，如MR修整机器的池中的MR流体。当向主线圈14应用AC电压V_p时，在芯部12中依照于公式1产生轴向磁通18：

B = μ \frac{N}{l} \frac{I_{p}}{\sqrt{2}}

(公式1)

其中μ是芯部的磁导率，N是主线圈匝数，l是线圈长度，I_p是电流幅度，并且

是均方根电流。

接下来，由于互感效应，依照于公式2，磁通18在次线圈16中感生与源电压同相的AC电压V_s：

V_s＝2πrNAB (公式2)

其中f是电流频率，并且A是芯部12的横截面积。从公式1和公式2，在次线圈16中生成的均方根电压V_s由公式3给出：

V_{s} = 4.44 μf \frac{N^{2} A}{l} I_{p}

(公式3)

主线圈14作为与AC电压源V_p相关的负载，并且次线圈作为与电阻R₂相关的源。同时，磁导率μ取决于芯部12的磁性(magneticproperty)。接下来这些属性取决于样品中的磁粒子的浓度

由公式4给出：

(公式4)

当包括施加至主线圈的AC电压在内的系统10的所有参数保持恒定，磁芯部12中的磁粒子浓度的任何变化将遵循公式3而导致次线圈16中的AC电压V_s的正比改变。这样做时，系统输出信号遵循样品磁粒子浓度的变化。在一般情况中，可以如公式5所示来定义它：

(公式5)

其中k₁，k₂...是一些取决于系统几何和系统电参数的恒定参数。可以通过(预)设置不同的系统参数来操纵输出信号的量级，如线圈的匝数和几何形状、振荡器的频率和电压、元件的阻抗、以及类似物。系统10还可以包含温度传感器(图中未示出)(如热敏电阻)装置以补偿由于温度变化造成的电路阻抗的热变化以及输出信号中的改变，系统10还可以包括电子控制器，该电子控制器用于如图2和下述所示处理系统10的输出、计算磁导率、并且控制池中的MR流体的补充。

同时，MR流体是微米大小的铁和研磨粒子的水基悬浮液。为了减缓粒子沉淀和腐蚀，该流体包含一些化学添加剂，该添加剂导致相对高的流体pH值以及电导率。当在AC磁场中放置这种导电流体时，导电材料中沿闭合环形路径感生了涡流，该闭合环形路径与引起感生的外部磁场相垂直。该感生的涡流与引起感生的外部磁场中的变化相反，并且作为结果，由该环形涡流产生的AC磁场可能减小较大的外部AC磁场，并且因此减少该装置的输出信号。

此外，由于在MRF机器的流体寿命期间发生的化学过程(氧化)，流体电导率可以随着时间而变化，导致输出信号的不稳定性以及随后在流体监视和材料移除速度上的误差。

更甚的是，误差的附加来源是流体电导率与铁粒子的浓度的相关性，它是本方法要测量的主要函数。

我们需要的是简单、高分辨率设备，该设备用于对输出信号进行混合池MR流体的流体电导率的改变的连续补偿，以在重使用池中MR流体用于修整之前允许受控制的实时稀释。

为此，连续地测量流体电导率。系统10包括设置在MR流体芯部12中的两个电极20、22，该两个电极20、22位于主和次线圈14、16的相对端并且通过电阻R₃与电压源V_c(AC，10,000赫兹以避免电极的极化)连接。来自电阻R₃的电压与MR流体芯部12的电导率成正比，并且可以在控制器中使用该电压以计算和补偿由于电导率的变化而导致的电路阻抗中的电导率变化以及输出信号中的改变。

在该情形中，可以将调整电导率输出信号V_s1定义为公式5的变化，其中添加电导率项：

(公式6)

其中G是流体电导率。

次线圈中浓度和电压V_s1之间的正确定量关系由使用已知磁粒子浓度的样品进行的校准来确定，该校准给出浓度的下列一般表达式：

(公式7)

其中a和b是由校准定义的常量。

参见图2，示出了依照于本发明的系统210的示例应用，该系统210用于协助维持MR修整装置200中的MR流体的磁粒子的恒定浓度。

正如用于MR修整装置200的现有技术中众所周知并且在并入的引用文件中所更完整描述的，轮架230具有表面232(最好是球型的)，该表面232用于接收来自喷嘴236的处于非变硬状态的MR流体的带234。表面232将带234携带进入在表面232和待修整的间隔开的工件240之间的工作区238。成形的磁极件(图中未示出)在工作区238中产生定向磁场，该定向磁场引起其中的MR流体变硬为接近坚硬的油灰(putty)。变硬的MR流体还可以包含研磨剂(如氧化铈)的非磁粒子，当它通过工作区238时，以受控制的方式烧蚀(ablate)工件240的表面。轮架表面232连续地向工作区238供应MR流体以及从工作区238移除MR流体。刮刀242从轮架表面232移除使用过的不再变硬的MR流体，并且将它经由抽气泵244返回混合池246，其中将使用过的MR流体与MR流体220的批量供应进行混合并且从此时由输送泵248抽取混合的MR流体220并且再一次经由非磁性管250供应给喷嘴236。

将互感传感器219同心地放置在充满流动的MR流体220的非磁性管250的外面，该互感传感器219配备有依照于本发明的用于MR流体电导率测量的装置，并且如上所述由AC电源252来可控驱动。将来自传感器219的输出信号254和255传送给可编程控制器256，用依照于公式1至7的算法和查找表来编程该可编程控制器256，并且该可编程控制器256具有与目标浓度相对应的设定值，该可编程控制器256控制泵258以受控制的流速向池246中分配补充水260，以补偿当MR流体带234在使用期间暴露在轮架230上时从MR流体带234中蒸发的水。在池246中将补充水260与批量供应MR流体进行混合以将批量浓度稀释为目标值。从而，当从池246中抽取用于向工作区238供应时，将MR流体220中的磁粒子浓度维持在目标浓度，提供了工件240的材料移除的稳定和可预测速度。

尽管已经通过不同具体实施例来描述本发明，应当理解可以在描述的发明性概念的精神和范围内进行大量的改动。因此，本发明预期不受所述实施例的限制，而是将具有由附加权利要求的语言所定义的全部范围。

Claims

1、一种用于确定材料的磁导率的系统，包括：

a)第一电感；

b)第二电感；

c)第一AC电压源，与所述第一电感连接，以感生出环绕所述第一和第二电感以及所述材料的样品的磁场；

d)用于在所述第二电感中测量感生的AC电压信号的装置；以及

e)第一和第二电极，浸入所述材料的所述样品中并且与可变AC电压源和电阻串联，用于确定与材料的所述样品的电导率成正比的电压信号，将所述信号添加至所述第二电感的所述感生的AC电压信号上，以提供经校正电导率后的感生的AC电压信号指示所述样品的磁导率。

2、根据权利要求1所述的系统，其中所述第一电感是第一线圈，所述第二电感是与所述第一线圈同轴的第二线圈，所述磁场在所述第一和第二线圈中是轴向的，并且将所述材料的所述样品设置在所述轴向磁场中。

3、根据权利要求2所述的系统，其中将所述第二线圈环绕所述第一线圈缠绕。

4、根据权利要求1所述的系统，其中所述材料是包括在液体载体中散布的磁粒子的磁流变流体，并且其中所述磁导率与所述液体载体中的磁粒子的浓度成正比。

5、根据权利要求2所述的系统，其中所述系统是磁流变修整系统的元件。

6、一种用于确定材料的磁导率的方法，包括下列所述步骤：

a)提供第一电感；

b)提供第二电感；

c)提供与所述第一电感连接的AC电压源，以感生出环绕所述第一和第二电感的磁场；

d)提供用于测量所述第二电感中的感生AC电压的装置；

e)提供用于测量所述材料的电导率的装置；

f)将所述材料的样品放置在所述磁场中；以及

g)确定所述感生的AC电压经校正所述材料的电导率后的幅度，其中所述感生的AC电压经校正电导率后的幅度与所述材料的所述磁导率成正比。

7、根据权利要求6所述的方法，其中所述第一电感是第一线圈，所述第二电感是与所述第一线圈同轴的第二线圈，所述磁场在所述第一和第二线圈中是轴向的，并且将所述材料的所述样品设置在所述轴向磁场中。

8、一种磁流变修整系统，包括：

a)池，用于存储批量供应的磁流变流体，当在所述系统中循环使用磁流变流体时，所述池供应并且接收磁流变流体，其中所述磁流变流体包括散布在载体流体中的磁粒子，并且其中在所述循环使用期间所述载体流体中的所述粒子的浓度由于部分所述载体流体蒸发损失而增加；

b)双线圈互感传感器，包括同轴缠绕的主线圈和次线圈，在所述主线圈和次线圈内定义样品空间，用于接收来自所述批量供应的所述磁流变流体的样品；

c)用于在所述主线圈上施加AC电压的装置；

d)用于发送来自所述次线圈的第一信号的装置，所述第一信号代表所述次线圈中感生的AC电压的幅度，所述信号与所述样品中的所述载体流体中的所述磁粒子的所述浓度成正比；

e)用于确定所述磁流变流体的电导率并且用于发送指示所述电导率的第二信号的装置；

f)控制器装置，对所述第一和第二信号做出响应并且具有已编程装置，所述已编程装置用于处理所述第一和第二信号并且将作为结果的信号与存储的参考信号进行比较，所述参考信号指示散布在所述载体流体中的所述磁粒子的目标浓度，并且所述已编程装置用于计算补充载体流体的流速，所述补充载体流体需要添加到所述池中以替代所述蒸发损失，并从而将所述磁流变流体的所述批量供应维持在所述目标浓度上；以及

g)分配装置，对所述控制器装置做出响应，用于以所述计算的流速向所述批量供应分配所述补充载体流体。