CN102778221A - 一种微小倾角传感方法及装置 - Google Patents

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张德胜
何国田
宋莉
王松
刘云杰
马燕
冉迎春
戴鹏飞
谷明信
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Abstract

本发明涉及一种磁流变液微小倾角传感方法及传感器装置设计。将磁流变液放在非磁性容器中,体积为非磁性容器的一半。检测电容放置在非磁性容器上下两端。当非磁性容器沿基准方向偏折有一个角度时,检测电容中介质(空气部分和磁流变液部分)比例将发生变化,从而检测电容将发生变化。即由检测电容值便可得到倾角大小。由于磁流变液介电常数随外磁场的变化而变化,通过调节磁场可以使得检测电容与倾角之间近似呈线性关系,且可改变检测电容大小,从而提高传感器的灵敏度。

Description

一种微小倾角传感方法及装置
技术领域
[0001] 本发明属于倾角传感器的应用领域,具体涉及一种基于磁流变液的微小倾角传感方法及其装置。
背景技术
[0002] 磁流变液是一种智能流体材料,由磁性粒子、基液以及添加剂组成。在无外磁场作用时,磁流变液呈现流动性良好的液体状态;在外加磁场作用下其表观粘度可在短时间(毫秒级)内增加到两个数量级以上,从而呈现类似固体的状态。在撤掉外磁场后“固态”磁流变液可快速转换为流体状态(Wojciech Szelag. Finite element analysis of themagnetorheo- logical uid brake transients[J]. 2004, 23(3):758- 766·)。 [0003] 微小倾角传感器是一种能够测量工作系统倾角的设备。通过测量倾角,可以获得工作系统相对于基准面的倾斜程度,微小倾角传感器广泛用于水平位置倾斜度测量、导轨直线度测量、平板平面度测量、角度监控等领域。现有的微小倾角传感器或者结构复杂,价格昂贵;或者结构简单,灵敏度低。
[0004]
发明内容
[0005] 为了能够实现灵敏度高且测量装置简单的微小倾角传感方法,本发明提出一种磁流变液微小倾角传感方法及传感器。该装置主要分为倾角测试装置、信号转换电路两部分。
[0006] 倾角测试装置由非磁性容器、检测电容、磁场线圈、磁流变液组成。磁流变液放在非磁性容器中,体积为非磁性容器的一半。检测电容放置在非磁性容器上下两端,如图I所示。当非磁性容器沿基准方向偏折有一个角度时,检测电容中介质(空气部分和磁流变液部分)比例将发生变化,从而检测电容将发生变化。即由检测电容值便可得到倾角大小。磁场线圈用来为磁流变液提供磁场,由于磁流变液介电常数随外磁场的变化而变化,通过调节磁场可以使得检测电容与倾角之间近似呈线性关系,且可改变检测电容大小,从而提高传感器的灵敏度。
[0007] 信号转换电路由检测电容、反馈电阻、反馈电容和运算放大器构成的比例运算电路组成。用一交流电压信号对该比例运算电路进行激励后,将检测电容随倾角的变化转化为交流电压信号。用嵌入式系统或虚拟仪器或单片机对该电压信号进行运算和处理即可得非磁性容器的倾角的大小。
[0008] 本发明结构简单,不但可以有效地检测微小倾角的大小,而且结构简单,线性度好,灵敏度高。
[0009] 本发明所采用的技术方案如下:
一种磁流变液微小倾角方法及传感装置,该传感装置包括倾角测试装置、信号转换电路两部分。
[0010] 所述倾角测试装置由非磁性容器、检测电容、磁场线圈、磁流变液组成。磁流变液放在非磁性容器中,体积为非磁性容器的一半。检测电容放置在非磁性容器上下两端,如图
I所示。当非磁性容器沿基准方向偏折有一个角度时,检测电容中介质(空气部分和磁流变液部分)比例将发生变化,从而检测电容将发生变化。即由检测电容值便可得到倾角大小。磁场线圈用来为磁流变液提供磁场,从而提高传感器的灵敏度。
[0011] 所述信号转换电路由检测电容、反馈电阻、反馈电容和运算放大器构成的比例运算电路组成。当测试时,向电路输入一交流电压信号,该交流电压信号对比例运算电路进行激励后,将检测电容随倾角的变化转化为交流电压信号。用嵌入式系统或虚拟仪器或单片机对该电压信号进行运算和处理即可得到非磁性容器的倾角的大小。
[0012] 本发明的有益效果是:
(O设计出磁流变液微小倾角传感器。 [0013] (2)检测装置结构简单、线性度好,灵敏度高。
[0014] (3)为磁流变液在传感技术中的应用提供了一种新的方法。
[0015] 附图说明:
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0016] 图I是本发明倾角测试装置示意图;
图中I.非磁性容器,2.检测电容,3.磁流变液,4.磁场线圈 图2是信号转换电路图;
图3是检测电容与倾角关系曲线;
具体实施方式:
参照图1,本发明所涉及的倾角测试方法及装置由非磁性容器I、检测电容2、磁流变液3、磁场线圈4组成。磁流变液3放在非磁性容器I中,体积为非磁性容器I的一半。检测电容2放置在非磁性容器上下两端,极板长度为非磁性容器I长度的一半。磁场线圈4放置在非磁性容器I外部,用来为磁流变液3提供磁场。其中非磁性容器为长方体,其长为a,宽为b,高为c.
参照图2,信号转换电路由检测电容Cx、已知电阻R1、R2、反馈电容Cl、已知电容C2、C3和运算放大器构成。
[0017] 参照图I,倾角测量方案为:
当非磁性容器沿基准方向偏折有一个角度时,检测电容中介质(空气部分和磁流变液部分)比例将发生变化,从而检测电容将发生变化。
[0018] 检测电容为电容Cl与电容C2的串联值,SP :
当倾角β很小时,α ^tana ,所以有:
Figure CN102778221AD00051
其中e、%分别为磁流变液和空气的介电常数。
[0019] 当t O;很小时,
Figure CN102778221AD00052
将(4)式和(5)式代入(I)式并化简得
Figure CN102778221AD00053
其中先=......7Γ......77,-为磁流变液相对介电常数。当,Y 1时,(6)式化简为:
Figure CN102778221AD00054
[0020] 即由检测电容值便可得到倾角大小。磁场线圈用来为磁流变液提供磁场,由于磁流变液介电常数随外磁场的变化而变化,通过调节磁场大小可以使得检测电容与倾角之间近似呈线性关系,且可在一定程度上调节检测电容大小,从而提高传感器的灵敏度。
[0021] 参照图2,检测电容测量方案为:
向电路输入正弦信号UO (t),通过正弦信号UO (t)对被测检测电容进行激励,激励电流流经由反馈电阻Rl、反馈电容Cl,和运算放大器组成的检测器转换成交流电压Ul (t),由电路基本原理可得:
聊jmRlCl U ,(I) (8) 1 JmRiCl + ! 0
JiaR1C1 »1 时,(8)式变为
明=—(9)
该电路可实现微小电容的有效检测。从而进一步提闻传感器的灵敏度。
[0022]
参照图3,当取a为O. I米,b为O. 5米,c为O. 01米,且倾角在正负2度间变化时,检测电容随倾角变化如图所示。图中所示检测电容范围为50到68皮法之间。本发明可得倾角最小分辨率为O. 01度。

Claims (3)

1. 一种磁流变液微小倾角传感器;该传感器包括倾角测试装置、信号转换电路两部分;其特征为: 所述倾角测试装置由非磁性容器、检测电容、磁场线圈、磁流变液组成;磁流变液放在非磁性容器中;体积为非磁性容器的一半;检测电容放置在非磁性容器上下两端;如图I所示;当非磁性容器沿基准方向偏折有一个角度时;检测电容中介质(空气部分和磁流变液部分)比例将发生变化;从而检测电容将发生变化;即由检测电容值便可得到倾角大小;磁场线圈用来为磁流变液提供磁场;从而提高传感器的灵敏度; 所述信号转换电路由检测电容、反馈电阻、反馈电容和运算放大器构成的比例运算电路组成;当测试时;向电路输入一交流电压信号;该交流电压信号对比例运算电路进行激励后;将检测电容随倾角的变化转化为交流电压信号;用嵌入式系统或虚拟仪器或单片机对该电压信号进行运算和处理即可得到非磁性容器的倾角的大小。
2.根据权利要求I所述的检测装置;其特征为:所述倾角测试装置由非磁性容器、检测电容、磁场线圈、磁流变液组成;磁流变液放在非磁性容器中;体积为非磁性容器的一半;检测电容放置在非磁性容器上下两端;长度为非磁性容器长度一半;如图I所示;当非磁性容器沿基准方向偏折有一个角度时;检测电容中介质(空气部分和磁流变液部分)比例将发生变化;从而检测电容将发生变化;即由检测电容值便可得到倾角大小;磁场线圈用来为磁流变液提供磁场;由于磁流变液介电常数随外磁场的变化而变化;通过调节磁场可以使得检测电容与倾角之间近似呈线性关系;且可改变检测电容大小;从而提高传感器的灵敏度。
3.根据权利要求2所述的检测装置;其特征为:所述非磁性容器可以是铝板、钛合金或钨铜合金等。
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