CN103063278B - 利用铁磁液滴在梯度磁场内传感特性的太空质量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用铁磁液滴在梯度磁场内的传感特性的太空质量测量装置，其中：旋转轴分为上下两部分，分别与线圈外壳上下两侧相连，旋转轴上端连接电动机以产生旋转运动，线圈外壳包裹整个线圈，激励保持线圈绕制在线圈支撑套筒上，均匀绕满整个线圈支撑套筒，两个检测线圈绕制在激励保持线圈之上，检测线圈与线圈支撑套筒轴对称，线圈支撑套筒左右两端各安装有一个端盖，端盖上各开一个小孔，用以放置铁磁液滴模块，铁磁液滴模块的塑料球或玻璃球和两端长杆的一部分在内部套筒内，两端长杆的另一部分在其外，长杆两端分别通过内部套筒两端的小孔伸出套筒外，测重盒与右端长杆刚性相连。本发明解决了太空失重状态下测量物体质量问题。

Description

利用铁磁液滴在梯度磁场内传感特性的太空质量测量装置

技术领域

该发明涉及一种太空质量测量装置，尤其是主要用于测量在太空微重力环境下物体的质量的设备，具体涉及利用铁磁液滴在梯度磁场内传感特性的太空质量测量装置。

背景技术

随着空间技术的发展，人类对于太空的探索也越来越深入。在空间开展实验，质量是的一个重要测量项目。而通常情况下，地球上如果要测得一个物体的质量运用的基本都是重力法，比如弹簧秤等。但在太空失重或者外星球重力加速度分布不均的环境下，这些方法就会失效，所以寻求一种能在太空环境下测量物体质量的方法变得十分重要。

为了测得太空中物体的质量，必须找到一种可以在太空中实施的物理方法，其中包含质量这个参数。离心运动这个经典的运动现象包含了质量参数。做匀速圆周运动的物体，在合外力突然消失或者合外力不足以提供所需的向心力时，将做逐渐远离圆心的运动，此种运动叫“离心运动”。当半径不变时物体作圆周运动所需的向心力与角速度的平方（或线速度的平方）成正比，公式为向心力=物体的质量×线速度的平方/半径（或物体的质量×角速度的平方×半径）。

而铁磁液滴是一种超顺磁性的纳米颗粒在表面活性剂的包覆下稳定地悬浮在载液中的稳定悬浮体，具有超顺磁性和流体的特性，可塑性强，可以成型在任何形状的容器中。其在梯度磁场不同位置受到的磁力不同，当被测物与铁磁液滴成为一个整体，刚性连接并做匀速圆周运动时，被测物的离心力与某一位置的磁力抵消达到平衡，铁磁液滴静止在梯度磁场的某处。当圆周运动的角速度不变，则被测物体的质量与铁磁液滴在梯度磁场中的位置有一函数关系，通过测量此位置即可得到被测物体的质量。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种利用铁磁液滴在梯度磁场内的传感特性而制成的加速度式太空测重装置。

根据本发明的一个方面，提供一种利用铁磁液滴在梯度磁场内传感特性的太空质量测量装置，包括上旋转轴和下旋转轴、线圈外壳、激励保持线圈、第一检测线圈与第二检测线圈、线圈支撑套筒、套筒端盖、铁磁液滴模块、测重盒、基座、限位盖板，其中：上旋转轴连接于线圈外壳的上侧，下旋转轴连接于线圈外壳的下侧，上旋转轴和下旋转轴同轴设置且均位于激励保持线圈、第一检测线圈、以及第二检测线圈的外部，上旋转轴和下旋转轴的延长线均位于第一检测线圈与第二检测线圈的交界处且位于线圈外壳的轴向中心线上，第一检测线圈与第二检测线圈为位置传感器，用于检测铁磁液滴模块的位置，下旋转轴连接一个轴承，轴承安装在基座上，限位盖板安装在上旋转轴上，调节限位盖板上下位置用以限制整个系统沿旋转轴轴向方向的位移，线圈外壳为一个套筒，包裹整个激励保持线圈、第一检测线圈、以及第二检测线圈，并与上旋转轴和下旋转轴及线圈支撑套筒形成一个整体，激励保持线圈绕制在线圈支撑套筒上，均匀绕满整个线圈支撑套筒，激励保持线圈用于通入带有直流偏置的正弦励磁信号，第一检测线圈绕制在激励保持线圈的左半部分上，第二检测线圈绕制在激励保持线圈的右半部分上，线圈支撑套筒左端和右端各安装有一个套筒端盖，两个套筒端盖上各开一个小孔，小孔位于线圈支撑套筒的轴向中心线位置，铁磁液滴模块通过两个所述小孔安装于套筒端盖，测重盒连接铁磁液滴模块的一端。

优选地，所述线圈外壳与支撑套筒之间通过螺钉相连以保证整个系统的稳固性。

优选地，所述限位盖板安装在上旋转轴上，调节限位盖板上下位置用以限制整个系统沿旋转轴轴向方向的位移，并且可以防止倾覆，保证系统在太空环境下的运行稳定性。

优选地，所述铁磁液滴模块包括中心球、左端长杆、右端长杆，中心球位于线圈支撑套筒内，左端长杆从中心球开始穿过位于线圈支撑套筒左端的套筒端盖上小孔延伸至线圈支撑套筒的外部，右端长杆从中心球开始穿过位于线圈支撑套筒右端的套筒端盖上小孔延伸至线圈支撑套筒的外部，测重盒与左端长杆或右端长杆位于线圈支撑套筒外部的一端刚性相连，左端长杆与右端长杆关于上旋转轴延长线轴对称。

优选地，所述中心球为塑料球或玻璃球。

优选地，所述中心球内均匀充满铁磁液体。

优选地，测重盒与左端长杆或右端长杆可拆卸连接。

优选地，还包括电动机，其中，上旋转轴连接电动机以产生旋转运动。

本发明工作时，系统放置安装在基座上，下端旋转轴与轴承配合，调节限位盖板，保证整个系统沿旋转轴轴向方向不可移动。被测物体放入测重盒中。当液滴在螺线管中心位置时，励磁信号耦合到两个检测线圈的电动势经差动连接相减后理论上为零。液滴在中心点是一种稳定平衡，当有外力导致液滴偏离中心位置时，磁力总是力图使它恢复到中心。如有外力作用导致液滴偏离中心位置时，检测线圈就会产生差动电动势。当测量开始时，上端旋转轴被电机带动匀速平稳旋转，由于做圆周运动的物体均受到离心力作用，而由于铁磁液滴模块测重端有被测物体，测重端质量比另一端大，由公式离心力=物体的质量×线速度的平方/半径（或物体的质量×角速度的平方×半径），可知铁磁液滴模块将会向测重端产生一定位移。由于激励保持线圈的梯度磁场的作用，在给定均匀速度下，铁磁液滴模块在某一位置所受到的离心力矢量和与所受到的磁场力抵消，达到平衡并静止在那一位置。检测线圈及激励保持线圈后置的测试电路把电动势的变化转换为电量从而检测出铁磁液滴所处的位置，通过原先的数据标定，测出被测物体的质量。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为整个装置的结构简图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，在本实施例中，根据本发明提供的所述太空质量测量装置包括：上旋转轴1和下旋转轴11、线圈外壳2、激励保持线圈3、第一检测线圈4与第二检测线圈5、线圈支撑套筒6、套筒端盖7、铁磁液滴模块8、测重盒9、基座10、限位盖板12。其连接关系为：上旋转轴1位于下旋转轴11的上方，上旋转轴1和下旋转轴11处于同一中心线上，分别与线圈外壳2上下两侧相连，但不贯通线圈，上旋转轴1和下旋转轴11的延长线均位于第一检测线圈4与第二检测线圈5的交界处，即平分线圈外壳2的轴向距离，且位于线圈外壳2的轴向中心线上，下旋转轴11连接一个轴承，轴承安装在基座10上，限位盖板12安装在上旋转轴上1，调节限位盖板12上下位置用以限制整个系统沿旋转轴轴向方向的位移，上旋转轴1连接电动机以产生旋转运动，线圈外壳2为一个套筒，包裹整个线圈（包括激励保持线圈3、第一检测线圈4、第二检测线圈5），并与上旋转轴1和下旋转轴11及线圈支撑套筒6形成一个整体，激励保持线圈3绕制在线圈支撑套筒6上，均匀绕满整个线圈支撑套筒6，第一检测线圈4与第二检测线圈5绕制在激励保持线圈3之上，关系为绕制在线圈支撑套筒6的左半部分的为第一检测线圈4，绕制在线圈支撑套筒6的右半部分的为第二检测线圈5，第一检测线圈4和第二检测线圈5与线圈支撑套筒6轴对称，线圈支撑套筒6左右两端各安装有一个套筒端盖7，套筒端盖7上各开一个小孔，小孔位于线圈支撑套筒6的轴向中心线位置，用以放置铁磁液滴模块8，铁磁液滴模块8的塑料球或玻璃球和两端长杆的一部分在线圈支撑套筒6内，两端长杆的另一部分在线圈支撑套筒6外，长杆两端分别通过线圈支撑套筒6两端的小孔伸出套筒外，测重盒9与右端长杆刚性相连。

所述线圈外壳2为一套筒，与支撑套筒6之间通过螺钉相连以保证整个系统的稳固性。

所述限位盖板12安装在上旋转轴1上，调节限位盖板12上下位置用以限制整个系统沿旋转轴轴向方向的位移，并且可以防止倾覆，保证系统在太空环境下的运行稳定性。

所述第一检测线圈4与第二检测线圈5为位置传感器，分为位于线圈支撑套筒6的左右两侧，用于检测铁磁液滴模块8的位置，通过标定后的数据对应着被测物体的实际质量。

所述的激励保持线圈3通入带有直流偏置的正弦励磁信号，直流偏置使得螺线管内部产生梯度磁场，磁液滴模块产生的磁力抵消铁所受的离心力，在某一位置达到平衡。

所述铁磁液滴模块8为中间有一塑料球或玻璃球，两端各带有一对称长杆的长杆型模块，其中中间塑料球或玻璃球内均匀充满铁磁液体。

所述测重盒9为盛放被测物体的容器，可在物体大小改变时更换对应大小的测重盒。

所述基座10为整个系统的支撑结构。

本发明工作时，系统放置安装在基座10上，下旋转轴11与轴承配合，调节限位盖板12，保证整个系统沿旋转轴轴向方向不可移动。被测物体放入测重盒9中。当液滴在螺线管中心位置时，励磁信号耦合到第一检测线圈4与第二检测线圈5的电动势经差动连接相减后理论上为零。液滴在中心点是一种稳定平衡，当有外力导致液滴偏离中心位置时，磁力总是力图使它恢复到中心。如有外力作用导致液滴偏离中心位置时，第一检测线圈4与第二检测线圈5就会产生差动电动势。当测量开始时，上旋转轴1被电机带动匀速平稳旋转，由于做圆周运动的物体均受到离心力作用，而由于铁磁液滴模块8测重端有被测物体，测重端质量比另一端大，由公式离心力=物体的质量×线速度的平方/半径（或物体的质量×角速度的平方×半径），可知铁磁液滴模块8将会向测重端产生一定位移。由于激励保持线圈3的梯度磁场的作用，在给定均匀速度下，铁磁液滴模块8在某一位置所受到的离心力矢量和与所受到的磁场力抵消，达到平衡并静止在那一位置。第一检测线圈4与第二检测线圈5及激励保持线圈3后置的测试电路把电动势的变化转换为电量从而检测出铁磁液滴所处的位置，通过原先的数据标定，测出被测物体的质量。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种利用铁磁液滴在梯度磁场内传感特性的太空质量测量装置，其特征在于，包括上旋转轴(1)和下旋转轴(11)、线圈外壳(2)、激励保持线圈(3)、第一检测线圈(4)与第二检测线圈(5)、线圈支撑套筒(6)、套筒端盖(7)、铁磁液滴模块(8)、测重盒(9)、基座(10)、限位盖板(12)，其中：上旋转轴(1)连接于线圈外壳(2)的上侧，下旋转轴(11)连接于线圈外壳(2)的下侧，上旋转轴(1)和下旋转轴(11)同轴设置且均位于激励保持线圈(3)、第一检测线圈(4)、以及第二检测线圈(5)的外部，上旋转轴(1)和下旋转轴(11)的延长线均位于第一检测线圈(4)与第二检测线圈(5)的交界处且位于线圈外壳(2)的轴向中心线上，第一检测线圈(4)与第二检测线圈(5)为位置传感器，用于检测铁磁液滴模块(8)的位置，下旋转轴(11)连接一个轴承，轴承安装在基座(10)上，限位盖板(12)安装在上旋转轴(1)上，调节限位盖板(12)上下位置用以限制整个系统沿旋转轴轴向方向的位移，线圈外壳(2)为一个套筒，包裹整个激励保持线圈(3)、第一检测线圈(4)、以及第二检测线圈(5)，并与上旋转轴(1)和下旋转轴(11)及线圈支撑套筒(6)形成一个整体，激励保持线圈(3)绕制在线圈支撑套筒(6)上，均匀绕满整个线圈支撑套筒(6)，激励保持线圈(3)用于通入带有直流偏置的正弦励磁信号，第一检测线圈(4)绕制在激励保持线圈(3)的左半部分上，第二检测线圈(5)绕制在激励保持线圈(3)的右半部分上，线圈支撑套筒(6)左端和右端各安装有一个套筒端盖(7)，两个套筒端盖(7)上各开一个小孔，小孔位于线圈支撑套筒(6)的轴向中心线位置，铁磁液滴模块(8)通过两个所述小孔安装于套筒端盖(7)，测重盒(9)连接铁磁液滴模块(8)的一端；

所述系统为，由上旋转轴(1)、下旋转轴(11)、线圈外壳(2)、激励保持线圈(3)、第一检测线圈(4)、第二检测线圈(5)、线圈支撑套筒(6)、套筒端盖(7)、铁磁液滴模块(8)、测重盒(9)构成的系统。

2.根据权利要求1所述的利用铁磁液滴在梯度磁场内传感特性的太空质量测量装置，其特征在于，所述线圈外壳(2)与支撑套筒(6)之间通过螺钉相连以保证整个系统的稳固性。

3.根据权利要求1所述的利用铁磁液滴在梯度磁场内传感特性的太空质量测量装置，其特征在于，所述铁磁液滴模块(8)包括中心球、左端长杆、右端长杆，中心球位于线圈支撑套筒(6)内，左端长杆从中心球开始穿过位于线圈支撑套筒(6)左端的套筒端盖(7)上小孔延伸至线圈支撑套筒(6)的外部，右端长杆从中心球开始穿过位于线圈支撑套筒(6)右端的套筒端盖(7)上小孔延伸至线圈支撑套筒(6)的外部，测重盒(9)与左端长杆或右端长杆位于线圈支撑套筒(6)外部的一端刚性相连，左端长杆与右端长杆关于上旋转轴(1)延长线轴对称。

4.根据权利要求3所述的利用铁磁液滴在梯度磁场内传感特性的太空质量测量装置，其特征在于，所述中心球为塑料球或玻璃球。

5.根据权利要求3所述的利用铁磁液滴在梯度磁场内传感特性的太空质量测量装置，其特征在于，所述中心球内均匀充满铁磁液体。

6.根据权利要求3所述的利用铁磁液滴在梯度磁场内传感特性的太空质量测量装置，其特征在于，测重盒(9)与左端长杆或右端长杆可拆卸连接。

7.根据权利要求1所述的利用铁磁液滴在梯度磁场内传感特性的太空质量测量装置，其特征在于，还包括电动机，其中，上旋转轴(1)连接电动机以产生旋转运动。

8.根据权利要求1所述的利用铁磁液滴在梯度磁场内传感特性的太空质量测量装置，其特征在于，通过限位盖板(12)保证整个系统在沿旋转轴轴向无位移，并且不易倾覆。