CN103308719A - 悬臂梁式磁流变脂大加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种悬臂梁式磁流变脂大加速度传感器设计装置。将一非磁性质量块放置于内部充满磁流变脂的非磁性容器内部，用悬臂梁将质量块固定于容器内。当容器存在加速度时，质量块在悬臂梁应力和磁流变脂的阻尼力的作用下将与容器产生相对位移。通过检测相对位移的变化可计算出容器的加速度。由于磁流变脂的阻尼系数随外磁场的变化而变化，从而通过调节外磁场使得加速度的测量范围变大。

Description

悬臂梁式磁流变脂大加速度传感器

技术领域

本发明属于加速度传感器的应用领域，具体涉及一种基于磁流变脂的悬臂梁式大加速度传感器。

背景技术

磁流变脂是由微米级铁磁性颗粒、基油、稠化剂、添加剂和填料组成的结构骨架的胶体分散体系。其流变性能在外磁场作用下发生明显、连续、可逆的快速变化。磁流变脂稠度高，阻尼系数较大。

加速度传感器是一种能够测量加速力的设备，广泛用于航空航天、武器系统、汽车、振动监控、碰撞测试等领域。通过测量加速度，可以获得运动物体的运动状态。从而可应用在控制、汽车制动启动检测、地震监测、地质勘探以及桥梁的振动测试与分析。现有的加速度传感器一般刚度较小，测量范围有限，使用中容易达到其量程的极限值。

发明内容

为了能够测量较大的加速度，本发明提出一种悬臂梁式磁流变脂加速度传感器。该装置主要分为加速度测试装置、信号转换电路两部分。

加速度测试装置由悬臂梁、非磁性质量块、检测电容、磁场线圈、磁流变脂、非磁性容器组成。磁流变脂充满非磁性容器，非磁性质量块被悬臂梁固定悬浮于磁流变脂中，悬臂梁上下两端固定在非磁性容器上。在非磁性质量块上设置动极板、在非磁性容器内设置定极板，二者构成检测电容。当非磁性容器运动时，非磁性质量块将与非磁性容器产生相对位移，从而检测电容将发生变化。磁场线圈用来为磁流变脂提供磁场，由于磁流变脂的阻尼系数随外磁场的变化而变化，通过调节磁场线圈中电流大小使得磁流变脂的阻尼系数在合适的范围内，从而当非磁性容器以大加速度运动时，非磁性质量块与非磁性容器相对位移变化在装置允许范围内。

信号转换电路由检测电容、电流源、开关、运算放大器和DSP构成组成。用一基准电压给检测电容充电至电容两端电压等于基准电压；然后检测电容在电流源的作用下放电，DSP的内部计数器同时开始工作。当电流源对电容放电至电容两端电压为零时，比较器翻转，计数器结束计数。从而可得检测电容大小，进而可得到相对位移随时间的变化，从而可得非磁性容器的加速度的大小。

本发明结构简单，不但可以有效地检测加速度的大小，而且可以实现大加速度测量。

本发明所采用的技术方案如下：

一种磁流变脂加速度传感器，该传感器包括加速度测试装置、信号转换电路两部分。

所述加速度测试装置由悬臂梁、非磁性质量块、检测电容、磁场线圈、磁流变脂、非磁性容器组成。磁流变脂充满非磁性容器，非磁性质量块被悬臂梁固定悬浮于磁流变脂中，悬臂梁上下两端固定在非磁性容器上。磁场线圈用来为磁流变脂提供磁场。在非磁性质量块上设置动极板、在非磁性容器内设置定极板，二者构成检测电容。当非磁性容器运动时，非磁性质量块将与非磁性容器产生相对位移，从而检测电容将发生变化。

所述信号转换电路由检测电容、电流源、开关、运算放大器和DSP构成组成。如图2所示，当K₁闭合时，基准电压给电容充电至电容两端电压等于基准电压；然后K₁断开，K₂闭合，电容在电流源的作用下放电，DSP的内部计数器同时开始工作。当电流源对电容放电至电容两端电压为零时，比较器翻转，计数器结束计数，计数值与电容放电时间成正比。从而可得检测电容大小，进而可得到相对位移随时间的变化，从而可得非磁性容器的加速度的大小。

根据上述测试装置，本发明进一步提出一种基于磁流变脂的大加速度检测方法，该方法包括以下步骤：

（1）设计基于悬臂梁式磁流变脂大加速度测试装置及信号转换电路。

（3）通过信号转换电路将检测电容变化转换为DSP计数值变化。

（4）通过DSP对数据进行处理和运算后可得到加速度的大小。

本发明的有益效果是：

（1）设计出悬臂梁式磁流变脂大加速度传感器。

（2）可以检测出大量程加速度。

（3）为磁流变脂在传感技术中的应用提供了一种新的方法。

附图说明:

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明加速度测试装置示意图；

图中1.非磁性容器，2.磁场线圈，3.悬臂梁，4.检测电容动极板，5.检测电容定极板，6.磁流变脂，7.非磁性质量块

图2是信号转换电路图；

图3是相对位移随时间变化曲线；

具体实施方式: 

参照图1，本发明所涉及的加速度测试装置由非磁性容器1、磁场线圈2、悬臂梁3、检测电容动极板4、检测电容定极板5、磁流变脂6、非磁性质量块7组成。磁流变脂6充满非磁性容器1，非磁性质量块7被悬臂梁3固定悬浮于磁流变脂6中，悬臂梁6上下两端固定在非磁性容器1上。在非磁性质量块7上设置检测电容动极板4、在非磁性容器1内设置检测电容定极板5，二者构成检测电容（初始状态时，检测电容动极4板处于检测电容定极板5中心位置）。当非磁性容器1运动时，非磁性质量块7将与非磁性容器1产生相对位移，从而检测电容将发生变化。磁场线圈2用来为磁流变脂6提供磁场。

参照图2，信号转换电路由电容C1、电容C2、恒流源I₀、基准电压Us、开关K₁、K₂、K₃ 、K₄运算放大器P和DSP构成。

参照图 3，相对位移随时间先增大，随后达到最大值并保持不变。

参照图1、2、3，加速度测量方案为：

当铝合金容器1沿水平方向运动时，将产生加速度a, 铝合金质量块7在悬臂梁应力、磁流变脂阻尼力、相互作用下将与铝合金容器1产生相对位移。设相对位移为y，调节磁场线圈2中电流大小，使得                                                

，则有：

（1）

其中，y(t)为相对位移，a为容器加速度，         ，c为磁流变脂阻尼系数，k为悬臂梁刚度，m为质量块质量。

当铝合金质量块7与铝合金容器1产生相对位移后，检测电容将发生变化，采用差动电容器方式，则有检测电容与相对位移关系为：

（2）

其中，C0为初始电容，y₀为初始电容极板长度。将（2）式代入（1）式可得加速度a的大小。

参照图2，检测电容测量方案为：

电流源Io精密恒流管，它与电容C1通过电子开关K串联构成闭合回路，电容C1的两端连接到电压比较器的输入端。当K₁闭合时，基准电压给电容充电至Uc=Us，然后K₁断开，K₂闭合，电容C1在电流源的作用下放电，DSP的内部计数器同时开始工作。当电流源对电容放电至Uc=0时，比较器翻转，计数器结束计数，计数值与电容放电时间成正比。

电容电压Uc与放电电流Io的关系为：

（3）

令Uc=0，则有：

（4）

式中，N为计数器的读数，Tc为计数脉冲的周期。

电容C2测量方法同上。通过DSP运算可得电容C1与C2的差值。该电路可实现微小电容的有效检测，从而可提高传感器的灵敏度。

对所测的数据进行经近似值计算和收敛计算校正后，可得加速度与电压的线性关系曲线。

参照图3，图中所示为加速度值为500g（g=10m/s²）时模拟的相对位移随时间变化曲线，从图中可知最大相对位移约为13厘米，从0时刻起经过0.05秒，相对位移达到最大值，此后相对位移保持不变。

Claims (4)

1.一种磁流变脂加速度传感器，该传感器包括加速度测试装置、信号转换电路两部分其特征为：

所述加速度测试装置由悬臂梁、非磁性质量块、检测电容、磁场线圈、磁流变脂、非磁性容器组成；磁流变脂充满非磁性容器，非磁性质量块被悬臂梁固定悬浮于磁流变脂中，悬臂梁上下两端固定在非磁性容器上；磁场线圈用来为磁流变脂提供磁场；在非磁性质量块上设置动极板、在非磁性容器内设置定极板，二者构成检测电容；当非磁性容器运动时，非磁性质量块将与非磁性容器产生相对位移，从而检测电容将发生变化；

所述信号转换电路由检测电容、电流源、开关、运算放大器和DSP构成组成；如图2所示，当K₁闭合时，基准电压给电容充电至电容两端电压等于基准电压；然后K₁断开，K₂闭合，电容在电流源的作用下放电，DSP的内部计数器同时开始工作；当电流源对电容放电至电容两端电压为零时，比较器翻转，计数器结束计数，计数值与电容放电时间成正比；从而可得检测电容大小，进而可得到相对位移随时间的变化，从而可得非磁性容器的加速度的大小。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征为：所述非磁性容器与非磁性质量块可以是铝板、钛合金或钨铜合金。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征为：所述非磁性容器与非磁性质量块可以是圆柱体或长方体。

4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征为：所述绝缘材料可以是云母、大理石、瓷器或玻璃。

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