CN103542975A - 一种灵敏度高的磁性液体微压差传感器 - Google Patents

Abstract

一种灵敏度高的磁性液体微压差传感器，适用于微压测量领域。该装置包括：上臂线圈（1-1）、下臂线圈（1-2）、圆柱形复合磁芯（2）、磁性液体（3）、U型有机玻璃管（4）、橡胶塞（5）、压力表（6）、第一定值电阻（R1）、第二定值电阻（R2）、交流电源（U）和电压表（V）。漆包铜线均匀、等匝数、以正接方式缠绕在U型有机玻璃管一侧的上部和下部，与等值定值电阻（R1）、（R2）串联后，并联在交流电源两端。注入磁性液体后将圆柱形复合磁芯放入U型管缠绕线圈一侧的管内，塞入橡胶塞，U型管缠绕线圈一侧开口端与压力源P和压力表连接。圆柱形复合磁芯在线圈内移动时，不用放大电路就能观察到明显的电压值，降低功耗的同时使传感器小型化。

Description

一种灵敏度高的磁性液体微压差传感器

技术领域

本发明属于磁性液体微压差传感器，特别适用于微压差测量领域。

背景技术

目前磁性液体微压差传感器在我国的研究尚处于实验阶段，原理如下：U型有机玻璃管内部装有磁性液体，两臂缠绕线圈并通入交流电，与外部电路电阻构成电桥电路，有压差作用时U型有机玻璃管两臂液面产生高度差Δh，进而线圈电感L发生变化，电桥平衡被破坏，通过外部电路测得的电压变化进而求得压差变化。

由于现有的磁性液体微压差传感器电感变化很小，所输出的电压信号需要进行多级放大才便于观察，由于放大电路也需要单独供电，这一方面增大了传感器的功耗，另一方面不利于磁性液体微压差传感器的小型化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：在微压测量领域，原有磁性液体微压差传感器灵敏度偏低的问题。

本发明解决其技术问题的技术方案：

一种灵敏度高的磁性液体微压差传感器，该装置包括：上臂线圈、下臂线圈、圆柱形复合磁芯、磁性液体、U型有机玻璃管、橡胶塞、压力表、第一定值电阻R1、第二定值电阻R2、交流电源U和电压表V。

高强度漆包铜线均匀、等匝数、以正接方式缠绕在U型有机玻璃管一侧的上部和下部，构成上臂线圈和下臂线圈，两线圈间距等于复合磁芯长度；向U型有机玻璃管内注入磁性液体后，将圆柱形复合磁芯放入U型有机玻璃管缠有线圈一侧的管内，上臂线圈和下臂线圈加载交流电，保证圆柱形复合磁芯的两端和线圈的同名端相对，此时在二阶浮力原理和磁场力的共同作用下圆柱形复合磁芯悬浮于磁性液体中，位于两线圈的间隙内。

然后将橡胶塞塞在U型有机玻璃管缠有线圈一侧的上开口内，U型有机玻璃管缠有线圈一侧开口端经三通与压力源P和压力表连接，上臂线圈、下臂线圈分别和等值的第一定值电阻R1、第二定值电阻R2串联后，并联在交流电源U的两端构成电桥电路。

当U型有机玻璃管两侧不存在压差时，圆柱形复合磁芯位于两线圈的间隙中间位置，电桥电路输出电压为零。当U型有机玻璃管缠有线圈的一侧存在微压作用时，圆柱形复合磁芯随着磁性液体在U型有机玻璃管中的流动而在U型有机玻璃管内移动。由于复合磁芯中铁磁性物质的磁导率远远大于磁性液体，两者相差约10⁵数量级，而通电线圈的电感随着其中介质磁导率的增大而增大，二者关系如下所示：

$L\left(x\right)=\frac{\mathrm{\ψ}}{1}={\mathrm{\πn}}^2[{\mathrm{\μ}}_0{r}^2(\sqrt{r^2+{(l-x)}^2}-r)+{\mathrm{\μ}}_m{r}_m^2(\sqrt{r_m^2+x^2}-r_m)]$

式中L（x）为线圈电感，ψ为线圈全磁通，I为线圈电流，n为单位长度线圈匝数，μ₀为磁性液体磁导率，μ_m为铁磁性物质磁导率，l为线圈长度，r为线圈半径，r_m为铁磁性物质半径，x为铁磁性物质进入线圈的深度。

因此，当复合磁芯进入任何一个线圈后，两线圈的电感都会产生明显的差值，因此电桥电路输出的电压值也就越大，这样就在后面的信号处理中省去了信号放大电路部分。

本发明的有益效果：

由于在U型有机玻璃管的磁性液体中加入了圆柱形复合磁芯，圆柱形复合磁芯在U型有机玻璃管中位置变化后，会造成上下两线圈电感产生明显差值，引起电桥电路无需信号放大电路就能够输出明显的电压信号，这样一方面减小了传感器的功耗，另一方面有利于磁性液体微压差传感器的小型化。

附图说明

图1一种灵敏度高的磁性液体微压差传感器示意图。

图中：高强度漆包铜线圈上臂线圈1-1和下臂线圈1-2、圆柱形复合磁芯2、磁性液体3、U型有机玻璃管4、橡胶塞5、压力表6。

图2圆柱形复合磁芯示意图。

图中：圆柱形复合磁芯外层橡胶磁铁2-1、圆柱形复合磁芯内层铁磁性物质2-2。

图3电桥电路示意图。

图中：第一定值电阻R1、第二定值电阻R2、交流电源U和电压表V。

具体实施方式

以附图为具体实施方式对本发明作进一步说明：

一种灵敏度高的磁性液体微压差传感器，该装置包括：上臂线圈1-1和下臂线圈1-2、圆柱形复合磁芯2、磁性液体3、U型有机玻璃管4、橡胶塞5、压力表6、第一定值电阻R1、第二定值电阻R2、交流电源U和电压表V。

高强度漆包铜线均匀、等匝数、以正接方式缠绕在U型有机玻璃管一侧的上部和下部，构成上臂线圈1-1和下臂线圈1-2，两线圈间距等于圆柱形复合磁芯2的长度，圆柱形复合磁芯如图2所示。向U型有机玻璃管4内注入磁性液体后，将圆柱形复合磁芯2放入U型有机玻璃管4缠有线圈一侧的管内，上臂线圈1-1和下臂线圈1-2加载交流电，保证圆柱形复合磁芯2的两端和线圈的同名端相对，橡胶塞5塞在U型有机玻璃管4缠绕线圈一侧的上开口内，U型有机玻璃管4左臂的侧开口端经三通与压力源P和压力表6连接，如图1所示。上臂线圈1-1和下臂线圈1-2分别和等值的第一定值电阻R1、第二定值电阻R2串联后，并联在交流电源U的两端，和两个滑动变阻器构成电桥电路，如图3所示。

所述的交流电源U频率为40kHz～80kHz，峰值为6V～8V。

高强度漆包铜线圈1-1和1-2的材料选用铜线，因为铜线的电阻率ρ_c较小，产生的热损耗少。

圆柱形复合磁芯2外层为橡胶磁铁，中心为铁磁性介质。

磁性液体3选用煤油基Fe₃O₄磁性液体，因为此磁性液体性能稳定，饱和磁化强度高，能够满足应用需要。

U型有机玻璃管4选用有机玻璃材质，因为有机玻璃具备热膨胀系数小、价格便宜、不导磁、防潮性好等特点，满足应用需求。

橡胶塞5为丁基橡胶，因为其对空气具有不渗透性，广泛应用于密封，能够满足传感器的应用需求。

压力表6选用数显压力表，量程0～1000Pa。

使用实例：

常温下取高强度漆包铜线圈1-1和1-2直径0.1mm，匝数均为500匝，所通电流为0.1A，电压8V，频率50KHz；圆柱形复合磁芯2外层为橡胶磁铁，中心为铁磁性介质，尺寸规格为Φ6mm*40mm，外层橡胶磁铁厚度2mm，中心铁磁性介质直径为2mm；磁性液体3为煤油基Fe₃O₄磁性液体，粘度为2.45Pa·s，饱和磁化强度为23.4emu/g；U型有机玻璃管4臂长250mm，内径10mm；橡胶塞5为丁基橡胶，能够保证密封即可。

将U型有机玻璃管在水平实验台上竖直放好后，如图3所示连接好电路。注入磁性液体并通入交流电使得圆柱形复合磁芯悬浮于线圈间隙的磁性液体中，如图1所示，当复合磁芯进入任何一个线圈后，两线圈的电感都会产生明显的差值，电桥电路输出的电压值明显增大。

Claims (1)

1.一种灵敏度高的磁性液体微压差传感器，该装置包括：上臂线圈（1-1）、下臂线圈（1-2）、圆柱形复合磁芯（2）、磁性液体（3）、U型有机玻璃管（4）、橡胶塞（5）、压力表（6）、第一定值电阻（R1）、第二定值电阻（R2）、交流电源（U）和电压表（V）；

高强度漆包铜线均匀、等匝数、以正接方式缠绕在U型有机玻璃管一侧的上部和下部，构成上臂线圈（1-1）和下臂线圈（1-2）；

向U型有机玻璃管（4）内注入磁性液体（3）；

将圆柱形复合磁芯（2）放入U型有机玻璃管（4）中缠有线圈一侧；

橡胶塞（5）塞在U型有机玻璃管（4）的左臂上开口内，U型有机玻璃管（4）缠有线圈一侧开口端经三通与压力源P和压力表（6）连接；

上臂线圈（1-1）和下臂线圈（1-2）分别和等值的第一定值电阻（R1）、第二定值电阻（R2）串联后，并联在交流电源（U）的两端，两线圈和两个等值定值电阻构成电桥电路；

其特征在于：

圆柱形复合磁芯（2）外层为橡胶磁铁，内层为铁磁性物质，悬浮于线圈间隙的磁性液体（3）中，复合磁芯与通电线圈同名端相对，用于提供回复力。

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