CN103675342A - 新型量程可调式磁性液体加速度传感器 - Google Patents

Abstract

新型量程可调式磁性液体加速度传感器，属于惯性传感器技术领域。现有磁性液体加速度传感器量程较短、体积较大，长期使用还存在永磁体退磁导致回复力变小使得传感器精度降低的问题。该传感器由气箱、通气管道、阀门、压力表、端盖、外壳、电感线圈、圆柱形永磁体、橡胶密封圈、螺栓螺母连接组件、空气、磁性液体和信号电路组成；圆柱形永磁体和磁性液体组成惯性质量。磁性液体将永磁体悬浮在外壳内腔中的同时，能够密封住外壳内腔中两端空腔部分的空气。惯性质量沿轴向位移时，压缩一端空腔的空气，产生回复力。通过调节外壳内腔中左右两端空腔的气压，改变回复力的大小，可以调节传感器的量程大小。该传感器量程可调、体积更小、寿命长。

Description

新型量程可调式磁性液体加速度传感器

技术领域

本发明涉及惯性传感器技术领域，具体地说，本发明涉及一种新型量程可调式磁性液体加速度传感器。

背景技术

磁性液体是由纳米级的磁性固体颗粒均匀分散到基载液中而形成的一种新型功能材料。磁性液体加速度传感器是利用磁性液体能够将密度比自身大的永磁体或者非磁性材料悬浮起来的特性而研制而成的。相比传统加速度传感器，磁性液体加速度传感器具有灵敏度高、耐冲击、能耗低、低频响应好等优点。现有磁性液体加速度传感器结构如专利US2007/0214889A1量程较短、体积较大，长期使用还存在永磁体退磁导致回复力变小使得传感器精度降低的问题。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，现有磁性液体加速度传感器量程较短、体积较大，长期使用还存在永磁体退磁导致回复力变小使得传感器精度降低的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

新型量程可调式磁性液体加速度传感器，构成该传感器的各部分之间的连接：

外壳的外圆周两个凹槽内分别缠有电感线圈一和电感线圈二，电感线圈一与电感线圈二完全相同，两个线圈的连接采用差动式连接，两个线圈接入信号处理电路中。

将圆柱形永磁体两端吸附上磁性液体，放入外壳的内腔中，此时通过测量电感线圈一和电感线圈二的差值来使得圆柱形永磁体处于传感器轴线方向的中心位置，当电感线圈一和电感线圈二的差值为零时，即可保证圆柱形永磁体处于传感器轴线方向的中心位置。

被吸附的磁性液体在磁场的作用下将圆柱形永磁体悬浮起来。

圆柱形永磁体与吸附在其轴向两端的磁性液体组成惯性质量。

第一橡胶密封圈嵌入左端盖的环形凹槽中，第二橡胶密封圈嵌入右端盖的环形凹槽中。

外壳轴向两端为法兰盘结构，用螺栓螺母连接组件将外壳与左端盖及外壳与右端盖连接固定。

气箱一与左端盖用通气管道一相连，通气管道一上装有阀门一和压力表一。

气箱二与右端盖用通气管道二相连，通气管道二上装有阀门二和压力表二。

外壳内部的腔室除了圆柱形永磁体和磁性液体外，剩余的空间均为空气。

所述的气箱一和气箱二中充入空气，且压力大于外壳内腔左右两端空腔的气压1～3个大气压。

所述的左端盖和右端盖均开有通孔，用于连通外壳内腔与气箱之间的空气。

该传感器的工作原理：

由于圆柱形永磁体产生的磁场在轴线上具有梯度，当磁性液体两端受到压差作用时，磁性液体会受到磁力作用，其方向为磁场弱的地方指向磁场强的地方，而圆柱形永磁体在轴线上的磁场分布为轴线两端最强，越靠近几何中心磁场越弱，因此磁性液体将圆柱形永磁体悬浮在外壳内腔中的同时，磁性液体能够密封住外壳内腔中圆柱形永磁体左端空腔的空气及圆柱形永磁体右端空腔的空气，并使得两端空腔的空气完全隔开。

当传感器不工作时，即外界无加速度时，左端空腔的空气与右端空腔的空气的气压完全相等，因此对惯性质量的合力为零。

工作时阀门一和阀门二关闭。

当外界产生加速度时，惯性质量沿轴向移动，产生轴向位移，并压缩一端空腔的空气，使得外壳内腔左右两端空腔气压不相等，产生回复力。

加速度不同造成惯性质量轴向位移大小不同。

在传感器不工作时，通过打开阀门一和阀门二，可以改变外壳内腔中左右两端空腔的气压，从而改变回复力的大小，也就调节了传感器的量程大小；当压力表的示数较小时，表示空腔的气压较小，则回复力较小，因此相同加速度下惯性质量的位移较大，然而电感线圈的长度有限，当惯性质量的轴向位置超出电感线圈的轴向位置时，就超出了传感器的测量范围，所以惯性质量的位移较大时，传感器所能测得的最大加速度较小，即传感器的量程较小；同理，当压力表的示数较大时，表示空腔的气压较大，则回复力较大，则传感器的量程较大；运用上述原理即可调整传感器的量程。

在传感器工作前，必须保证压力表一和压力表二的数值相等，若压力表一和压力表二的数值不相等，则打开靠近数值较小的压力表一侧的阀门，调整靠近数值较小的压力表一端的空腔压力，使得压力表一和压力表二的数值相等，关闭阀门。

圆柱形永磁体的轴向位移使得外壳凹槽内两个线圈的电感发生变化，即将位移信号转换为电信号输入到电路中，电信号在经过信号处理电路处理后输出相应的电压信号。

所述外壳、端盖、螺栓及螺母均为非导磁材料。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：

量程可调，体积更小、寿命长。

长时间使用后若腔室内的气压发生变化使得压力表的数值改变，仍可通过阀门调节腔室内的气压大小，使得回复力大小与初始工作时一样，保证传感器的精度，避免了长期使用存在永磁体退磁导致回复力变小使得传感器精度降低的问题。

附图说明

图1磁性液体加速度传感器结构图。

图2左端盖左视图。

图3信号处理电路。

图中：气箱一1、阀门一2、压力表一3、左端盖4、外壳5、电感线圈一6、电感线圈二7、圆柱形永磁体8、第二橡胶密封圈9、右端盖10、压力表二11、气箱二12、阀门二13、通气管道二14、螺栓螺母连接组件15、右端空腔16、磁性液体17、左端空腔18、第一橡胶密封圈19、通气管道一20。

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：

一种磁性液体加速度传感器，如图1，气箱一1、阀门一2、压力表一3、左端盖4、外壳5、电感线圈一6、电感线圈二7、圆柱形永磁体8、第二橡胶密封圈9、右端盖10、压力表二11、气箱二12、阀门二13、通气管道二14、螺栓螺母连接组件15、右端空腔16、磁性液体17、左端空腔18、第一橡胶密封圈19、通气管道一20。

构成该传感器的各部分之间的连接：外壳5的外圆周两个凹槽内分别缠有电感线圈一6和电感线圈二7，电感线圈一6与电感线圈二7完全相同，两个线圈的连接采用差动式连接，两个线圈接入信号处理电路中。

将圆柱形永磁体8两端吸附上磁性液体17，放入外壳5的内腔中，外壳5此时通过测量电感线圈一6和电感线圈二7的差值来使得圆柱形永磁体处于传感器轴线方向的中心位置，当电感线圈一6和电感线圈二7的差值为零时，即可保证圆柱形永磁体8处于传感器轴线方向的中心位置。

被吸附的磁性液体17在磁场的作用下将圆柱形永磁体8悬浮起来。

圆柱形永磁体8与吸附在其轴向两端的磁性液体17组成惯性质量。

第一橡胶密封圈19嵌入左端盖4的环形凹槽中，第二橡胶密封圈9嵌入右端盖10的环形凹槽中。

外壳5轴向两端为法兰盘结构，用螺栓螺母连接组件15将外壳5与左端盖4及外壳5与右端盖10连接固定。

气箱一1与左端盖4用通气管道一20相连，通气管道一20上装有阀门一2和压力表一3。

气箱二12与右端盖10用通气管道二14相连，通气管道二14上装有阀门二13和压力表二11。

外壳5内部的腔室除了圆柱形永磁体8和磁性液体17外，剩余的空间均为空气。

所述的气箱一1和气箱二12中充入空气，且压力大于外壳内腔左端空腔18及右端空腔16的气压1～3个大气压，取其端值或中间值均可。

所述的左端盖4和右端盖10均开有通孔，用于连通外壳5内腔与气箱之间的空气。

该传感器的工作原理：

由于圆柱形永磁体8产生的磁场在轴线上具有梯度，当磁性液体17两端受到压差作用时，磁性液体17会受到磁力作用，其方向为磁场弱的地方指向磁场强的地方。而圆柱形永磁体8在轴线上的磁场分布为轴线两端最强，越靠近几何中心磁场越弱，因此磁性液体17将圆柱形永磁体8悬浮在外壳5内腔中的同时，磁性液体17能够密封住外壳5内腔中圆柱形永磁体8左端空腔18的空气及圆柱形永磁体5右端空腔16的空气，并使得两端空腔的空气完全隔开。

当传感器不工作时，即外界无加速度时，左端空腔18的空气与右端空腔16的空气的气压完全相等，因此对惯性质量的合力为零。

工作时阀门一2和阀门二13关闭。

当外界产生加速度时，惯性质量沿轴向移动，产生轴向位移，并压缩一端空腔的空气，使得左端空腔18的空气与右端空腔16的空气的气压不相等，产生回复力。

加速度不同造成惯性质量轴向位移大小不同。

在传感器不工作时，通过打开阀门一2和阀门二13，可以改变外壳8内腔中左右两端空腔的气压，从而改变回复力的大小，也就调节了传感器的量程大小；当压力表的示数较小时，表示空腔的气压较小，则回复力较小，因此相同加速度下惯性质量的位移较大，然而电感线圈的长度有限，当惯性质量的轴向位置超出电感线圈的轴向位置时，就超出了传感器的测量范围，所以惯性质量的位移较大时，传感器所能测得的最大加速度较小，即传感器的量程较小；同理，当压力表的示数较大时，表示空腔的气压较大，则回复力较大，则传感器的量程较大；运用上述原理即可调整传感器的量程。

在传感器工作前，必须保证压力表一3和压力表二11的数值相等，若压力表一3和压力表二11的数值不相等，则打开靠近数值较小的压力表一侧的阀门，调整靠近数值较小的压力表一端的空腔压力，使得压力表一3和压力表二11的数值相等，关闭阀门。

圆柱形永磁体8的轴向位移使得外壳5凹槽内两个线圈的电感发生变化，即将位移信号转换为电信号输入到电路中，电信号在经过信号处理电路处理后输出相应的电压信号。

所述的外壳2的的内径与圆柱形永磁体5的外径差值取0.2mm～0.7mm，取其端值或中间值均可，以保证磁性液体17能够密封住外壳2内腔中左端空腔18的空气及右端空腔16的空气。

所述外壳、端盖、螺栓及螺母均为非导磁材料如奥氏体不锈钢。

传感器的信号处理电路如图3所示，将惯性质量的位移变化转化为输出电压的变化。

所述磁性液体7、8通常可选为煤油基磁性液体，机油基磁性液体或酯基磁性液体。

Claims (1)

1.新型量程可调式磁性液体加速度传感器，构成该传感器的各部分之间的连接：

外壳（5）的外圆周两个凹槽内分别缠有电感线圈一（6）和电感线圈二（7），电感线圈一（6）与电感线圈二（7）完全相同，两个线圈的连接采用差动式连接，两个线圈接入信号处理电路中；

将圆柱形永磁体（8）两端吸附上磁性液体（17），放入外壳（5）的内腔中，此时通过测量电感线圈一（6）和电感线圈二（7）的差值来使得圆柱形永磁体处于传感器轴线方向的中心位置，当电感线圈一（6）和电感线圈二（7）的差值为零时，即可保证圆柱形永磁体（8）处于传感器轴线方向的中心位置；

被吸附的磁性液体（17）在磁场的作用下将圆柱形永磁体（8）悬浮起来；

圆柱形永磁体（8）与吸附在其轴向两端的磁性液体（17）组成惯性质量；

第一橡胶密封圈（19）嵌入左端盖（4）的环形凹槽中，第二橡胶密封圈（9）嵌入右端盖（10）的环形凹槽中；

外壳（5）轴向两端为法兰盘结构，用螺栓螺母连接组件（15）将外壳（5）与左端盖（4）及外壳（5）与右端盖（10）连接固定；

外壳（5）内部的腔室除了圆柱永磁体（8）和磁性液体（17）外，剩余的空间均为空气；

其特征在于：

气箱一（1）与左端盖（4）用通气管道一（20）相连，通气管道一（20）上装有阀门一（2）和压力表一（3）；

气箱二（12）与右端盖（10）用通气管道二（14）相连，通气管道二（14）上装有阀门二（13）和压力表二（11）；

所述的气箱一（1）和气箱二（12）中充入气体压力大于外壳内腔左端空腔（18）及右端空腔（16）的气压1～3个大气压，取其端值或中间值均可；

所述的外壳（2）的的内径与圆柱形永磁体（5）的外径差值取0.2mm～0.7mm，取其端值或中间值均可，以保证磁性液体（10）磁场的作用下能够密封住外壳（2）内腔中左右两端空腔部分的空气；

当外界产生加速度时，惯性质量沿轴向移动，产生轴向位移，并压缩一端空腔的空气，使得左端空腔（18）的空气与右端空腔（16）的空气的气压不相等，产生回复力。

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