CN104049108A - 基于磁流变弹性体的加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于磁流变弹性体的加速度传感器，所述不导磁的壳体与不导磁的基座构成具有内腔的封闭外壳，外壳的内腔中固定不导磁的导向柱，所述导向柱从下往上依次套有磁流变弹性体、不导磁的质量块和弹簧，磁流变弹性体的上、下端面分别粘接固定有上电极片、下电极片，上电极片和下电极片通过导线与壳体侧壁上设置的传感器信号接口相连，上电极片与质量块粘接，质量块可沿导向柱轴向运动，所述弹簧下端与质量块接触，上端与壳体的顶部接触，所述下电极片与基座之间设有绝缘垫片所述基座内设有用于设置永磁体的密封空腔，永磁体封装在该密封空腔内。本发明的加速度传感器的结构简单，测量精度高，测量范围广，且不受温度变化的影响。

Description

基于磁流变弹性体的加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体涉及一种基于磁流变弹性体的加速度传感器，属于磁流变材料及应用技术领域。

背景技术

加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，属于惯性式传感器，其将加速度所产生的压力转变为便于测量的电信号的测试仪器，是许多控制系统和检测系统的主要测量工具。目前已经广泛应用于工业自动控制、汽车、地震测量、军事和空间系统、医学及生物工程等领域中。加速度传感器可以分为压阻式加速度传感器、压电式加速度传感器、电容式加速度传感器和伺服式加速度传感器。

现有压阻加速度传感器是在其内腔的硅梁根部集成压阻桥，压阻桥的一端固定在传感器基座上，另一端挂悬着质量块。当传感器装在被测物体上随之运动时，传感器具有与被测件相同的加速度，质量块按牛顿定律产生力作用于硅梁上，形成应力，使电阻桥受应力作用而引起其电阻值变化，把输入与输出导线引出传感器，可得到相应的电压输出值，该电压输出值表征了物体的加速度。但是该压阻式加速度传感器的制作工艺难度大，压阻式加速度传感器使用范围一般要小于压电型传感器，压阻式加速度传感器的测量范围有限，使用中容易达到其量程的极限值。其频响范围窄，存在冲击极限和振动极限小等问题，产品只能用于低精度的粗糙测量，从而降低了压阻式加速度传感器的灵敏度，而且压阻式加速度传感器的硅梁易受温度的影响较大，需要进行温度补偿。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种便于加工的基于磁流变弹性体的加速度传感器，该加速度传感器的结构简单，测量精度高，测量范围广，且不受温度变化的影响。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于磁流变弹性体的加速度传感器，包括不导磁的壳体，其特征在于：所述壳体与一不导磁的基座固定连接构成具有内腔的封闭外壳，所述外壳的内腔中固定有一竖直的不导磁的导向柱，所述导向柱下端与基座固定连接，所述导向柱从下往上依次套有磁流变弹性体、不导磁的质量块和弹簧，所述磁流变弹性体的上、下端面分别粘接固定有上电极片、下电极片，所述上电极片和下电极片通过导线与壳体侧壁上设置的传感器信号接口相连，所述上电极片与质量块粘接，所述质量块与导向柱滑动配合，使质量块可沿导向柱轴向运动，所述弹簧下端与质量块接触，上端与壳体的顶部接触，所述下电极片与基座之间设有绝缘垫片，该绝缘垫片的上端与下电极片粘接，下端与基座粘接，所述基座内设有用于设置永磁体的密封空腔，一永磁体封装在该密封空腔内。

所述基座由基框，上盖板和下底板构成，上盖板和下底板分别固定在基框的上下两端，构成基座的密封空腔, 所述上盖板上焊接固定导向柱。

所述永磁体采用N52的NdFeB磁体。

所述壳体、基座、导向柱和质量块采用不锈钢或者硬质合金材料。

所述磁流变弹性体、不导磁的质量块、弹簧、上电极片、下电极片和绝缘垫片不与外壳的内腔接触。

所述传感器信号接口的输出端与信号处理模块的输入端相连，可以将变化的阻值信号转换为数值信号，便于直接读取信息。

本发明的有益效果：本发明的结构简单、加工简便，易操作，降低了成本，通过壳体与基座连接构成具有内腔的封闭外壳，外壳的内腔内设置导向柱，导向柱上套有磁流变弹性体、质量块和弹簧，磁流变弹性体的两端分别固定有上电极片、下电极片，所述上电极片和下电极片通过导线与外壳侧面设置的传感器信号接口相连；所述上电极片与质量块粘接，导向立柱与质量块滑动配合，导向立柱为质量块的运动提供导向，使质量块沿导向支柱轴向运动，弹簧位于壳体顶部和质量块之间，弹簧起缓冲质量块、保证质量块回位的作用。所述下电极片与基座之间粘接固定有绝缘垫片，使磁流变弹性体固定在基座上，且绝缘垫片避免了下电极片与基座直接接触，起到了绝缘的作用。基座内设有空腔，一永磁体封装在该空腔内，所述永磁体不仅能够为磁流变弹性体提供工作磁场，还可以通过永磁体将本发明的加速传感器吸附于被测装置的测量位置。当被测装置加速运动，质量块将会给磁流变弹性体施加一定的压力，磁流变弹性体在受到压力作用下，磁流变弹性体整体的阻值信号发生变化，磁流变弹性体的阻值信号通过上电极片和下电极片上连接的导线传递到传感器信号接口，变化的阻值信号即可用于表征被测装置的加速度信号。由于磁流变弹性体受压后其电阻值的变化比较明显，因此本发明的加速传感器测量精度高，且不易受温度变化的影响，有效地拓宽加速度传感器的应用范围。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地说明。

具体实施例1：

参见图1所示的基于磁流变弹性体的加速度传感器，包括不导磁的壳体1，不导磁的基座 2、不导磁的导向柱4、磁流变弹性体5、不导磁的质量块6、弹簧7、上电极片8、下电极片9、绝缘垫片10、传感器信号接口11和永磁体12，所述壳体1、基座 2、导向柱4和质量块6采用不锈钢或者硬质合金材料。所述壳体1与基座 2固定连接构成具有内腔3-1的封闭外壳3，所述壳体1的顶部设有导向柱定位槽，壳体1的侧壁设有两个导线孔，所述传感器信号接口11安装在与体壳1的两个导线孔对应的位置；所述基座2由基框2-1，上盖板2-2和下底板2-3 构成，上盖板2-2和下底板2-3分别固定在基框2-1的上下两端,构成基座2用于安放永磁体的密封空腔，永磁体12表面通过强力胶封装在基座2的密封空腔内，所述永磁体12采用N52的NdFeB磁体，该永磁体的磁性较强，为最佳材料，为磁流变弹性体5提供了工作磁场，还将本发明的传感器吸附于被测装置的测量位置，被测装置往往是导磁材料制成，利用永磁体的吸引力可以直接将加速度传感器吸附并固定在被测装置处。壳体1焊接固定在基座2的上盖板2-2上。

所述外壳3的内腔3-1中固定有一竖直的导向柱4，所述导向柱4一端焊接固定在基座2的上盖板2-2上，导向柱4另一端卡接在壳体1的导向柱定位槽内；所述导向柱4从下往上依次套有绝缘垫片10、下电极片9、磁流变弹性体5、上电极片8、质量块6和弹簧7，所述绝缘垫片10采用硬质塑料材料加工而成的绝缘垫圈，该硬质塑料为最佳材料，所述绝缘垫片10粘贴固定在基座2的上盖板2-2上，所述下电极片9与基座2上固定的绝缘垫片10粘接固定；所述磁流变弹性体5由橡胶基体、羰基铁粉、石墨颗粒组成，各组分的质量份为：橡胶基体为19%，羰基铁粉80%，石墨颗粒占1%，所述石墨颗粒为球形，粒径为10～30um，所述磁流变弹性体5在磁场为1.5T环境下制备的磁流变弹性体。磁流变弹性体5的上表面与上电极片8粘接，磁流变弹性体5的下表面与下电极片9粘接，磁流变弹性体5通过下电极片9粘接固定在基座2上；所述上电极片8、下电极片9中，其中一块为正极，另一块为负极，所述上电极片8和下电极片9通过导线与壳体1侧壁上设置的传感器信号接口11相连，所述传感器信号接口11采用m5型号的连接器；所述上电极片8与质量块6的上表面粘接固定，质量块6与导向柱4滑动配合，使质量块6沿导向柱4轴向运动；所述弹簧7下端抵在质量块6上，上端抵在壳体1的顶部，规范质量块6运动的作用；将绝缘垫片10、下电极片9、磁流变弹性体5、上电极片8、质量块6和弹簧7封装于封闭外壳3内，所述磁流变弹性体5、不导磁的质量块6、弹簧7、上电极片8、下电极片9和绝缘垫片10不与外壳3的内腔3-1接触。

所述传感器信号接口11的输出端与信号处理模块的输入端相连，信号处理模块与显示模块相连，通过信号处理模块将磁流变弹性体的电阻值变化转换为数值信号，通过显示模块显示的数值信号即被测装置的加速度变化。所述传感器信号接口11的输出端还可以与可编程的虚拟仪器或嵌入式系统或单片机对上述电压信号采集、数据处理和运算，从而得到加速度的大小。

本发明的工作原理：

磁流变弹性体5是由微米级别的软磁性材料均匀分散在高分子聚合物如硅橡胶中，在磁场作用下形成特定结构后固化制备而成。与磁流变液相比，磁流变弹性体5不但具有磁流变液所具备的诸多性能可控、可逆以及响应迅速、可通过调节外磁场的强弱来控制材料的力学性能的连续变化等特点，还具有稳定性好、制备成本低等独特特点。磁流变弹性体5作为一种新型的智能材料,具有在一定条件下性能可控的特点，磁流变弹性体5的电阻呈现明显的压力依赖性，在受轴向压力作用下,磁流变弹性体5电阻呈数量级递减,体现出明显的压阻特性行为，因此磁流变弹性体5具有灵敏度高和制备简单的特点，而且掺杂有石墨颗粒的磁流变弹性体5其导电性更高，在压力的作用下，磁流变弹性体5电阻值的变化更加明显；当随着压力的连续作用，阻值同样呈现了连续的变化趋势，随着压力的撤消阻值也迅速恢复至没有施加压力的状态，说明磁流变弹性体5具有良好的可逆性。基于磁流变弹性体5压阻特性的灵敏性以及一定范围内的良好线性关系,发明了本发明所述的压力传感器。

本发明的加速度传感器通过永磁体吸附于被测装置上，且为磁流变弹性体5提供工作磁场，在磁场作用下，可以提高磁流变弹性体的对外界应变的敏感性，从而提高加速度传感器的敏感性。当被测装置处于振动状态时，振动信号传递给本发明的加速度传感器，质量块在振动信号的激励下，将产生同步振动，通过基座2上的导向柱4限制了质量块6只沿轴线运动，质量块与弹簧的共同作用将垂直方向的振动转化为施加于磁流变弹性体上的压力，磁流变弹性体5在受到压力作用下，磁流变弹性体5内部的羰基铁粉、石墨颗粒之间的间距发生变化，表现为磁流变弹性体整体的阻值信号的变化，磁流变弹性体的阻值信号通过电极片和下电极片传递到传感器信号接口，变化的阻值信号即可用于表征被测装置的加速度信号。

具体实施例2：

本实施例的特点是：所述磁流变弹性体5由重量份为15%的橡胶基体为，重量份为68%的羰基铁粉，重量份为2%的石墨颗粒占组成，其他特点与具体实施例1相同。

具体实施例3：

本实施例的特点是：所述磁流变弹性体5由重量份为30%的橡胶基体，重量份为84%的羰基铁粉，重量份为1%的石墨颗粒组成，其他特点与具体实施例1相同。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，因此本发明的保护范围也包含这些改动和变型。

Claims (5)

1.一种基于磁流变弹性体的加速度传感器，包括不导磁的壳体（1），其特征在于：所述壳体（1）与一不导磁的基座 (2)固定连接构成具有内腔（3-1）的封闭外壳（3），所述外壳（3）的内腔（3-1）中固定有一竖直的不导磁的导向柱（4），所述导向柱（4）下端与基座（2）固定连接，所述导向柱（4）从下往上依次套有磁流变弹性体（5）、不导磁的质量块（6）和弹簧（7），所述磁流变弹性体（5）的上、下端面分别粘接固定有上电极片（8）、下电极片（9），所述上电极片（8）和下电极片（9）通过导线与壳体（1）侧壁上设置的传感器信号接口（11）相连，所述上电极片（8）与质量块（6）粘接，所述质量块（6）与导向柱（4）滑动配合，使质量块（6）可沿导向柱（4）轴向运动，所述弹簧（7）下端与质量块（6）接触，上端与壳体（1）的顶部接触，所述下电极片（9）与基座（2）之间设有绝缘垫片（10），该绝缘垫片（10）的上端与下电极片（9）粘接，下端与基座（2）粘接，所述基座（2）内设有用于设置永磁体的密封空腔，一永磁体（12）封装在该密封空腔内。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的加速度传感器，其特征在于：所述基座（2）由基框（2-1），上盖板（2-2）和下底板（2-3）构成，上盖板（2-2）和下底板（2-3）分别固定在基框（2-1）的上下两端，构成基座（2）的密封空腔, 所述上盖板（2-2）上焊接固定导向柱（4）。

3.根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的加速度传感器，其特征在于：所述永磁体（12）采用N52的NdFeB磁体。

4.根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的加速度传感器，其特征在于：所述壳体（1）、基座 (2)、导向柱（4）和质量块（6）采用不锈钢或者硬质合金材料。

5.根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的加速度传感器，其特征在于：所述磁流变弹性体（5）、不导磁的质量块（6）、弹簧（7）、上电极片（8）、下电极片（9）和绝缘垫片（10）不与外壳（3）的内腔（3-1）接触。