CN104296918B - 一种自确认式磁性液体微压差传感器 - Google Patents
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Abstract
一种自确认式磁性液体微压差传感器，适用于微压差测量。该装置包括：透明玻璃管(1)、第一圆柱形空心永久磁铁(2‑1)、第二圆柱形空心永久磁铁(2‑2)、第一感应线圈(3‑1)、第二感应线圈(3‑2)、第一磁性液体环(4‑1)、第二磁性液体环(4‑2)、第一圆柱形永久磁铁(5‑1)、第二圆柱形永久磁铁(5‑2)、铁芯(6)、第一限位器(7‑1)、第二限位器(7‑2)、红外线距离传感器(8)、减法器(9)。第一圆柱形永久磁铁(5‑1)、第二圆柱形永久磁铁(5‑2)、铁芯(6)共同构成复合磁芯，它在限位器所限定的范围内移动，通过红外线距离传感器(8)和减法器(9)的作用，实现了磁性液体微压差传感器对自身工作状态的实时评估，保证精确测量和安全生产。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，适用于微压差测量。
背景技术
目前，磁性液体微压差传感器的结构形式主要有两种，一种是U型管式磁性液体微压差传感器，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，这种类型的磁性液体微压差传感器输出信号较弱，体积较大；另外一种是铁芯式磁性液体微压差传感器，例如专利201410232410.9，201410232514.X，201410235030.0，201410232908.5中所提出的磁性液体微压差传感器，这种传感器灵敏度很高，在±2000Pa的压力范围内有很好的线性度，但是以上两类磁性液体微压差传感器并不能对传感器自身的工作状态进行评估，当微压差传感器发生故障时，并不能及时排除故障。
目前工业生产中的微压差传感器主要采用定期校准的方法，但是定期校准不仅会造成大量人力、物力的消耗，而且在两次校准期间，人们也不能确定微压差传感器是否正常工作，不能确定微压差传感器给出的测量值是否在校准时给出的测量准确度范围内，因此需要对微压差传感器的输出信号进行确认。
发明内容
本发明需要解决的技术问题：磁性液体微压差传感器不能对传感器自身的工作状态进行评估，当微压差传感器发生故障不能及时排除的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种自确认式磁性液体微压差传感器，该装置包括：透明玻璃管，第一圆柱形空心永久磁铁，第二圆柱形空心永久磁铁，第一感应线圈，第二感应线圈，第一磁性液体环，第二磁性液体环，第一圆柱形永久磁铁，第二圆柱形永久磁铁，铁芯，第一限位器，第二限位器，红外线距离传感器，减法器。
该装置各部分之间的装配：
将高强度漆包铜线均匀、对称、等匝数地缠绕到透明玻璃管的两端，分别构成第一感应线圈和第二感应线圈；将第一圆柱形空心永久磁铁和第一限位器依次放入透明玻璃管的一端；然后将第一圆柱形永久磁铁和第二圆柱形永久磁铁吸附在铁芯的两端，并在第一圆柱形永久磁铁和第二圆柱形永久磁铁的端部分别吸附上第一磁性液体环和第二磁性液体环，第一圆柱形永久磁铁、第二圆柱形永久磁铁、铁芯共同构成复合磁芯，第一磁性液体环和第二磁性液体环起到润滑和密封耐压的作用；之后将吸附有第一磁性液体环和第二磁性液体环的复合磁芯放入透明玻璃管中，再依次放入第二限位器和第二圆柱形空心永久磁铁。最后将红外线距离传感器的探头插入第二限位器和第二圆柱形空心永久磁铁中间的位置，将探头对准复合磁芯，用来探测复合磁芯与探头之间的距离，将探头与透明玻璃管壁面的连接处密封。装配过程中，应保证第一感应线圈和第二感应线圈关于透明玻璃管对称，透明玻璃管内部的各部件关于第一感应线圈和第二感应线圈对称，第一圆柱形空心永久磁铁和第二圆柱形空心永久磁铁用于给复合磁芯提供回复力，保证透明玻璃管两端压力相等时，复合磁芯位于第一感应线圈和第二感应线圈中间的平衡位置。
该自确认式磁性液体微压差传感器将透明玻璃管两端的压差变化ΔP通过力的平衡转换为复合磁芯的位移Δx，复合磁芯的位移通过线圈的作用转换为第一感应线圈和第二感应线圈的电感差ΔL，第一感应线圈和第二感应线圈的电感差通过电桥电路、差分电路、放大电路转换成输出电压ΔU1。
上述的转换过程中，ΔP与Δx之间为力的平衡关系，转换的可靠性高，因此默认此环节出现问题为小概率事件，是不可能发生的。而Δx与ΔU1之间的转换需要依靠线圈和电路的作用，线圈或者电路内部导线的老化、损坏或者电路内部的电阻、放大器的老化、损坏都可能造成输出信号失真。通过理论推导和相关的实验研究发现，复合磁芯的位移Δx与感应线圈的输出电压ΔU1之间存在如下线性关系：
ΔU1＝k·Δx (1)
该自确认式磁性液体微压差传感器中复合磁芯的位移Δx与红外线距离传感器的输出电压ΔU2之间存在如下线性关系：
ΔU2＝k·Δx (2)
初始状态复合磁芯位于第一感应线圈和第二感应线圈中间的平衡位置时，第一感应线圈和第二感应线圈的电感相同，则感应线圈的输出电压ΔU1为零，调整红外线距离传感器使其输出电压ΔU2为零。则由(1)、(2)两式能够得出，当复合磁芯发生位移时，感应线圈的输出电压ΔU1和红外线距离传感器的输出电压ΔU2同步变化。将ΔU1和ΔU2输入到减法器中，设减法器的输出电压为ΔU，当ΔU在一定范围内变化时，视为微压差传感器工作正常，当ΔU超过此范围时，视为微压差传感器工作异常，此时系统报警，应停止工作并对传感器进行检查。
本发明的有益效果：
本发明将感应线圈的输出信号ΔU1与红外线距离传感器的输出信号ΔU2输入减法器后得到输出电压ΔU，通过判断输出电压ΔU的数值范围，实现了磁性液体微压差传感器对自身工作状态的实时评估，使得磁性液体微压差传感器发生故障时能够及时排除，保证安全生产。
附图说明
图1一种自确认式磁性液体微压差传感器。
图中：透明玻璃管1，第一圆柱形空心永久磁铁2-1，第二圆柱形空心永久磁铁2-2，第一感应线圈3-1，第二感应线圈3-2，第一磁性液体环4-1，第二磁性液体环4-2，第一圆柱形永久磁铁5-1，第二圆柱形永久磁铁5-2，铁芯6，第一限位器7-1，第二限位器7-2，红外线距离传感器8。
图2减法器9
图中：ΔU1为感应线圈3-1和3-2的输出信号，ΔU2为红外线距离传感器8的输出信号，四个电阻均为分压电阻，满足R1＝R2＝R3＝Rf。ΔU为减法器9的输出信号。
具体实施方式
以附图1、2为具体实施方式对本发明作进一步说明：
一种自确认式磁性液体微压差传感器，该装置包括：透明玻璃管1、第一圆柱形空心永久磁铁2-1、第二圆柱形空心永久磁铁2-2、第一感应线圈3-1、第二感应线圈3-2、第一磁性液体环4-1、第二磁性液体环4-2、第一圆柱形永久磁铁5-1、第二圆柱形永久磁铁5-2、铁芯6、第一限位器7-1、第二限位器7-2、红外线距离传感器8、减法器9。
该装置各部分之间的连接：
将高强度漆包铜线均匀、对称、等匝数地缠绕到透明玻璃管1的两端，分别构成第一感应线圈3-1和第二感应线圈3-2；将第一圆柱形空心永久磁铁2-1和第一限位器7-1依次放入透明玻璃管1的一端；然后将第一圆柱形永久磁铁5-1和第二圆柱形永久磁铁5-2吸附在铁芯6的两端，并在第一圆柱形永久磁铁5-1和第二圆柱形永久磁铁5-2的端部分别吸附上第一磁性液体环4-1和第二磁性液体环4-2，第一圆柱形永久磁铁5-1、第二圆柱形永久磁铁5-2、铁芯6共同构成复合磁芯，第一磁性液体环4-1和第二磁性液体环4-2起到润滑和密封耐压的作用；之后将吸附有第一磁性液体环4-1和第二磁性液体环4-2的复合磁芯放入透明玻璃管1中，再依次放入第二限位器7-2和第二圆柱形空心永久磁铁2-2。最后将红外线距离传感器8的探头插入第二限位器7-2和第二圆柱形空心永久磁铁2-2中间的位置，将探头对准复合磁芯，用来探测复合磁芯与探头之间的距离，将探头与透明玻璃管1壁面的连接处密封。装配过程中，应保证第一感应线圈3-1和第二感应线圈3-2关于透明玻璃管1对称，透明玻璃管1内部的各部件关于第一感应线圈3-1和第二感应线圈3-2对称，第一圆柱形空心永久磁铁2-1和第二圆柱形空心永久磁铁2-2用于给复合磁芯提供回复力，保证透明玻璃管1两端压力相等时，复合磁芯位于第一感应线圈3-1和第二感应线圈3-2中间的平衡位置。
该自确认式磁性液体微压差传感器将透明玻璃管1两端的压差变化ΔP通过力的平衡转换为复合磁芯的位移Δx，复合磁芯的位移通过线圈的作用转换为第一感应线圈3-1和第二感应线圈3-2的电感差ΔL，第一感应线圈3-1和第二感应线圈3-2的电感差通过电桥电路、差分电路、放大电路转换成输出电压ΔU1。
上述的转换过程中，ΔP与Δx之间为力的平衡关系，转换的可靠性高，因此默认此环节出现问题为小概率事件，是不可能发生的。而Δx与ΔU1之间的转换需要依靠线圈和电路的作用，线圈或者电路内部导线的老化、损坏或者电路内部的电阻、放大器的老化、损坏都可能造成输出信号失真。通过理论推导和相关的实验研究发现，复合磁芯的位移Δx与感应线圈的输出电压ΔU1之间存在如下线性关系：
ΔU1＝k·Δx (1)
该自确认式磁性液体微压差传感器中复合磁芯的位移Δx与红外线距离传感器8的输出电压ΔU2之间存在如下线性关系：
ΔU2＝k·Δx (2)
初始状态复合磁芯位于第一感应线圈3-1和第二感应线圈3-2中间的平衡位置时，第一感应线圈3-1和第二感应线圈3-2的电感相同，则感应线圈的输出电压ΔU1为零，调整红外线距离传感器8使其输出电压ΔU2为零。则由(1)、(2)两式能够得出，当复合磁芯发生位移时，感应线圈3-1和3-2的输出电压ΔU1和红外线距离传感器8的输出电压ΔU2同步变化。将ΔU1和ΔU2输入到减法器9中，如图2所示，设减法器9的输出电压为ΔU，当ΔU在一定范围内变化时，视为微压差传感器工作正常，当ΔU超过此范围时，视为微压差传感器工作异常，此时系统报警，应停止工作并对传感器进行检查。
本发明将感应线圈3-1和3-2的输出信号ΔU1与红外线距离传感器8的输出信号ΔU2输入减法器9后得到输出电压ΔU，通过判断输出电压ΔU的数值范围，实现了磁性液体微压差传感器对自身工作状态的实时评估，使得磁性液体微压差传感器发生故障时能够及时排除，保证安全生产。
Claims (1)
1.一种自确认式磁性液体微压差传感器，该装置包括：
透明玻璃管(1)、第一圆柱形空心永久磁铁(2-1)、第二圆柱形空心永久磁铁(2-2)、第一感应线圈(3-1)、第二感应线圈(3-2)、第一磁性液体环(4-1)、第二磁性液体环(4-2)、第一圆柱形永久磁铁(5-1)、第二圆柱形永久磁铁(5-2)、铁芯(6)、第一限位器(7-1)、第二限位器(7-2)、红外线距离传感器(8)、减法器(9)，第一圆柱形永久磁铁(5-1)、第二圆柱形永久磁铁(5-2)、铁芯(6)共同构成复合磁芯，复合磁芯在限位器所限定的范围内移动；
该装置各部分之间的连接如下：将高强度漆包铜线均匀、对称、等匝数地缠绕到透明玻璃管(1)的两端，分别构成第一感应线圈(3-1)和第二感应线圈(3-2)，将第一圆柱形空心永久磁铁(2-1)和第一限位器(7-1)依次放入透明玻璃管(1)的一端，然后将第一圆柱形永久磁铁(5-1)和第二圆柱形永久磁铁(5-2)吸附在铁芯(6)的两端，并在第一圆柱形永久磁铁(5-1)和第二圆柱形永久磁铁(5-2)的端部分别吸附上第一磁性液体环(4-1)和第二磁性液体环(4-2)，第一圆柱形永久磁铁(5-1)、第二圆柱形永久磁铁(5-2)、铁芯(6)共同构成复合磁芯，第一磁性液体环(4-1)和第二磁性液体环(4-2)起到润滑和密封耐压的作用，之后将吸附有第一磁性液体环(4-1)和第二磁性液体环(4-2)的复合磁芯放入透明玻璃管(1)中，再依次放入第二限位器(7-2)和第二圆柱形空心永久磁铁(2-2)，最后将红外线距离传感器(8)的探头插入第二限位器(7-2)和第二圆柱形空心永久磁铁(2-2)中间的位置，将探头对准复合磁芯，用来探测复合磁芯与探头之间的距离，将探头与透明玻璃管(1)壁面的连接处密封，装配过程中，应保证第一感应线圈(3-1)和第二感应线圈(3-2)关于透明玻璃管(1)对称，透明玻璃管(1)内部的各部件关于第一感应线圈(3-1)和第二感应线圈(3-2)对称，第一圆柱形空心永久磁铁(2-1)和第二圆柱形空心永久磁铁(2-2)用于给复合磁芯提供回复力，保证透明玻璃管(1)两端压力相等时，复合磁芯位于第一感应线圈(3-1)和第二感应线圈(3-2)中间的平衡位置；
其特征在于：
将第一感应线圈(3-1)、第二感应线圈(3-2)的输出信号ΔU1和红外线距离传感器(8)的输出信号ΔU2输入到减法器(9)中，通过判断减法器(9)输出电压ΔU的范围实现了磁性液体微压差传感器对自身工作状态的实时评估。
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