CN104316225B - 一种磁流变弹性体压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁流变弹性体压力传感器，其在现有技术的基础上，通过在压力传感器内部增设一对永磁体，将磁流变弹性体置于永磁体所产生的封闭磁场内，利用永磁体所产生的磁场防止磁流变弹性体内部的颗粒链发生断裂和滑动、即便在磁流变弹性体内部的颗粒链发生错位和断裂时也可以“被强制”及时复位，从而使得磁流变弹性体内部“颗粒链”的取向始终处于稳定一致的状态。本发明的磁流变弹性体压力传感器，其结构简单、布局紧凑，具有反应灵敏、迟滞差值小、线性度高、重复性好、使用寿命长等特点。

Description

一种磁流变弹性体压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，尤其涉及一种磁流变弹性体压力传感器。

背景技术

磁流变弹性体是一种新型智能材料。其制备方法大致为，将微米级的软磁材料颗粒分散于液态高分子聚合物中，在外加磁场和温度场的作用下，上述混合物发生磁流变效应使得颗粒磁化并形成有序结构；继续保持磁场和温度场作用直至聚合物固化而形成的弹性固体就是磁流变弹性体。

由于磁流变弹性体内部颗粒结构的特殊性，其导电性和一般的填料随机分布的导电高分子复合材料的导电性有所不同。在磁流变弹性体的制备过程中，颗粒在磁场的作用下有序聚集，形成各向异性的结构。

磁流变弹性体在制备过程中，磁流变效应使得颗粒聚集，此聚集状态为颗粒在制备磁场作用下的最低能量状态。

现有技术的磁流变弹性体传感器在使用过程中，往往存在测量精度不高、使用寿命短等现象，而且随着传感器使用时间的延长，其反应灵敏度、迟滞差值、线性度和重复性等主要性能指标将逐步衰减、变差，直至无法正常使用，其整体使用寿命偏短。原因在于，磁流变弹性体作为传感元件使用时，在其使用环境的外加力的作用下，其内部的颗粒链不可避免的发生错位，甚至出现颗粒链中颗粒与颗粒连接的断裂等情形。随着这种错位或断裂现象的加剧，传感器的性能指标将逐步衰减、变差，直至无法正常使用。

发明内容

本发明的目的是，提供一种结构简单、布局紧凑、反应灵敏、迟滞差值小、线性度高、重复性好，且使用寿命长的磁流变压力传感器。

本发明为实现上述目的所需要解决的技术问题是，如何进行压力传感器内磁流变弹性体与磁体之间相对位置的合理布局，以实现压力传感器在外加磁场形成的闭合回路中，其内部的磁流变弹性体中的铁磁微粒迅速达到并始终保持在理想的稳定链状结构的技术问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种磁流变弹性体压力传感器，整体呈六面体结构，包括导磁体和磁流变弹性体；其特征在于，还包括有永磁体；

所述永磁体数量为两个，分别为上永磁体和下永磁体；

所述磁流变弹性体数量为两个；

所述导磁体成L形，数量为四个；

所述导磁体、磁流变弹性体和永磁体按顺序固定连接成一体，共同围成一个封闭的矩形框；其中，所述上永磁体和下永磁体分别布置在所述矩形框的上、下边框的中心位置，所述磁流变弹性体分别布置在所述矩形框的左右边的中心位置；

所述导磁体的上、下两个外表面上均设置有绝缘层；

所述上永磁体与下永磁体之间形成一个封闭的环形磁场；

所述导磁体的左右两端面中的任一端面上还焊接有两个接线端子；

所述两个接线端子一上一下分别设置在所述磁流变弹性体的上方位置和下方位置。

上述技术方案直接带来的技术效果是，一方面，结构简单、布局紧凑；

另一方面，通过在传感器内部增设一对永磁体，利用永磁体所产生的磁场，将磁流变弹性体置于永磁体所产生的封闭磁场内，既能防止磁流变弹性体颗粒链发生断裂和滑动，又可以使颗粒链在发生错位和断裂时及时复位。即，可使磁流变弹性体内部“颗粒链”的取向始终处于稳定一致的状态。具体理由详细解释说明如下：

磁流变弹性体内的颗粒具有链或柱状结构，为便于理解与说明，可以将这种颗粒与颗粒之间的链或柱状结构简单看成无数个颗粒链。在制备磁流变弹性体时，其内部的颗粒在成链过程中铁磁性颗粒沿着磁力线规律性的运动聚集，同一链上相邻颗粒的间距非常小，会造成颗粒间的接触电阻也非常小。在有电场施加在磁流变弹性体上时，颗粒链就作为导电通道。在适当的制备磁场作用下，绝大部分的颗粒都能够参与导电通道的形成，而孤立的非联通链很少存在。由于以上原因，磁流变弹性体中的导电通道与颗粒随机分散的导电高分子复合材料相比，具有导电通道数量多，且导电通道的电阻小的特点，因此磁流变弹性体的电阻要比相同填充材料体积比的均匀混合的普通导电高分子复合材料小得多。

影响磁流变弹性体电导的因素主要有外加力载荷、磁场、电场等。当磁流变弹性体受到外加力的作用时，同一条颗粒链中的相邻颗粒的间距会发生改变，同时颗粒受到挤压或者拉伸也会发生局部形变，造成颗粒链的电阻发生改变，在宏观上表现为磁流变弹性体的电阻产生变化。在磁场的作用下，颗粒之间有相互吸引力产生，能够改变磁流变弹性体的电阻。磁流变弹性体的导电电流包括传导电流和隧道电流两部分，而隧道电流是与电场强度非线性相关的，因此磁流变弹性体的电阻随电场强度的变化而改变。

通过以上分析可以看出，磁流变弹性体具有电阻小、制备简单、变化参数多的优点，能够作为传感元件用于测量力、电场、磁场参数，存在较高的使用价值。

但磁流变弹性体在制备过程中，磁流变效应使得颗粒聚集，此聚集状态为颗粒在制备磁场作用下的最低能量状态。磁流变弹性体作为传感元件使用时，如果其内部产生了颗粒链错位、断裂等情形，在没有磁场作用下不会自动恢复。颗粒链的错位和断裂将影响磁流变弹性体的测量精度和使用寿命。

本发明通过在传感器内部增设一对永磁体，并采用将“所述导磁体、磁流变弹性体和永磁体按顺序固定连接成一体，共同围成一个封闭的矩形框；其中，所述上永磁体和下永磁体分别布置在所述矩形框的上、下边框的中心位置，所述磁流变弹性体分别布置在所述矩形框的左右边的中心位置；所述上永磁体与下永磁体之间形成一个封闭的环形磁场”的结构形式，在所述永磁体、磁流变弹性体和导磁体之间围成一个空腔使得传感器内部形成一个稳定的磁场闭合回路，进而使得磁流变弹性体的铁磁性颗粒链的“取向”始终保持在与磁场的方向一致。

即，通过上述闭合回路中磁场的作用，能够使磁流变弹性体中的颗粒链在受到外界影响产生错位或断裂时，能及时快速的恢复到原来的铁磁性颗粒链的“取向”基准位置，因而提高了磁流变弹性体使用过程中测量结果的准确性和可靠性，并延长其使用寿命。

其次，上述技术方案中，所采用的“所述导磁体的上、下两个外表面上均设置有绝缘层”这一技术手段，一方面，可以有效屏蔽压力传感器使用环境中可能存在的磁场，即避免外界磁场对使用过程中的传感器可能产生的干扰；另一方面，可以避免传感器内部永磁体所产生的磁场出现漏磁现象，从而提高磁场的利用率，并避免该漏磁可能对周边环境造成的不良影响。

作为优选，上述导磁体为纯铁。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，纯铁的导磁性能良好，且廉价。

本发明为解决上述技术问题所采用的另一种技术方案是，一种磁流变弹性体压力传感器，整体呈六面体结构，包括导磁体和磁流变弹性体；其特征在于，还包括有永磁体；

所述永磁体数量为两个；

所述磁流变弹性体数量为两个；

所述导磁体为长条形，数量为两个；

所述导磁体、磁流变弹性体和永磁体按顺序固定连接成一体，共同围成一个封闭的矩形框；上述连接顺序为：按一个永磁体置于一个磁流变弹性体之上的排列方式分成两组，其中的一组作为矩形框的左边框，另一组作为矩形框的右边框；两个导磁体分别作为所述矩形框的上下边框，覆盖在左右两块永磁体的上表面和左右两块磁流变弹性体的下表面；

所述导磁体的上、下两个外表面上均设置有绝缘层；

所述上永磁体与下永磁体之间形成一个封闭的环形磁场；

所述导磁体的左右两端面中的任一端面上还焊接有两个接线端子；

所述两个接线端子一上一下分别设置在所述磁流变弹性体和永磁体二者的上方位置和下方位置。

上述技术方案直接带来的技术效果是，通过在传感器内部增设一对永磁体，利用永磁体所产生的磁场，以使磁流变弹性体内部的“颗粒链”取向的一致性与稳定性。

上述技术方案的技术思想与前文所述类同，在此不再一一赘述。

优选为，上述导磁体为纯铁。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，纯铁的导磁性能良好，且廉价。综上所述，本发明相对于现有技术，具有结构简单、布局紧凑、反应灵敏、迟滞差值小、线性度高、重复性好，且使用寿命长等有益效果。

附图说明

图1为本发明的磁流变弹性体压力传感器立体结构示意图之一；

图2为本发明的磁流变弹性体压力传感器立体结构示意图之二。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的磁流变弹性体压力传感器，整体呈六面体结构，包括导磁体2和磁流变弹性体4；其特征在于，还包括有永磁体3；

上述永磁体3数量为两个，分别为上永磁体和下永磁体；

上述磁流变弹性体4数量为两个；

上述导磁体2成L形，数量为四个；

上述导磁体2、磁流变弹性体4和永磁体3按顺序固定连接成一体，共同围成一个封闭的矩形框；其中，上述上永磁体和下永磁体分别布置在上述矩形框的上、下边框的中心位置，上述磁流变弹性体4分别布置在上述矩形框的左右边框的中心位置；上述导磁体的上、下两个外表面上均设置有绝缘层1；

上述上永磁体与下永磁体之间形成一个封闭的环形磁场；

上述导磁体的左右两端面中的任一端面上还焊接有两个接线端子5；

上述两个接线端子一上一下分别设置在磁流变弹性体4的上方位置和下方位置。

上述导磁体2优选为纯铁。

图2为本发明的另一种结构形式的磁流变弹性体压力传感器的立体结构示意图。

如图2所示，本发明的磁流变弹性体压力传感器，整体呈六面体结构，包括导磁体2和磁流变弹性体4；其还包括有永磁体3；

上述永磁体3数量为两个，分别为上永磁体和下永磁体；

上述磁流变弹性体4数量为两个；

上述导磁体2为长条形，数量为两个；

上述导磁体2、磁流变弹性体4和永磁体3按顺序固定连接成一体，共同围成一个封闭的矩形框；上述连接顺序为：按一个永磁体置于一个磁流变弹性体之上的排列方式分成两组，其中的一组作为矩形框的左边框，另一组作为矩形框的右边框；两个导磁体2分别作为所述矩形框的上下边框，覆盖在左右两块永磁体的上表面和左右两块磁流变弹性体的下表面；

上述导磁体2的上、下两个外表面上均设置有绝缘层1；

上述上永磁体与下永磁体之间形成一个封闭的环形磁场；

上述导磁体2的左右两端面中的任一端面上还焊接有两个接线端子5；

上述两个接线端子5一上一下分别设置在所述磁流变弹性体和永磁体二者的上方位置和下方位置。

上述导磁体2优选为纯铁。

为更好地理解本发明，现简要介绍本发明的磁流变弹性体压力传感器的使用方法与工作原理：

将压力传感器的两个接线端子分别与外部电源的正负极连接，在传感器与电源之间串联一电阻，并将电压表与该电阻并联，就可以在磁流变弹性体、电阻和电源之间形成一闭合回路，当压力传感器上下表面所受压力传递到磁流变弹性体上时，磁流变弹性体内部电阻将减小，上述电路中的电流将相应增大，通过电压表读取示数，即可计算出压力传感器上下表面所受压力的大小。

Claims (4)

1.一种磁流变弹性体压力传感器，整体呈六面体结构，包括导磁体和磁流变弹性体；其特征在于，还包括有永磁体；

所述永磁体数量为两个，分别为上永磁体和下永磁体；

所述磁流变弹性体数量为两个；

所述导磁体成L形，数量为四个；

所述导磁体、磁流变弹性体和永磁体按顺序固定连接成一体，共同围成一个封闭的矩形框；其中，所述上永磁体和下永磁体分别布置在所述矩形框的上、下边框的中心位置，所述磁流变弹性体分别布置在所述矩形框的左右边的中心位置；

所述导磁体的上、下两个外表面上均设置有绝缘层；

所述上永磁体与下永磁体之间形成一个封闭的环形磁场；

所述导磁体的左右两端面中的任一端面上还焊接有两个接线端子；

所述两个接线端子一上一下分别设置在所述磁流变弹性体的上方位置和下方位置。

2.根据权利要求1所述的磁流变弹性体压力传感器，其特征在于，所述导磁体为纯铁。

3.一种磁流变弹性体压力传感器，整体呈六面体结构，包括导磁体和磁流变弹性体；其特征在于，还包括有永磁体；

所述永磁体数量为两个；

所述磁流变弹性体数量为两个；

所述导磁体为长条形，数量为两个；

所述导磁体、磁流变弹性体和永磁体按顺序固定连接成一体，共同围成一个封闭的矩形框；上述顺序为：按一个永磁体置于一个磁流变弹性体之上的排列方式分成两组，其中的一组作为矩形框的左边框，另一组作为矩形框的右边框；两个导磁体分别作为所述矩形框的上下边框，覆盖在左右两块永磁体的上表面和左右两块磁流变弹性体的下表面；

所述导磁体的上、下两个外表面上均设置有绝缘层；

两个永磁体之间形成一个封闭的环形磁场；

所述导磁体的左右两端面中的任一端面上还焊接有两个接线端子；

所述两个接线端子一上一下分别设置在所述磁流变弹性体和永磁体二者的上方位置和下方位置。

4.根据权利要求3所述的磁流变弹性体压力传感器，其特征在于，所述导磁体为纯铁。