CN104865005B - 一种电感检测方式的磁性液体微压传感器 - Google Patents

Abstract

一种电感检测方式的磁性液体微压传感器，属于机械工程测量领域。成功解决了现有磁性液体微压传感器由于多种结构问题无法在工程实际中得到应用。该装置包括压力平衡腔(1)、第一感应线圈(2)、第一永磁体(3)、铁芯(4)、第二永磁体(5)、第二感应线圈(6)、壳体(7)、磁性液体(8)、压力调节阀(9)。当外界存在压力时，移动部件在壳体内移动，则改变了铁芯在第一感应线圈和第二感应线圈的体积，从而改变了第一感应线圈和第二感应线圈的电感，进而外界电桥电路输出相应的电压信号。该传感器检测压力的大小和输出的电压值成线性关系，线性度低于1％，且灵敏度极高。

Description

一种电感检测方式的磁性液体微压传感器

技术领域

本发明属于磁性液体传感器领域，适用于微压测量。

背景技术

微压传感器技术越来越广泛地应用于军事工业、生物医学、航空航天等国民经济的各个领域。随着科学的深入研究，科学技术的不断进步，应用领域对微压传感器的灵敏度、线性度、可靠性和分辨率的要求也越来越高。目前磁性液体微压传感器在我国的研究尚处于实验阶段，其结构形式主要有两种，一种是U型管式，原理为：U型玻璃管内部装有磁性液体，两臂缠绕线圈并通入交流电，与外部电阻连接，构成电桥电路，有压差作用时U型玻璃管两臂液面产生高度差Δh，从而改变线圈电感系数L，外部电桥电路失去平衡，通过外部电路测得的电压变化来求得压力变化，这种类型的磁性液体微压传感器输出信号较弱；另一种是铁芯式，例如专利申请号CN104198109A，一种带支管的磁性液体微压传感器，所述第一永磁体、第二永磁体、铁芯共同构成复合磁芯，复合磁芯在限位器所限定的范围内移动，进而改变电感L，从而产生输出电压信号；申请号CN103604558A，一种磁性液体微压差传感器，所述漆包铜线缠绕在有机玻璃管的左右边，加入复合磁芯后注入磁性液体与复合磁芯同名端相对应，用于提供回复力，最后塞入胶塞，左端与压力源相连，右端与大气相连，两线圈和两等值电阻构成电桥电路，微压作用时，复合磁芯在管内移动，输出明显电压值；以及申请号CN104019932A，一种截面型自感式磁性液体微压传感器，所述左、右永磁体，左、右铝棒和铁芯组成复合磁芯，微压作用时，复合磁芯左右移动，铁芯的圆柱面和左、右导磁套与有机玻璃管接触的两圆环面相对部分的面积改变引起电感变化而输出电压信号。这几种磁性液体微压传感器，均是由于铁芯的相对磁导率比磁性液体的高，使其导磁能力更好，从而使微压差传感器的灵敏度更高。

上述的铁芯式磁性液体传感器的共同点是，通过线圈电感L的变化来得到检测电压信号，但由于在无压差的实际工况下，移动部件没法精确地达到平衡位置，存在一定的误差，从而电感线圈输出的电压信号存在零点残余电压，而影响线性度和可靠性。同时，永磁体的斥力所产生的回复力线性度不好，而且该斥力为非平衡力，不仅造成传感器的输出信号的线性度不高，而且容易导致铁芯的倾覆和刮蹭壳体壁面的现象。因此用电感式的检测方式的新型结构能够更好更精确的得到输出信号，以满足工程需要。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，现有磁性液体微压传感器由于在无压差作用时，由于实际工况的各种影响因素，如温度，大气压强等，往往无法保证移动部件处于平衡位置，从而输出电压信号值会有零点残余电压的存在，而影响输出信号的精确度及线性度。同时，永磁体的斥力所产生的回复力线性度不好，而且该斥力为非平衡力，不仅造成传感器的输出信号的线性度不高，而且容易导致铁芯的倾覆和刮蹭壳体壁面的现象。使其无法在工程实际需要中得到有效应用的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的一种电感检测方式的磁性液体微压传感器，包括压力平衡腔、第一感应线圈、第一永磁体、铁芯、第二永磁体、第二感应线圈、壳体、磁性液体、压力调节阀。

所述铁芯为一圆柱体，所述第一永磁体为具有一定厚度的圆柱状且安装在铁芯的左端面，所述第二永磁体为具有一定厚度的圆柱状且安装在铁芯的右端面；所述磁性液体注射在第一永磁体和第二永磁体上，磁性液体的作用是将永磁体和铁芯连接的组件悬浮从而形成移动部件，减小其运动时的摩擦力，同时依靠磁性液体实现移动组件两端气体的密封，从而保证了传感器的正常工作。

所述第一感应线圈和第二感应线圈分别是由高强度漆包铜线均匀、对称、等匝数的缠绕在壳体的左边和右边，通过与外部电路构成电桥电路，形成检测组件。所述第一感应线圈和第二感应线圈之间的间距大于等于铁芯长度的1/10，且两感应线圈是等匝数和对称分布在壳体两端。从而有效的避免了互感现象，增加了传感器的线性度，同时降低了零点残余电压。

所述壳体为空心圆筒结构，且为非导磁性材料，壳体中部加工有一个阶梯式法兰面，其左侧小台阶的直径大于第一感应线圈和第二感应线圈的外径，使得壳体能够装入压力平衡腔内。

所述压力调节阀选用非导磁性材料，所述压力平衡腔也为非导磁性材料，其壁厚与壳体厚度相等，压力平衡腔左端安装有压力调节阀，右端面中部加工有通孔，孔的直径与壳体小台阶的直径相等，将壳体组件装入压力平衡腔的右端面通孔中，使得壳体的中部法兰面与压力平衡腔的右端面固定连接，接触面安装有密封圈进行密封。由于压力调节阀的作用，可以防止壳体组件安装时，压力平衡腔内的压力升高，从而造成保持架偏移零点位置。通过压力平衡腔内气体的压缩和膨胀所提供的回复力可以均匀作用在移动部件上，且线性度极好，极大的提高了传感器的线性度。同时，通过改变压力平衡腔内的体积，从而可以调节传感器的测量量程与灵敏度。

所述第一永磁体和第二永磁体形状大小均相同，且均为圆柱形，第一永磁体和第二永磁体与壳体的内径之比为0.7～0.95。该比值确保了磁性液体具有较高耐压能力的同时还可以将移动部件悬浮在壳体中，其中优选比值为0.8。

铁芯为圆柱形的导磁性能良好的材料，其直径与第一永磁体和第二永磁体的直径之比为0.5～0.9。该比值防止了铁芯直径过大从而与壳体壁面的刮蹭，同时还可以避免铁芯直径过小从而使得信号强度降低。

当壳体右侧通孔没有加压力P₁，即移动部件右侧与左侧不存在压差时，移动部件位的中心与壳体的中心重合(第一感应线圈和第二感应线圈的中心)，此时第一感应线圈和第二感应线圈的电感值相等，输出电压值为零。但由于实际工况的各种影响因素，例如温度、压强等，都会导致移动部件中心点无法与壳体中心点重合，从而无法保证在大气环境下第一感应线圈和第二感应线圈的电感值相等，进而无法使输出零点电压为零。所以，通过在壳体的左端安装压力平衡腔和压力调节阀。当在大气环境下时，若存在零点电压，即移动部件未处于中心平衡位置时，通过打开压力调节阀，在压力平衡腔内充入或抽出一定的气体，使移动部件的初始状态处于壳体的中心平衡位置，然后关闭压力调节阀，之后再进行加压并检测输出电压信号。当壳体右侧存在外加压力P₁时，压差使得移动部件向右(左)移动，则使得第一感应线圈和第二感应线圈的电感值不相等，从而可以通过外接电桥电路输出相应的电压信号。在1000Pa以下的压力范围内，压力差的大小和输出的电压值成线性关系，且线性度小于1％。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果如下：(1)吸附在第一永磁体和第二永磁体上的磁性液体可以更加稳定的密封各个压力腔；(2)通过压力调节阀和压力平衡腔，来调节移动部件在实际工况下的零点位置，使其初始输出电压为零，避免零点残余电压的影响；(3)通过压力平衡腔内气体的压缩和膨胀所提供的回复力可以均匀作用在移动部件上，防止了倾覆作用，且线性度极好，极大的提高了传感器的线性度；(4)通过改变压力平衡腔内的体积，从而可以调节传感器的测量量程与灵敏度。

附图说明

图1一种电感检测方式的磁性液体微压传感器；

图1中：压力平衡腔1、第一感应线圈2、第一永磁体3、铁芯4、第二永磁体5、第二感应线圈6、壳体7、磁性液体8、压力调节阀9。

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：

一种电感检测方式的磁性液体微压传感器，如图1，该传感器装置包括：压力平衡腔1、第一感应线圈2、第一永磁体3、铁芯4、第二永磁体5、第二感应线圈6、壳体7、磁性液体8、压力调节阀9。

构成该装置的各部分之间的连接：

先将第一永磁体3安装在铁芯4的左端面，将第二永磁体5安装在铁芯4的右端面，继续将磁性液体8注射在第一永磁体3和第二永磁体5上，磁性液体8吸附在永磁体两端，磁性液体8的作用是将永磁体和铁芯连接的组件悬浮，减小其运动时的摩擦力，同时依靠磁性液体8与壳体7壁面间的挤压作用实现组件两端的密封，形成移动部件。然后，将高强度漆包铜线均匀、对称、等匝数的缠绕在壳体7的左边和右边，分别构成第一感应线圈2和第二感应线圈6，第一感应线圈2、第二感应线圈6与外部电路构成电桥电路，形成检测组件。

接着，壳体7中部加工一个阶梯式法兰面，其小台阶的直径大于第一感应线圈2和第二感应线圈6的外径。阶梯式法兰面，使得壳体7能通过该法兰面与压力平衡腔1进行装配，壳体7的左端面距离法兰面的长度小于压力平衡腔1的长度。然后，将移动部件装入壳体7中，形成壳体组件。

最后，压力平衡腔1左端安装有压力调节阀9，右端面中部加工有通孔，将壳体组件装入压力平衡腔1的右端面通孔中，使得壳体7的中部法兰面与压力平衡腔1的右端面固定连接，接触面安装有密封圈进行密封。

在测量前，首先检查第一感应线圈2和第二感应线圈6的输出电压是否为零点电压，若输出电压不等于零点电压时，应当先打开压力调节阀9，在压力平衡腔1内充入或者抽出一定量的气体，直到第一感应线圈2和第二感应线圈6的输出电压为零点电压时，关闭压力调节阀9，从而完成调零。

然后将壳体7右端通孔与被测量介质相连接，若被测量介质压力大于压力平衡腔1内的压力时，移动部件将向左侧移动，压力平衡腔1内的气体被压缩，直到移动部件左、右两端压力相等后，移动部件停止运动，此时第一感应线圈2的电感值大于第二感应线圈6的电感值，然后通过外部的电桥电路输出电压信号；若被测量介质压力小于压力平衡腔1内的压力时，移动部件将向右侧移动，压力平衡腔1内的气体膨胀，直到移动部件左、右两端压力相等后，移动部件停止运动，第一感应线圈2的电感值小于第二感应线圈6的电感值，然后通过外部的电桥电路输出电压信号。

压力平衡腔1、壳体7和压力调节阀9的材料均为非导磁性材料。

Claims (6)

1.一种电感检测方式的磁性液体微压传感器，其特征在于：包括压力平衡腔(1)、第一感应线圈(2)、第一永磁体(3)、铁芯(4)、第二永磁体(5)、第二感应线圈(6)、壳体(7)、磁性液体(8)、压力调节阀(9)；将第一永磁体(3)安装在铁芯(4)的左端面，将第二永磁体(5)安装在铁芯(4)的右端面，继将磁性液体(8)注射在第一永磁体(3)和第二永磁体(5)上，形成移动部件；将高强度漆包铜线均匀、对称、等匝数地缠绕到壳体(7)的左边和右边，分别构成第一感应线圈(2)和第二感应线圈(6)，第一感应线圈(2)、第二感应线圈(6)与外部电路构成电桥电路，形成检测组件；

所述壳体(7)中部加工一个法兰面，两端面通孔，将移动部件装入壳体(7)中，形成壳体组件；

所述压力平衡腔(1)的左端面安装有压力调节阀(9)，右端面加工有通孔，将壳体组件装入压力平衡腔(1)的右端面通孔中，使得壳体(7)的中部法兰面与压力平衡腔(1)的右端面固定连接，接触面安装有密封圈进行密封，压力调节阀(9)和压力平衡腔(1)均选用非导磁性材料；

所述壳体(7)为非导磁性材料，壳体(7)的阶梯法兰面位于壳体轴向中心位置，壳体(7)的左端面距离阶梯法兰面的长度小于压力平衡腔(1)的长度。

2.根据权利要求1所述的一种电感检测方式的磁性液体微压传感器，其特征在于：

所述第一感应线圈(2)和第二感应线圈(6)之间的间距大于等于铁芯(4)的长度的1/10，且两感应线圈是等匝数和对称分布在壳体两端。

3.根据权利要求1所述的一种电感检测方式的磁性液体微压传感器，其特征在于：

所述第一永磁体(3)和第二永磁体(5)形状大小均相同，且均为圆柱形，第一永磁体(3)和第二永磁体(5)与壳体(7)的内径之比为0.7～0.95。

4.根据权利要求1或3所述的一种电感检测方式的磁性液体微压传感器，其特征在于：

铁芯(4)为圆柱形的导磁性能良好的材料，其直径与第一永磁体(3)和第二永磁体(5)的直径之比为0.5～0.9。

5.根据权利要求1所述的一种电感检测方式的磁性液体微压传感器，其特征在于：

所述壳体(7)为非导磁材料，正中间为一法兰面，该法兰面成阶梯型，且其左侧小台阶的直径大于第一感应线圈(2)和第二感应线圈(6)的外径。

6.根据权利要求1或5所述的一种电感检测方式的磁性液体微压传感器，其特征在于：

所述压力平衡腔(1)的厚度与壳体(7)的厚度相等，且其右端通孔的直径与壳体(7)左侧小台阶的直径相等，在压力平衡腔(1)的左端安装有压力调节阀(9)。