CN104931726A - 一种活塞型一阶浮力磁性液体惯性传感器 - Google Patents

Abstract

一种活塞型一阶浮力磁性液体惯性传感器，属于机械工程振动领域。成功解决了现有磁性液体加速度传感器由于多种结构问题无法在工程实际中得到应用的问题。该装置包括第一悬浮永磁体(1)、第一限位永磁体(2)、壳体(3)、磁性液体(4)、限位壳(5)、第二限位永磁体(6)、第二悬浮永磁体(7)、第二感应线圈(8)、第一感应线圈(9)和质量块(10)，当外界有加速度信号时，质量块组件在腔体内移动，磁性液体(4)在壳体(3)中的体积分布发生变化，从而第二感应线圈(8)和第一感应线圈(9)检测到电感信号并输出。

Description

一种活塞型一阶浮力磁性液体惯性传感器

技术领域

本发明属于机械传感检测领域。

背景技术

加速度传感器销量仅次于压力传感器，在交通工具、生物医学、石油开采、军事工业等各个领域有着广泛的应用。随着科学技术的不断发展，人们对具有灵敏度高、可靠性高、分辨率高和线性度好的加速度传感器的需求量不断增加。磁性液体加速度传感器对惯性力的敏感度较高，具有结构简单、体积小、无机械损耗和寿命长等优点。然而现有磁性液体加速度传感器由于多种结构问题无法在工程实际中得到应用，具体问题如申请号CN103149384A和申请号CN103675351A所述的专利，该专利所述装置采用磁性液体的二阶浮力原理，质量块为永磁体，由于永磁体磁场过强，导致磁性液体中的颗粒容易聚集，造成流动性变差的问题，同时由于磁性液体用量少且不均匀，信号较弱。而申请号如RO 100632和US 7296469所述的专利都描述了利用磁性液体的一阶浮力原理的加速度传感器。然而RO 100632所述的专利由于在轴向无磁场梯度，因此在轴向无法定位，导致无论在地面还是太空环境下质量块所在位置是随机的，无法在静止状态下使得零点电压为零，且利用环形永磁体作为磁场源产生的磁场梯度过小，因此在地面应用时很难使质量块悬浮起来，因此质量块只能选用密度较小的非导磁性物质，如铝材，从而使得传感器对惯性力不敏感，信号太小。而US 7296469所述的专利虽然克服了RO 100632所述专利的缺点，但是其结构过于复杂，线圈无法之间通过磁性液体的体积变化产生电感值，同时，该专利的质量块悬浮在矩形空腔内，依靠底部单块磁体所产生的磁场力与重力相抵消非常容易造成质量块的不稳定悬浮，即使通过侧壁的四块磁体所产生的磁场力对质量块进行束缚，仍然不能避免质量块的偏移和不稳定悬浮，因此输出信号线性度不好。

因此急需对磁性液体传感器的结构进行重新设计和改进，使其能够在实际工程中得到应用。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，现有磁性液体传感器由于多种结构缺陷造成磁性液体流动困难、永磁体易碎裂、定心效果不好和粘性耗能效率不高等问题，使其无法在工程实际中得到应用。特提供一种活塞型一阶浮力磁性液体惯性传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

该装置包括：第一悬浮永磁体、第一限位永磁体、壳体、磁性液体、限位壳、第二限位永磁体、第二悬浮永磁体、第二感应线圈、第一感应线圈和质量块；

将质量块穿入限位壳的内孔中并固定连接，使限位壳位于质量块的中部，从而形成质量块组件；

将所述壳体内充入磁性液体，并将质量块组件装入壳体中；将壳体进行密封后，将第一限位永磁体固定安装在壳体的凸台左端面，继将第一悬浮永磁体固定安装在第一限位永磁体的左端面；将第二限位永磁体固定安装在壳体的凸台右端面，继将第二悬浮永磁体固定安装在第二限位永磁体的右端面；将第一感应线圈安装在壳体的凸台左侧并与凸台左端面平齐，将第二感应线圈安装在壳体的凸台右侧并与凸台右端面平齐；

所述壳体为非导磁性物质，形状为空心的活塞状，中间的直径大于两端的直径；

所述第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体大小形状完全相同，采用径向充磁。在第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体的环形腔位置产生一个由中心逐渐增强的轴对称磁场分布，而该磁场磁性液体中形成的径向梯度使得质量块的径向运动被限制，当静止或者无径向扰动时，质量块的轴线和壳体的轴线将重合。第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体由多个径向充磁的扇形永磁体拼接而成，也可以采用多块矩形永磁体直接固定连接在壳体上，此时壳体外侧安装永磁体的位置应加工成多边形结构，通常至少为6边形。拼接后相邻的永磁体的磁极排列方式可以采用同极排列也可以采用异极排列，即N(S)和N(S)极排列或者N(S)和S(N)极排列方式，优选N(S)和N(S)极排列，若为N(S)和S(N)极排列方式，永磁体数量必须为偶数。

所述第一限位永磁体和第二限位永磁体大小形状完全相同且为圆环形，采用轴向充磁，内径与壳体的外径相等。由于第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体无法使质量块在轴向定位，因此质量块会在轴向随意漂移，无法在静止状态下处于几何中心位置。因此在壳体凸台两端面安装第一限位永磁体和第二限位永磁体，从而在壳体凸台的左、右两个端面将形成从壳体凸台端面部向壳体中部逐渐衰减的磁场。该磁场梯度给质量块提高了一个轴向的回复力，使质量块在静止状态下始终能够悬浮在壳体中部。为了防止回复力过大使得质量块对外界敏感性降低，限位壳与壳体之间的单边间隙l₂应大于5mm。

所述质量块为非导磁性物质，形状为圆柱形；限位壳也为非导磁性物质，形状为空心圆环，内径与质量块的外径大小相同，其外径小于壳体的内径。限位壳也可以是实心结构，其目的是为了减轻质量块质量的同时又可以增大体积，从而使得第一感应线圈和第二感应线圈所在位置的磁性液体体积变大，从而信号增强。其次，将质量块通过与限位壳的连接，使得质量块组件成为活塞状，可以方便外部感应线圈的安装。

所述第一感应线圈和第二感应线圈大小形状完全相同，第一感应线圈和第二感应线圈之间的距离应大于10mm，从而避免了互感的影响。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：(1)所有永磁体均安装在外侧有效避免了永磁体碎裂、磁粘效应引起的磁性液体流动困难和磁性液体注入困难的问题；(2)质量块选用非导磁性材料，因此可以选择硬度较小、塑性较大的材料，从而可有效解决撞壁后质量块碎裂问题，也避免了因磁粘效应引起的流动困难问题；(3)通过质量块与限位壳的连接，使得质量块成为活塞状，而限位壳为中空结构，使得质量块组件可以更加稳定的悬浮于壳体中，同时提高了质量块组件的悬浮稳定性和传感器的灵敏度；(4)壳体左、右两端采用多边形结构可以使得第一、第二永磁体径向充磁的磁性更强，更有利于质量块的悬浮。

附图说明

图1一种活塞型一阶浮力磁性液体惯性传感器；

图2一种活塞型一阶浮力磁性液体惯性传感器壳体三维图。

图1中：第一悬浮永磁体1、第一限位永磁体2、壳体3、磁性液体4、限位壳5、第二限位永磁体6、第二悬浮永磁体7、第二感应线圈8、第一感应线圈9和质量块10。

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：

一种活塞型一阶浮力磁性液体惯性传感器，如图1，该减振装置包括：第一悬浮永磁体1、第一限位永磁体2、壳体3、磁性液体4、限位壳5、第二限位永磁体6、第二悬浮永磁体7、第二感应线圈8、第一感应线圈9和质量块10。

构成该装置的各部分之间的连接：

将质量块10穿入限位壳5的内孔中并固定连接，使限位壳5位于质量块10的中部，从而形成质量块组件；

将所述壳体3内充入磁性液体4，并将质量块组件装入壳体3中；将壳体3进行密封后，将第一限位永磁体2固定安装在壳体3的凸台左端面，继将第一悬浮永磁体1固定安装在第一限位永磁体2的左端面；将第二限位永磁体6固定安装在壳体3的凸台右端面，继将第二悬浮永磁体7固定安装在第二限位永磁体6的右端面；将第一感应线圈9安装在壳体3的凸台左侧并与凸台左端面平齐，将第二感应线圈8安装在壳体3的凸台右侧并与凸台右端面平齐。

所述质量块5为非导磁性物质，其为圆柱形或者四棱柱；上V形衔铁3和下V形衔铁7均为导磁性良好的材料。质量块5材料的硬度要远小于壳体2材料的硬度。

永磁体均选用铷铁硼。

当外界没有加速度信号时，质量块组件由于磁性液体一阶浮力的原因被束缚在壳体3的中部，磁性液体4的体积在壳体3内部对称分布，从而第二感应线圈8和第一感应线圈9所测量的电感值相等，通过外部电桥电路输出的零点电压为零。

当外界有加速度信号时，质量块组件在壳体3内发生移动，导致磁性液体4在壳体3内部的体积发生变化，从而第二感应线圈8和第一感应线圈9所测量的电感值不相等，通过外部电桥电路输出的电压不为零，从而可以通过该电压值的变化测量加速度信号。

该加速度传感器主要应用场合为耐冲击和失重的场合，所测量加速度的最佳范围为0.1～10g。

若用于失重场合，没有重力的影响时，可以不安装第一悬浮永磁体1和第二悬浮永磁体7，仅依靠第一限位永磁体2和第二限位永磁体6在径向的磁场梯度就可以将质量块组件悬浮在壳体正中，使其与轴向重合。

Claims (4)

1.一种活塞型一阶浮力磁性液体惯性传感器，其特征在于：该装置包括：第一悬浮永磁体(1)、第一限位永磁体(2)、壳体(3)、磁性液体(4)、限位壳(5)、第二限位永磁体(6)、第二悬浮永磁体(7)、第二感应线圈(8)、第一感应线圈(9)和质量块(10)；

将质量块(10)穿入限位壳(5)的内孔中并固定连接，使限位壳(5)位于质量块(10)的中部，从而形成质量块组件；

将所述壳体(3)内充入磁性液体(4)，并将质量块组件装入壳体(3)中；将壳体(3)进行密封后，将第一限位永磁体(2)固定安装在壳体(3)的凸台左端面，继将第一悬浮永磁体(1)固定安装在第一限位永磁体(2)的左端面；将第二限位永磁体(6)固定安装在壳体(3)的凸台右端面，继将第二悬浮永磁体(7)固定安装在第二限位永磁体(6)的右端面；将第一感应线圈(9)安装在壳体(3)的凸台左侧并与凸台左端面平齐，将第二感应线圈(8)安装在壳体(3)的凸台右侧并与凸台右端面平齐；

所述壳体(3)为非导磁性物质，形状为空心的活塞状，中间的直径大于两端的直径；

所述第一限位永磁体(2)和第二限位永磁体(6)大小形状完全相同且为圆环形，采用轴向充磁，内径与壳体(3)的外径相等；

所述第一悬浮永磁体(1)和第二悬浮永磁体(7)大小形状完全相同，采用径向充磁。

2.根据权利要求1所述一种活塞型一阶浮力磁性液体惯性传感器，其特征在于：

所述质量块(5)为非导磁性物质，形状为圆柱形；限位壳(5)也为非导磁性物质，形状为空心圆环，内径与质量块(5)的外径大小相同，其外径小于壳体(3)的内径。

3.根据权利要求1所述一种活塞型一阶浮力磁性液体惯性传感器，其特征在于：

所述第一感应线圈(9)和第二感应线圈(8)大小形状完全相同，第一感应线圈(9)和第二感应线圈(8)之间的距离应大于10mm。

4.根据权利要求1或2所述一种活塞型一阶浮力磁性液体惯性传感器，其特征在于：

限位壳(5)与壳体(3)之间的单边间隙l₂应大于5mm。