CN104964786B - 一种霍尔检测方式的磁性液体微压传感器 - Google Patents

Abstract

一种霍尔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无法在工程实际中得到应用得问题。该装置包括平衡腔(1)、壳体(2)、第一永磁体(3)、保持架(4)、霍尔元件(5)、霍尔元件安装架(6)、第二永磁体(7)、磁性液体(8)、压力调节阀(9)，当外界存在压差时，移动部件在壳体内移动，则改变了垂直穿过霍尔元件的磁力线的磁通密度，进而检测出输出电压信号，该压力传感器在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。

Description

一种霍尔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，从而使微压传感器的灵敏度更高。

这两种类型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，并且通过永磁体所提供的回复力使得铁芯在无外部压力情况下能够回到零点位置。但是由于线圈的长度、面积及匝数的变化都会影响电感L的变化，从而影响输出电压信号。而永磁体的斥力所产生的回复力线性度不好，且永磁体所产生的磁场会使得铁芯内部磁导率不均匀，从而输出信号的线性度不高。因此用霍尔元件的检测方式的新型结构能够更好更精确的得到输出信号，而采用密闭腔室的压力作为回复力可以有效提高传感器的线性度，从而可以满足工程需要。

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采用缠绕线圈方式来检测输出电压信号，其线圈的长度、面积和匝数均会影响输出电压的精确度、线性度和灵敏度的问题；以及在无微压作用时，由于实际工况的各种影响因素，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，使其在工程实际中无法得到有效地应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的一种霍尔检测方式的磁性液体微压传感器，包括压力平衡腔、壳体、第一永磁体、保持架、霍尔元件、霍尔元件安装架、第二永磁体、磁性液体、压力调节阀。

所述保持架为非导磁材料，保持架的左端和右端均为大小和形状相同的固定面，且具有一定厚度，中间的连接杆为拱形结构；所述第一永磁体为具有一定厚度的圆柱状且安装在保持架的左端面，所述第二永磁体为具有一定厚度的圆柱状且安装在保持架的右端面；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保持架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，同时依靠吸附在第一和第二永磁体上的磁性液体实现组件两端气体的密封，从而保证了传感器的正常工作，以及能够使得压力平衡腔内的压力与外部压力相等，从而提供移动部件回到零点位置的回复力。该保持架的拱形结构使得霍尔元件能够位于第一永磁体和第二永磁体中轴线位置，同时又可以防止霍尔元件安装架与保持架之间的刮蹭，从而避免影响保持架的运动。

所述霍尔元件安装架的材料为非导磁性材料，其上端为一法兰端面，下端为一个凸台，凸台长度大于霍尔元件的长度，且上端面加工有一个形状和尺寸与霍尔元件形状尺寸相同的沉孔，霍尔元件安装架的下端面与保持架拱形结构的上表面距离为0.5～2mm，优选1mm距离。所述霍尔元件装入霍尔元件安装架中，形成检测组件。

所述壳体为非导磁性材料，壳体中部上表面加工有一个形状和尺寸与霍尔元件安装架的凸台的形状尺寸相同的通孔，通孔左侧加工有一个法兰面，壳体的左端面距离法兰面的长度小于压力平衡腔的长度，然后先将移动部件装入壳体中，再将检测组件装入壳体的通孔中，形成壳体组件；霍尔元件安装架和壳体之间为固定连接，接触面安装有密封圈进行密封。

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，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，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。

所述第一永磁体和所述第二永磁体为同极相对，即，第一永磁体与保持架的连接端面为N极，第二永磁体与保持架的连接端面也为N极；保持架的左连接端面与第一永磁体端面直径之比为0.6～0.8，右连接端面与第二永磁体端面直径之比也为0.8，使得第一永磁体和第二永磁体能够稳定可靠地固定在保持架上；0.8的直径比有效防止了第一永磁体和第二永磁体之间磁铁斥力造成的倾覆作用，同时又使得保持架在运动过程中不会与壳体壁面之间刮蹭。所述霍尔元件的测量端面与第一永磁体和第二永磁体的端面平行，且霍尔元件距离第一永磁体的右端面的距离与霍尔元件距离第二永磁体的左端面的距离相等，使得在大气环境下，霍尔元件所在位置的磁场强度为零，也可以保证磁力线始终垂直穿过霍尔元件，进而保证了霍尔元件检测输出信号的精确度和线性度，使其在1000Pa以下的压力范围内有低于1％的线性度。

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，第一永磁体与第二永磁体以壳体中心为原点，即霍尔元件所在位置为中心，在大气环境下会产生一个轴对称的不均匀磁场，垂直穿过霍尔元件左、右方向的磁场强度在原点大小为零，并以原点为中心沿左、右方向逐渐增加，呈对称分布。但由于实际工况的各种影响因素，例如温度、压强等，都会导致移动部件无法处于壳体原点，即霍尔元件所在位置，从而无法保证在大气环境下壳体中心位置磁场强度为零，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(第二)永磁体靠近霍尔元件，从而穿过霍尔元件的磁场强度增加，进而通过霍尔元件检测出精确的输出电压信号。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)采用霍尔元件检测方式的传感器加强了磁场的检测精确度、灵敏度，增强了输出电压信号的精确度和线性度；(2)移动部件的结构使得在中心原点处形成一个强度为零，并向左、右两端逐渐增大的线性磁场，从而在有压力差的情况下，霍尔元件可以输出线性变化的电压值；(3)磁性液体使得移动部件两端气体被有效密封住，从而使得该传感器可以有效工作；(4)压力平衡腔内气体的压缩和膨胀提供了与移动部件位移呈正比的回复压力，从而使得传感器的线性度得到极大提高；(5)所述保持架的中间的连接杆为拱形结构，该结构保证了霍尔元件安装架不与连接杆发生刮蹭，而避免了影响移动部件在壳体中的正常移动；(6)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1一种霍尔检测方式的磁性液体微压传感器；

图1中：压力平衡腔1、壳体2、第一永磁体3、保持架4、霍尔元件5、霍尔元件安装架6、第二永磁体7、磁性液体8、压力调节阀9。

图2保持架4

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：

一种霍尔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、壳体2、第一永磁体3、保持架4、霍尔元件5、霍尔元件安装架6、第二永磁体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安装在保持架4的左端面，将第二永磁体7安装在保持架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7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保持架4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2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，将霍尔元件5装入霍尔元件安装架6中，该安装架的下端面与保持架4拱形结构的上表面距离为0.5～2mm，优选1mm，形成检测组件。

接着，壳体2中部上表面加工有一个形状和尺寸与霍尔元件安装架6的凸台的形状尺寸相同的通孔，通孔左侧加工有一个法兰面，使得壳体能通过该法兰面与压力平衡腔进行装配，壳体2的左端面距离法兰面的长度小于压力平衡腔1的长度。然后先将移动部件装入壳体2中，再将检测组件装入壳体2的通孔中，形成壳体组件；霍尔元件安装架6和壳体2之间为固定连接，接触面安装有密封圈进行密封，防止压力泄漏。

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2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。

第一永磁体3和第二永磁体7为同极相对，即，第一永磁体3与保持架4的连接端面为N(S)极，第二永磁体7与保持架4的连接端面也为N(S)极，保证有同名端永磁体提供回复力；保持架4的左连接端面与第一永磁体3端面半径之比为0.6～0.8，右连接端面与第二永磁体7端面半径之比也为0.6～0.8，使得第一永磁体3和第二永磁体7能够稳定可靠地固定在保持架上，而不再压力作用下产生倾覆，影响传感器的灵敏度和精确度；霍尔元件5的测量端面与第一永磁体3和第二永磁体7的端面平行，且霍尔元件5距离第一永磁体3的右端面的距离与霍尔元件5距离第二永磁体7的左端面的距离相等，使得在大气环境下，霍尔元件5所在位置的磁场强度最小，也可以保证磁力线垂直穿过霍尔元件，进而保证了霍尔元件5检测输出信号的精确度、线性度和灵敏度。第一永磁体3、第二永磁体7和保持架4左、右端面、霍尔元件5的测量端面保持平行。最后，整个霍尔检测方式的磁性液体微压传感器就装配完成，即可进行相关的实际应用测量。

在测量前，首先检查霍尔元件5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，直到霍尔元件5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2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，此时霍尔元件5检测到该位置的磁场强度并输出电压信号；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，此时霍尔元件5检测到该位置的磁场强度并输出电压信号。

压力平衡腔1、壳体2、保持架4和压力调节阀9的材料均为非导磁性材料。

Claims (6)

1.一种霍尔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)、壳体(2)、第一永磁体(3)、保持架(4)、霍尔元件(5)、霍尔元件安装架(6)、第二永磁体(7)、磁性液体(8)、压力调节阀(9)；将第一永磁体(3)安装在保持架(4)的左端面，将第二永磁体(7)安装在保持架(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(7)上，形成移动部件；将霍尔元件(5)装入霍尔元件安装架(6)中，形成检测组件；

所述壳体(2)中部加工有一通孔，先将移动部件装入壳体(2)中，再将检测组件装入壳体(2)的通孔中，形成壳体组件；霍尔元件安装架(6)和壳体(2)之间为固定连接，接触面安装有密封圈进行密封；

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(2)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(2)为非导磁性材料，壳体(2)中部上表面的通孔形状和尺寸与霍尔元件安装架(6)的凸台的形状和尺寸相同，法兰面位于通孔左侧，壳体(2)的左端面距离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所述的一种霍尔检测方式的磁性液体微压传感器，其特征在于：

所述保持架(4)为非导磁性材料，保持架(4)的左端和右端为大小和形状相同的固定面，中间的连接杆为拱形结构，该拱形结构的上表面与霍尔元件安装架(6)的下端面距离为0.5～2mm。

3.根据权利要求1所述的一种霍尔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(7)为同极相对，即，第一永磁体(3)与保持架(4)的连接面为N极，第二永磁体(7)与保持架(4)的连接面也为N极。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种霍尔检测方式的磁性液体微压传感器，其特征在于：

所述保持架(4)的左端固定面的半径与第一永磁体(3)的端面直径之比为0.6～0.8；保持架右端固定面的半径与第二永磁体(7)的端面直径之比为0.6～0.8。

5.根据权利要求1所述的一种霍尔检测方式的磁性液体微压传感器，其特征在于：

所述霍尔元件(5)的测量端面与第一永磁体(3)和第二永磁体(7)的端面平行，且霍尔元件(5)距离第一永磁体(3)的右端面的距离与霍尔元件(5)距离第二永磁体(7)的左端面的距离相等，使得在大气环境下，霍尔元件(5)所在位置的磁场强度最小，也可以保证磁力线垂直穿过霍尔元件(5)。

6.根据权利要求1或2或3或5所述的一种霍尔检测方式的磁性液体微压传感器，其特征在于：

所述霍尔元件安装架(6)的材料为非导磁性材料，其上端为一法兰端面，下端为一个凸台，凸台长度大于霍尔元件(5)的长度，且霍尔元件安装架(6)加工有一个形状和尺寸与霍尔元件(5)形状尺寸相同的沉孔。