CN105137112B - 一种单轴磁性液体惯性传感器 - Google Patents

Abstract

一种单轴磁性液体惯性传感器，属于机械工程测量领域。解决了现有磁性液体惯性传感器在工程实际中无法实际应用的问题。该装置包括壳体(1)、左感应片(2)、垫片(3)、第一永久磁体(4)、磁性液体(5)、右感应片(6)和第二永久磁体(7)。当外界发生振动时，第一永久磁体(4)和第二永久磁体(7)相对于壳体移动，左、右感应片以一定的速度切割磁感线，从而产生感应电动势，并通过感应片四个角的外接电路输出电压信号，速度和输出电压呈线性关系，线性度很好，灵敏度也高。

Description

一种单轴磁性液体惯性传感器

技术领域

本发明涉及机械工程测量领域。

背景技术

惯性传感器可以发展为速度传感器、加速度传感器、位移传感器和倾角传感器等，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惯性传感器的需求量不断增加。由于磁性液体惯性传感器对惯性力的敏感度较高，则具有结构简单、体积小、无机械损耗和寿命长等优点。然而现有磁性液体惯性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。这两个专利均利用了永磁体在壳体内部移动，使得线圈内的电感值不同，从而检测到输出信号。然而，由于永磁体的相对磁导率非常小，导致信号不强，外部噪声对传感器的干扰非常严重，同时线性度不高。因此，必须对现有磁性液体惯性传感器的结构进行重新设计，使其能够在实际中得到应用。

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，如线性度不高和信号弱等情况。特提供一种单轴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：

本发明的一种磁性液体速度传感器，包括壳体、左感应片、垫片、第一永久磁体、磁性液体、右感应片和第二永久磁体。

将四个垫片的上表面与第一永久磁体下表面固定连接，使得四个垫片对称分布在第一永久磁体下表面的四个棱角位置，将第二永久磁体的上表面与四个垫片的下表面固定连接，通过四个垫片将第一永久磁体和第二永久磁体隔开后形成一个空隙从而构成移动组件。所述第一永久磁体和第二永久磁体大小、形状完全相同，为长方体，相邻的两个面极性相反，即第一永久磁体的下表面为N极，第二永久磁体的上表面为S极。通过这种方式，使得在第一永久磁体和第二永久磁体之间形成一个均匀磁场。为了防止移动组件在垂直于左、右感应片的方向上有位移信号，必须确保第一永久磁体和第二永久磁体距离壳体前、后两个壁面的距离小于5mm，优选1～3mm。而距离壳体左、右两个壁面的距离无特殊要求。

将左感应片的右端面和右感应片的左端面固定连接，从而使得左感应片和右感应片的表面平齐，从而形成检测组件。所述左感应片和右感应片大小形状完全相同，为导电性能良好的非导磁性薄片结构，由两个角架和一个横梁构成，形状为“凹”字形，表面涂有绝缘漆或者用绝缘材料包裹；所述左感应片和右感应片固定连接后形状呈“H”型，左、右感应片的四个脚架末端分别与外部电路相连接。将检测组件插入移动组件的空隙中，然后将移动组件和检测组件一同装入壳体中，将检测组件的左端与壳体的左侧面固定连接，将检测组件的右端与壳体的右侧面固定连接；在第一永久磁体的上表面和第二永久磁体的下表面分别注射磁性液体，使得移动组件悬浮在壳体中。左、右感应片的材料优选铜、金、银或者铝，其厚度不应太薄，否则热损耗太大，通常大于0.5mm，同时也不应太厚，否则使得第一永久磁体和第二永久磁体之间的空隙过大，从而无法提供均匀磁场，使得信号线性度不强，因此通常选择小于1.5mm。左感应片和右感应片也可以分隔开，从而不形成“H”型，即，分别将一端独立安装在壳体上，而另一端悬空。但是由于感应片自身重力的影响，会产生一定的挠度，使其发生弯曲，从而容易与第一永久磁体或第二永久磁体发生刮蹭，影响测量精度。因此，优选将左感应片和右感应片固定连接并形成“H”型。根据感应电动势，E＝d(BS)/dt＝Blv(B第一永久磁体和第二永久磁体之间的磁感应强度，S为左感应片或者右感应片在磁场中的面积，l为左感应片或右感应片的宽度，v为第一永久磁体和第二永久磁体的运动速度)，当外界有振动时，左、有感应片与第一永久磁体和第二永久磁体之间产生相对速度，从而会在壳体左、右壁面的输出端产生电动势E1和E2，通过检测E1和E2的大小便可以检测到速度信号，而左、右感应片固定连接后为“H”型则可以确保输出电压信号与速度信号之间的线性关系。由于对速度进行积分，则可以得到位移的信号，对速度进行微分则可以得到加速度信号，因此该惯性传感器可以对速度、位移和加速度信号进行检测。

所述壳体顶部为一个V形结构，V形夹角的大小为60～175度，底部为一个矩形槽，在矩形槽的左侧壁面加工有两个通孔，将左感应片的两个脚架末端穿入矩形槽左侧壁面的两个通孔中，在矩形槽的右侧壁面加工有两个通孔，将右感应片的两个脚架末端穿入矩形槽右侧壁面的两个通孔中，壳体的材料为绝缘性能良好的非导磁性材料。所述垫片为绝缘性能良好的非导磁性材料，厚度大于左感应片和右感应片的厚度。壳体的V形结构给由垫片、第一永久磁体和第二永久磁体构成的移动组件提供了一个定心力，使其在无外部振动的状态下能够稳定悬浮于壳体正中心。为防止短路或者信号干扰，磁性液体、壳体和垫片必须具有绝缘性能，因此，要求磁性液体的基载液必须具有绝缘性能，而且磁性颗粒也必须为氧化铁结构，而为了防止对第一永久磁体和第二永久磁体的磁场产生干扰，壳体和垫片还必须为非磁性材料。由于第一永久磁体和第二永久磁体依靠磁性液体的二阶悬浮力进行悬浮，因此在安装前应该测试移动组件的悬浮高度，再进行加工壳体侧壁面的孔，确保左、右感应片能够安放在第一永久磁体和第二永久磁体之间的空隙中，并且不发生刮蹭。壳体侧壁面的孔不仅为了固定左、右感应片，同时还提供了左、右感应片与外界电路的连接通道。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：(1)利用感应电动势的原理，通过磁通量在感应片之间的变化，从而检测到速度信号，从而使传感器具有极其高的线性度，此外，由于输出信号取决于感应片速度，因此使得传感器在静止状态下输出信号始终为零，不存在零点残余电压；(2)壳体顶部的V形夹角为传感器提供回复力，使其在静止情况下能够处于壳体正中；(3)通过垫片将第一永久磁体和第二永久磁体隔开，产生了一个均匀磁场，将左、右感应片安装在该间隙内检测信号，极大的提高了传感器的线性度。

附图说明

图1一种单轴磁性液体惯性传感器；

图2左感应片或右感应片的三维图；

图3一种单轴磁性液体惯性传感器三维图。

图1中：壳体1、左感应片2、垫片3、第一永久磁体4、磁性液体5、右感应片6和第二永久磁体7。

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：

一种单轴磁性液体惯性传感器，如图1，该传感器包括：壳体1、左感应片2、垫片3、第一永久磁体4、磁性液体5、右感应片6和第二永久磁体7。

将四个垫片3的上表面与第一永久磁体4下表面固定连接，使得四个垫片3对称分布在第一永久磁体4下表面的四个棱角位置，将第二永久磁体7的上表面与四个垫片3的下表面固定连接，通过四个垫片3使得第一永久磁体4和第二永久磁体7隔开后形成一个空隙从而构成移动组件。

将左感应片2的右端面和右感应片6的左端面固定连接，从而使得左感应片2和右感应片6的表面平齐，从而形成检测组件。

将检测组件插入移动组件的空隙中，然后将移动组件和检测组件一同装入壳体1中，将检测组件的左端与壳体1的左侧面固定连接，即将左感应片2的两个脚架插入壳体1左壁面的孔c和d中，将检测组件的右端与壳体1的右侧面固定连接，即将右感应片6的两个脚架插入壳体1右壁面的孔a和b中；在第一永久磁体4的上表面和第二永久磁体7的下表面分别注射磁性液体5，使得移动组件悬浮在壳体1中。

安装完成之后，将外部电路接入侧壁面的孔a、b、c和d中，分别与左感应片2和右感应片6的末端连接。

在静止状态时，由第一永久磁体4和第二永久磁体7构成的移动组件在壳体V形角的影响下被束缚在壳体1的正中，此时由于在左、右感应片中无磁通量的变化，因此输出信号为零。当外界有振动时，感应组件将随着壳体1发生运动，由于磁性液体5的粘滞作用，感应组件与移动组件之间将产生速度差，从而在左、右感应片中的磁通量产生变化，通过外部电路检测左、右感应片中的电压值，从而输出信号。

Claims (5)

1.一种单轴磁性液体惯性传感器，其特征在于：该传感器包括：壳体(1)、左感应片(2)、垫片(3)、第一永久磁体(4)、磁性液体(5)、右感应片(6)和第二永久磁体(7)；

将四个垫片(3)的上表面与第一永久磁体(4)下表面固定连接，使得四个垫片(3)对称分布在第一永久磁体(4)下表面的四个棱角位置，将第二永久磁体(7)的上表面与四个垫片(3)的下表面固定连接，通过四个垫片(3)使得第一永久磁体(4)和第二永久磁体(7)隔开后形成一个空隙从而构成移动组件；

将左感应片(2)的右端面和右感应片(6)的左端面固定连接，从而使得左感应片(2)和右感应片(6)的表面平齐，从而形成检测组件；

将检测组件插入移动组件的空隙中，然后将移动组件和检测组件一同装入壳体(1)中，将检测组件的左端与壳体(1)的左侧面固定连接，将检测组件的右端与壳体(1)的右侧面固定连接；在第一永久磁体(4)的上表面和第二永久磁体(7)的下表面分别注射磁性液体(5)，使得移动组件悬浮在壳体(1)中。

2.根据权利要求1所述的一种单轴磁性液体惯性传感器，其特征在于：

所述左感应片(2)和右感应片(6)大小形状完全相同，为导电性能良好的非导磁性薄片结构，由两个角架和一个横梁构成，形状为“凹”字形，表面涂有绝缘漆或者用绝缘材料包裹；所述左感应片(2)和右感应片(6)固定连接后形状呈“H”型，左、右感应片的四个脚架末端分别与外部电路相连接。

3.根据权利要求1所述的一种单轴磁性液体惯性传感器，其特征在于：

所述壳体(1)顶部为一个V形结构，V形夹角的大小为60～175度，底部为一个矩形槽，在矩形槽的左侧壁面加工有两个通孔，将左感应片的两个脚架末端穿入矩形槽左侧壁面的两个通孔中，在矩形槽的右侧壁面加工有两个通孔，将右感应片的两个脚架末端穿入矩形槽右侧壁面的两个通孔中，壳体(1)的材料为绝缘性能良好的非导磁性材料。

4.根据权利要求1所述的一种单轴磁性液体惯性传感器，其特征在于：

所述第一永久磁体(4)和第二永久磁体(7)大小、形状完全相同，为长方体，相邻的两个面极性相反，即第一永久磁体(4)的下表面为N极，第二永久磁体(7)的上表面为S极。

5.根据权利要求1所述的一种单轴磁性液体惯性传感器，其特征在于：

所述垫片(3)为绝缘性能良好的非导磁性材料，厚度大于左感应片(2)和右感应片(6)的厚度。