CN105866471A - 一种新型内锥角磁性液体加速度传感器 - Google Patents

Abstract

一种新型内锥角磁性液体加速度传感器，属于加速度测量领域。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。该装置包括左部通气槽(1)、壳体(2)、左永磁体(3)、第一连接棒(4)、左线圈(5)、第一支撑永磁体(6)、中部通气槽(7)、第二连接棒(8)、第二支撑永磁体(9)、右线圈(10)、第三连接棒(11)、磁性液体(12)、右永磁体(13)和右部通气槽(14)。当有微小加速度产生时，吸附有磁性液体的质量块在壳体(2)内壁运动从而在感应线圈中产生感应电动势，依靠磁性液体与壳体内壁挤压产生的弹力为质量块提供回复力。

Description

一种新型内锥角磁性液体加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种新型内锥角磁性液体加速度传感器，适用于工程实际中加速度的测量。

背景技术

加速度传感器在交通工具、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。

现在最为常见的磁性液体加速度传感器，主要采用磁性液体的二阶浮力原理，如对比文献1(公开号CN 103344784A的申请专利)所述和对比文献2(公开号CN103149384A的申请专利)所述。

对比文献1(公开号为CN103344784A的申请专利)所述的加速度传感器，该传感器包括外壳体、内壳体、第一线圈、圆柱形永磁体、第二线圈和磁性液体等。该专利所述的传感器结构为一种典型的磁性液体加速度传感器，通过将圆柱形永磁体作为质量块，在非导磁壳内注满磁性液体，从而利用磁性液体的二阶浮力原理使得质量块悬浮在壳体中。当外界有加速度信号时，由于在质量块和壳体之间的磁性液体的粘性作用，使得质量块的运动与壳体之间产生位移差值，从而造成壳体内部磁性液体体积分布发生变化。由于磁性液体的相对磁导率大于空气，因此在壳体外部的两个线圈电感值发生变化，从而可以输 出信号。然而，该传感器通过在壳体内充满磁性液体使得永磁体能够稳定悬浮在壳体中，然而由于磁性液体的磁粘效应，当磁性液体充满壳体后，永磁体在壳体内部运动将非常缓慢，对加速度信号响应效果不好。其次，由于质量块为永磁体，壳体为普通圆柱桶状，因此质量块重量和回复力大小均不可调。再者，由于磁性液体的相对磁导率仅略大于空气，因此所产生的信号非常微弱，极其容易受到外界噪音干扰。因此在工程应用中不具有实用性。

对比文献2(公开号为CN104074903A的申请专利)所述的磁性液体加速度传感器，该传感器包括左端盖、壳体、第一线圈、第二线圈、圆柱形磁铁和右端盖等。该申请专利也是将永磁体作为质量块，在永磁体两端吸附少量磁性液体，利用磁性液体的二阶浮力原理使得永磁体悬浮，通过将壳体内壁加工成锥角状使得磁性液体产生弹性力，从而使得永磁体始终处于壳体的正中。同时，该结构也不需要将磁性液体充满整个壳体，从而避免了对比文献1的磁性液体充满后在永磁体两端的流动困难问题。然而当质量块运动时，整个质量块将发生偏斜，质量块底面与壳体锥角内壁发生刮蹭现象，导致输出信号线性度极差。此外，虽然通过在壳体内壁开槽保证腔室两侧气体的流通，然而由于该专利不能避免永磁体在运动过程中倾斜后与壳体的刮蹭问题，因此会导致永磁体倾斜后使得凹槽截面积减小，气体流通受阻从而降低永磁体与壳体之间的相对运动速度，对加速度信号不敏感。最后，由于该结构的锥角为中间直径大，两端小，对中性不高，且其壳体为左、右分瓣结构，注射磁性液体时极为不便，甚至导致永磁体 两端磁性液体分布量不均匀，从而造成在零加速度环境下永磁铁无法悬浮在壳体正中央。

因此急需对磁性液体加速度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

本发明所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缺陷造成线性度不好、对微小加速度不敏感等问题，使其无法在工程实际中得到应用，特提供一种新型磁性液体加速度传感器。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种新型磁性液体加速度传感器，该装置包括：左部通气槽、壳体、左永磁体、第一连接棒、左线圈、第一支撑永磁体、中部通气槽、第二连接棒、第二支撑永磁体、右线圈、第三连接棒、磁性液体、右永磁体和右部通气槽；将所述的左永磁体、第一连接棒、第一支撑永磁体、第二连接棒、第二支撑永磁体、第三连接棒和右永磁体依次固定连接，从而形成质量块，左永磁体、第一支撑永磁体、第二支撑永磁体、右永磁体上吸附有磁性液体，保证在磁性液体的二阶浮力作用下，质量块能够被磁性液体悬浮而不接触到壳体内壁。

所述壳体为壁厚均匀的管状结构，壳体的两端为锥形结构，锥角角度θ范围在0～25°选取，其中12°、15°和18°为优选值，壳体的中间部位为圆柱体；即壳体的左端内孔直径从左到右逐渐减小，壳体的右端内孔直径从右到左逐渐减小，壳体的两端锥形结构的最小直径大于中间部位的直径，壳体的材料为非导磁材料，优选非导磁的绝 缘材料，如POM或尼龙，以便防止产生电涡流造成信号干扰。

壳体采用上、下两瓣的分瓣结构组成，因此在安装时，可以将整个质量块先放入壳体的下半部分中，然后再所有永磁体上注入一定量的磁性液体，确保左永磁体和右永磁体上的磁性液体注入量相同，第一支撑永磁体和第二支撑永磁体上的磁性液体注入量相同。在注射完成后，整个质量块将自动悬浮在壳体中心，然后将壳体上半部分与下半部分固定连接，结合部位采用胶粘或者螺纹连接等固定连接方式。

所述第一连接棒、第二连接棒、第三连接棒的直径尺寸相同，第一连接棒、第三连接棒长度相同，材料都为非导磁材料，第二连接棒的材料为导磁材料。第一、第三连接棒优选非导磁的绝缘材料，如POM或尼龙，以便防止产生电涡流造成信号干扰。第二连接棒优选磁导率较大的材料，如电工纯铁。

左永磁体、第一连接棒、第一支撑永磁体、第二连接棒、第二支撑永磁体、第三连接棒、右永磁体的中心位于同一条水平线。

通过调整第一连接棒、第二连接棒、第三连接棒长度，保证该传感器在非工作状态的初始位置时，左永磁体右端面距壳体中部左端面的距离与右永磁体左端面距壳体中部右端面的距离相同。通过调整注入磁性液体的量保证该传感器在非工作状态的初始位置时，左永磁体上吸附的磁性液体与壳体内孔左端的凸台内壁接触，右永磁体上吸附的磁性液体与壳体内孔右端的凸台内壁接触，当质量块在壳体内运动时，左、右永磁体上吸附的磁性液体与外壳内孔凸台内壁以及带锥角的内孔壁接触挤压产生挤压力为质量块提供回复力。

所述左永磁体和右永磁体大小尺寸完全相同，为圆柱形；所述第一支撑永磁体和第二支撑永磁体大小尺寸完全相同，为圆柱形；左、右永磁体的直径大于第一、第二支撑永磁体的直径，且相邻永磁体之间的极性相反，即，左永磁体的右端面为N极，第一支撑永磁体的右端面为S极，第二支撑永磁体的右端面为N极，右永磁体的右端面为S极。由于第一和第二支撑永磁体的存在，使得当外界有加速度信号时，可以有效的防止现有技术(对比文献2所述装置)在运动过程中永磁体产生的倾斜问题，从而避免了永磁体与壳体的刮蹭问题。

所述左线圈和右线圈完全相同形成差分电路，所述第二连接棒在左线圈内的长度大于等于左线圈长度的0.5倍，所述第二连接棒在右线圈内的长度大于等于右线圈长度的0.5倍。由于线圈中间部位磁场最为均匀，因此线性度在该处达到最优值，因此所述第二连接棒在左线圈内的长度和第二连接棒在右线圈内的长度优选左、右线圈长度的0.5倍。

当无加速度产生时，第二连接棒位于左、右线圈内的长度相等，此时左、右线圈内的电感值相等，从而输出电压为零。

所述壳体的左端锥形结构内壁上加工有左部通气槽，其长度大于2倍的质量块移动范围，壳体的右端锥形结构内壁上加工有右部通气槽，其长度大于2倍的质量块移动范围，壳体的中部圆柱结构内壁上加工有中部通气槽，其长度和中部圆柱结构相同；所述左部通气槽、中部通气槽和右部通气槽互相连通，深度大于磁性液体覆盖在左永磁体、第一支撑永磁体、第二支撑永磁体和右永磁体上的厚度。通气槽 的长度和深度设计可以有效防止在地面工作和达到最大加速度时，质量块运动到无通气槽地带，使得腔室两端压力平衡被打破，从而无法回到中心位置。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：(1)该磁性液体加速度传感器体积小，成本低，依靠外壳自身的独特结构为质量块提供回复力而不需要外加永磁体来提供回复力，从而有利于减小该传感器的整体质量，满足轻量化要求；(2)由于第二连接棒采用磁导率较大的材料，使得该传感器灵敏度远高于以往加速度传感器；(3)该传感器由于采用了两块支撑永磁体，使其在工作过程中不会发生倾斜现象，因此极大的提高了线性度。

附图说明

图1一种新型内锥角磁性液体加速度传感器；

图1中：左部通气槽1、壳体2、左永磁体3、第一连接棒4、左线圈5、第一支撑永磁体6、中部通气槽7、第二连接棒8、第二支撑永磁体9、右线圈10、第三连接棒11、磁性液体12、右永磁体13和右部通气槽14。

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：

一种新型内锥角磁性液体加速度传感器，如图1，该加速度传感器包括：左部通气槽1、壳体2、左永磁体3、第一连接棒4、左线圈5、第一支撑永磁体6、中部通气槽7、第二连接棒8、第二支撑永磁体9、右线圈10、第三连接棒11、磁性液体12、右永磁体13和右部 通气槽14。

构成该装置的各部分之间的连接：

先将所述的左永磁体3、第一连接棒4、第一支撑永磁体6、第二连接棒8、第二支撑永磁体9、第三连接棒11和右永磁体13依次固定连接，从而形成质量块。

再将整个质量块放入壳体2的下半部分，然后在每个永磁体上注入磁性液体12，并且确保左永磁体3和右永磁体13上的磁性液体注入量相同，第一支撑永磁体6和第二支撑永磁体9上的磁性液体注入量相同。在注射完成后，整个质量块将自动悬浮在壳体中心，然后将壳体2的上半部分和下半部分固定连接，结合部位采用胶粘或者螺纹连接等固定连接方式。

壳体2的左右两端为封闭状态，可以用两个端盖与壳体2的两个端面固定连接。

在使用时，确保壳体轴线处于水平状态。

在没有加速度时，第二连接棒8在左线圈5和右线圈10内部的体积相同，因此两个线圈的输出电压差值为零。当有加速度时，由于磁性液体的粘性作用，整个质量块将和壳体2产生一定的位移差。此时，第二连接棒8在左线圈5和右线圈10内部的体积不相等，因此两个线圈的输出电压差值不为零，从而产生信号。当撤去加速度时，此时由于左永磁体3和右永磁体13上的磁性液体被壳体2的锥角结构压缩，因此回复力将使得质量块回到壳体2的中心平衡位置。

为了增强该传感器的灵敏度，磁性液体12应该选取粘度低的基 载液，如煤油和水。

Claims (6)

1.一种新型内锥角磁性液体加速度传感器，其特征在于：该装置包括：左部通气槽(1)、壳体(2)、左永磁体(3)、第一连接棒(4)、左线圈(5)、第一支撑永磁体(6)、中部通气槽(7)、第二连接棒(8)、第二支撑永磁体(9)、右线圈(10)、第三连接棒(11)、磁性液体(12)、右永磁体(13)和右部通气槽(14)；将所述的左永磁体(3)、第一连接棒(4)、第一支撑永磁体(6)、第二连接棒(8)、第二支撑永磁体(9)、第三连接棒(11)和右永磁体(13)依次固定连接，从而形成质量块，左永磁体(3)、第一支撑永磁体(6)、第二支撑永磁体(9)、右永磁体(13)上吸附有磁性液体(12)，保证在磁性液体的二阶浮力作用下，质量块能够被磁性液体(12)悬浮而不接触到壳体内壁。

2.根据权利要求1所述的一种新型内锥角磁性液体加速度传感器，其特征在于：

所述壳体(2)为壁厚均匀的管状结构，壳体(2)的两端为锥形结构，锥角角度θ范围在0～25°选取，壳体(2)的中间部位为圆柱体；即壳体(2)的左端内孔直径从左到右逐渐减小，壳体(2)的右端内孔直径从右到左逐渐减小，壳体(2)的两端锥形结构的最小直径大于中间部位的直径，壳体(2)的材料为非导磁材料，为便于安装，壳体(2)采用上、下两瓣的分瓣结构组成，结合部位采用固定连接方式。

3.根据权利要求1所述的一种新型内锥角磁性液体加速度传感器，其特征在于：

所述第一连接棒(4)、第二连接棒(8)、第三连接棒(11)的直径尺寸相同，第一连接棒(4)、第三连接棒长度相同(11)，材料都为非导磁材料，第二连接棒(8)的材料为导磁材料。

4.根据权利要求1所述的一种新型内锥角磁性液体加速度传感器，其特征在于：

所述左永磁体(3)和右永磁体(13)大小尺寸完全相同，为圆柱形；所述第一支撑永磁体(6)和第二支撑永磁体(9)大小尺寸完全相同，为圆柱形；左、右永磁体的直径大于第一、第二支撑永磁体的直径，且相邻永磁体之间的极性相反，即，左永磁体(3)的右端面为N极，第一支撑永磁体(6)的右端面为S极，第二支撑永磁体(9)的右端面为N极，右永磁体(13)的右端面为S极。

5.根据权利要求1或3所述的一种新型内锥角磁性液体加速度传感器，其特征在于：

所述左线圈(5)和右线圈(10)完全相同形成差分电路，所述第二连接棒(8)在左线圈(5)内的长度大于等于左线圈(5)长度的0.5倍，所述第二连接棒(8)在右线圈(10)内的长度大于等于右线圈(10)长度的0.5倍；当无加速度产生时，第二连接棒(8)位于左、右线圈内的长度相等。

6.根据权利要求1所述的一种新型内锥角磁性液体加速度传感器，其特征在于：

所述壳体(2)的左端锥形结构内壁上加工有左部通气槽(1)，其长度大于2倍的质量块移动范围，壳体(2)的右端锥形结构内壁上加工有右部通气槽(14)，其长度大于2倍的质量块移动范围，壳体(2)的中部圆柱结构内壁上加工有中部通气槽(7)，其长度和中部圆柱结构相同；所述左部通气槽(1)、中部通气槽(7)和右部通气槽(14)互相连通，深度大于磁性液体(12)覆盖在左永磁体(3)、第一支撑永磁体(6)、第二支撑永磁体(9)和右永磁体(13)上的厚度。