CN106643820A - 一种用矩形永磁体的内锥角磁性液体惯性传感器 - Google Patents

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张天奇
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Abstract

一种用矩形永磁体的内锥角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。该装置包括上壳体(1)、左永磁体(2)、保持架(3)、霍尔元件(4)、霍尔元件接线端(5)、通气槽(6)、右永磁体(7)、磁性液体(8)、通气腔(9)和下壳体(10)。当外界发生振动时，由左永磁体(2)、保持架(3)和右永磁体(7)所形成的活动块相对于上壳体(1)移动，霍尔元件(4)感应磁场的变化，并通过霍尔元件接线端(5)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

一种用矩形永磁体的内锥角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、申请号CN103675351A和申请号CN105137112A所述的专利。这些专利均采用磁性液体的二阶浮力原理，质量块为永磁体。申请号CN103149384A和申请号CN103675351A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。申请号CN105137112A所述专利则利用了电磁感应原理，通过永磁体的运动来切割导线，从而产生电流信号。虽然该专利的信号强度增强，但永磁体很容易触碰导线。同时，当永磁体运动速度增加时，导线内电流产生的磁场将阻碍永磁体的运动，因而无法反映真实信号。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，如线性度不高和信号弱等情况。特提供一种用矩形永磁体的内锥角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：
本发明的一种用矩形永磁体的内锥角磁性液体惯性传感器，包括：上壳体、左永磁体、保持架、霍尔元件、霍尔元件接线端、通气槽、右永磁体、磁性液体、通气腔和下壳体。将所述的左永磁体、保持架和右永磁体依次固定连接，从而形成活动块。左永磁体和右永磁体上吸附有磁性液体，确保在磁性液体的二阶浮力作用下，活动块能够被磁性液体悬浮而不接触到上壳体的内壁。将由左永磁体、保持架和右永磁体所形成的活动块装入上壳体中。将霍尔元件固定安装在上壳体的顶面且垂直于上壳体的顶面和底面，同时确保霍尔元件可以相对于活动块左右运动，不产生剐蹭。将霍尔元件接线端从上壳体的壁面穿出。将下壳体的上端面与上壳体的底面固定连接，并在连接部位进行密封从而形成通气腔。上壳体的顶面与下壳体的底面平行。
所述上壳体所述上壳体为长方体薄壁空心结构，在其顶面的内壁加工有倒梯形结构，该倒梯形结构的底角θ范围为5°≤θ≤90°。上壳体的底面加工有一个矩形的通气槽，通气槽的长度大于由左永磁体、保持架和右永磁体所形成的活动块长度。上壳体的材料为绝缘的非导磁材料。上壳体的倒梯形结构给左永磁体、保持架和右永磁体构成的活动块提供了一个定心力，使其在无外部振动的状态下能够稳定悬浮于上壳体正中心。
保持架为口字型的框架结构，材料为绝缘的非导磁性材料，优选尼龙、塑料或POM。保持架的内框宽度大于霍尔元件的宽度，从而不妨碍活动块的运动。
所述左永磁体和右永磁体大小尺寸完全相同，为长方体，且极性相反，即，左永磁体的右端面为S极，右永磁体的左端面也为S极。左永磁体的右端和右永磁体的左端面必须平行，从而在左、右永磁体的几何中心产生一个零磁场点，从该点往左右两侧，磁场强度逐渐增加。霍尔元件的安装位置必须确保其磁场检测部位处于由左永磁体和右永磁体之间所形成的零磁场处，使得无外界振动时，输出信号为初始值。
所述下壳体为一个矩形槽状的薄壁结构，其长和宽与上壳体的长和宽分别相等，材料为绝缘的导磁性材料。通气腔的容积必须大于磁性液体的体积，从而可以防止磁性液体部分失效后流入通气腔内造成堵塞。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：(1)利用霍尔元件可以获得较高的线性度，同时提供了极高的灵敏度；(2)上壳体顶部的倒梯形结构为传感器提供回复力，使其在静止情况下能够处于上壳体正中；(3)通过保持架将左永久磁体和右永久磁体隔开，产生了一个中心为零磁场，向左、右两侧逐渐增加的磁场，通过调整保持架的长度就可以控制传感器的灵敏度与线性度。
附图说明
图1一种用矩形永磁体的内锥角磁性液体惯性传感器主视图；
图2一种用矩形永磁体的内锥角磁性液体惯性传感器的三维图。
图1中：上壳体1、左永磁体2、保持架3、霍尔元件4、霍尔元件接线端5、通气槽6、右永磁体7、磁性液体8、通气腔9和下壳体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：
一种用矩形永磁体的内锥角磁性液体惯性传感器，如图1，该装置包括：上壳体1、左永磁体2、保持架3、霍尔元件4、霍尔元件接线端5、通气槽6、右永磁体7、磁性液体8、通气腔9和下壳体10。
先将所述的左永磁体2、保持架3和右永磁体7依次固定连接，从而形成活动块。然后将由左永磁体2、保持架3和右永磁体7所形成的活动块装入上壳体1中。将霍尔元件4固定安装在上壳体1的顶面且垂直于上壳体1的顶面和底面，同时确保霍尔元件4可以相对于活动块左右运动，不产生剐蹭。霍尔元件4的安装位置必须确保其磁场检测部位处于由左永磁体和右永磁体之间所形成的零磁场处，使得无外界振动时，输出信号为初始值。然后将霍尔元件接线端5从上壳体1的壁面穿出。在左永磁体2和右永磁体7上吸附有磁性液体8，确保在磁性液体8的二阶浮力作用下，活动块能够被磁性液体8悬浮而不接触到上壳体1的内壁。最后将下壳体10的上端面与上壳体1的底面固定连接，并在连接部位进行密封从而形成通气腔9。加工和安装时，确保上壳体1的顶面与下壳体10的底面平行。
安装完成之后，将直流电源和外部输出设备与霍尔元件接线端5分别相连接。
在静止状态时，由左永磁体2、保持架3和右永磁体7构成的活动块在上壳体1的倒梯形结构的影响下被束缚在上壳体1的正中，此时霍尔元件4中无磁通量，因此输出信号为初始值。当外界有振动时，活动块将随着上壳体1发生运动，由于磁性液体8的粘滞作用，活动块与上壳体1之间将产生速度差，从而在霍尔元件4中的磁通量产生变化，通过外部电路检测霍尔元件4中的电压值，从而输出信号。

Claims (5)

1.一种用矩形永磁体的内锥角磁性液体惯性传感器，其特征在于：该传感器包括：上壳体(1)、左永磁体(2)、保持架(3)、霍尔元件(4)、霍尔元件接线端(5)、通气槽(6)、右永磁体(7)、磁性液体(8)、通气腔(9)和下壳体(10)；将所述的左永磁体(2)、保持架(3)和右永磁体(7)依次固定连接，从而形成活动块；左永磁体(2)和右永磁体(7)上吸附有磁性液体(8)，确保在磁性液体(8)的二阶浮力作用下，活动块能够被磁性液体(8)悬浮而不接触到上壳体(1)的内壁；将由左永磁体(2)、保持架(3)和右永磁体(7)所形成的活动块装入上壳体(1)中；将霍尔元件(4)固定安装在上壳体(1)的顶面且垂直于上壳体(1)的顶面和底面，同时确保霍尔元件(4)可以相对于活动块左右运动，不产生剐蹭；将霍尔元件接线端(5)从上壳体(1)的壁面穿出；将下壳体(10)的上端面与上壳体(1)的底面固定连接，并在连接部位进行密封从而形成通气腔(9)；上壳体(1)的顶面与下壳体(10)的底面平行。
2.根据权利要求1所述的一种用矩形永磁体的内锥角磁性液体惯性传感器，其特征在于：
所述上壳体(1)为长方体薄壁空心结构，在其顶面的内壁加工有倒梯形结构，该倒梯形结构的底角θ范围为5°≤θ≤90°；上壳体(1)的底面加工有一个矩形的通气槽(6)，通气槽(6)的长度大于由左永磁体(2)、保持架(3)和右永磁体(7)所形成的活动块长度；上壳体(1)的材料为绝缘的非导磁材料。
3.根据权利要求1所述的一种用矩形永磁体的内锥角磁性液体惯性传感器，其特征在于：
保持架(3)为口字型的框架结构，材料为绝缘的非导磁性材料；保持架(3)的内框宽度大于霍尔元件(4)的宽度。
4.根据权利要求1所述的一种用矩形永磁体的内锥角磁性液体惯性传感器，其特征在于：
所述左永磁体(2)和右永磁体(7)大小尺寸完全相同，为长方体，且极性相反，即，左永磁体(2)的右端面为S极，右永磁体(7)的左端面也为S极；左永磁体(2)的右端和右永磁体(7)的左端面必须平行；霍尔元件(4)的安装位置必须确保其磁场检测部位处于由左永磁体(2)和右永磁体(7)之间所形成的零磁场处。
5.根据权利要求1所述的一种用矩形永磁体的内锥角磁性液体惯性传感器，其特征在于：
所述下壳体(10)为一个矩形槽状的薄壁结构，其长和宽与上壳体(1)的长和宽分别相等，材料为绝缘的导磁性材料；通气腔(9)的容积必须大于磁性液体(8)的体积。
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