CN109738051B - 一种磁流变液自适应超声传感器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁流变液应用技术领域，公开了一种磁流变液自适应超声传感器及检测方法，所述磁流变液自适应超声传感器设置有：金属导体，所述金属导体上分别缠绕有匝数相同的第一线圈与第二线圈，两线圈构成Helmhotz线圈，将缠绕Helmhotz线圈的金属导体放置于已知方向的磁场中，导体内部充满磁流变液，Helmhotz线圈产生超声由超声波发生器产生。本发明超声波垂直于磁流变液表面与外加磁场方向一致，由外加超声波产生的压强为P_ω。

Description

一种磁流变液自适应超声传感器及检测方法

技术领域

本发明属于磁流变液应用技术领域，尤其涉及一种磁流变液自适应超声传感器及检测方法。

背景技术

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，主要采用超声波探头发射和接收超声波。利用压电晶体的谐振的压电式超声波发生器主要由两个压电晶片和一个共振板组成。当它的两极外加脉冲信号其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片发生共振，同时带动共振板振动，从而产生超声波。而如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号即为超声波接收器。

目前，业内常用的现有技术是这样的：磁流变液是一种新型功能材料，磁流变液是由直径为纳米量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒、基载液(也叫媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。当外加磁场强度为零的时候，磁流变液表现为低粘度的牛顿流体；而一旦施加一定的磁场强度后，磁流变液能够瞬间从牛顿流体变为高粘度、低流动性的非牛顿流体。而且这种从牛顿流体到非牛顿流体的转变是瞬间(毫秒级别)、可逆的，同时，产生磁流变液效应的电压相对较低。磁流变液的这种特性被称为磁流变液效应。

磁流变液这种特有的磁流变效应使其具有很高的学术研究价值，同时，磁流变液现已广泛应用于各种苛刻条件的磁性流体密封、减震、医疗器械、声音调节、光显示、磁流变液选矿、汽车减振器等领域。

综上所述，现有技术存在的问题是：

利用超声波特性研制的超声波传感器测量中，现有的超声波传感器测量过程中的频率都相对固定，不能随着外界环境的变化而变化，缺乏一定的自适应能力；

超声波传感器所需的驱动电压比较高，在实际应用中需要采用脉冲变压器进行升压，从而增加了成本及操作安全性的隐患；

超声波传感器的灵敏度较低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种磁流变液自适应超声传感器及检测方法。针对现有超声波传感器的自适应能力、操作安全性及灵敏度的问题，结合磁流变液的响应速度快、及所需工作电压相对较低的特性。本发明提出一种利用磁流变液效应原理的磁流变液自适应超声传感器。将磁流变液这种根据外界磁场变化的自适应过程，作为超声传感器的输入信号。根据外界环境变化产生的不同磁流变液效应来进行超声测量。

本发明是这样实现的，一种磁流变液自适应超声传感器的检测方法，所述磁流变液自适应超声传感器的检测方法包括：

导体内部充满的磁流变液，根据磁流变液效应，当外界磁场强度为零时(即线圈中的电流为零)，磁流变液为流体状态；随着线圈中电流的增大，磁流变液中的磁场增强，悬浮于磁流变液内部的磁性颗粒沿着磁场方向排列成链状，呈半固体甚至固体状态；

利用磁流变液在外加磁场不同时，相变程度不同，将磁流变液随着外加磁场变化而产生的磁流变效应的强弱作为超声传感器的获得的压强大小信号P_ω，为所测得的超声信号。

进一步，利用磁流变液随着外加磁场强度的不同其磁流变效应强弱不同，磁流变液的上升高度不同；通过推导得到线圈中的磁场变化与电压的关系，所述电压做为所检测的超声强度信号，磁场变化与电压的关系为：

具体包括：

两线圈串联后为Helmhotz线圈，外加交流电磁场强度

电流

R₀为线圈电阻，L₀为线圈电感，u为线圈磁导率；

由于电圈中电阻R₀远远小于电感，R₀＜＜ωL₀，则：

磁通量变化：Δφ＝B·ΔS，输出电压为：

进一步，所述磁流变液自适应超声传感器的检测方法进一步包括：

磁流变液在外加磁场作用下，假设是内部磁场均匀的椭圆形，椭圆形长半轴为R₁，短半轴为R₂，磁流变液高度为h，短轴半径为R处的压力平衡方程为：

式中：M＝M(H)为流体磁化强度；u₀为真空磁导率；R为椭球的曲率；

则：

若(h/R)＞＞1，则：

椭球体积

从而，

即：

进一步，所述磁流变液自适应超声传感器的检测方法进一步包括：

假设：

则有：

则：

进一步，根据上升高度，得到上升部分导致的面积变化为ΔS，则

a，b分别为椭球长半轴和短半轴；

进一步，所述磁流变液自适应超声传感器的检测方法进一步包括：两线圈串联后为Helmhotz线圈，外加交流电磁场强度

电流

R₀为线圈电阻，L₀为线圈电感，u为线圈磁导率；

由于电圈中电阻R₀远远小于电感，R₀＜＜ωL₀，则：

磁通量变化：Δφ＝B·ΔS，输出电压为：

本发明的另一目的在于提供一种磁流变液自适应超声传感器，所述磁流变液自适应超声传感器设置有：金属导体；

所述金属导体上分别缠绕有匝数相同的第一线圈与第二线圈，两线圈构成Helmhotz线圈，将缠绕Helmhotz线圈的金属导体放置于已知方向的磁场中，导体内部充满磁流变液，Helmhotz线圈产生的超声由超声波发生器产生。

进一步，所述导体内部充满有磁性液体、磁流体或磁流变液弹性体具有自适应能力的材料。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述磁流变液自适应超声传感器制备的医疗器械超声传感器。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述磁流变液自适应超声传感器制备的声音调节超声传感器。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述磁流变液自适应超声传感器制备的光显示超声传感器。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述磁流变液自适应超声传感器制备的磁流变液选矿超声传感器。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

针对在外加磁场作用下，磁流变液沿着磁场方向的表面开始不稳定，表现在沿磁场方向的高度变高；

本发明超声波垂直于磁流变液表面与外加磁场方向一致，由外加超声波产生的压强为P_ω。解决了上述技术问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的磁流变液自适应超声传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的磁流变液在磁场方向的高度示意图。

图中：1、金属导体；2、第一线圈；3、第二线圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

利用超声波特性研制的超声波传感器测量中，现有的超声波传感器测量过程中的频率都相对固定，不能随着外界环境的变化而变化，缺乏一定的自适应能力；

超声波传感器所需的驱动电压比较高，在实际应用中需要采用脉冲变压器进行升压，从而增加了成本及操作安全性的隐患；

超声波传感器的灵敏度较低。

为解决上述问题，下面结合附图对本发明的应用原理做详细描述。

如图1-图2所示，本发明实施例提供的磁流变液自适应超声传感器包括：金属导体1、第一线圈2、第二线圈3。金属导体1上分别缠绕有匝数相同的第一线圈2与第二线圈3，两线圈构成Helmhotz线圈，将缠绕Helmhotz线圈的金属导体1放置于已知方向的磁场中，导体内部充满磁流变液，Helmhotz线圈产生超声由超声波发生器产生。

在本发明实施例中，本发明提供的磁流变液自适应超声传感器的检测方法为：

导体内部充满的磁流变液，根据磁流变液效应，当外界磁场强度为零时(即线圈中的电流为零)，磁流变液为流体状态；随着线圈中电流的增大，磁流变液中的磁场增强，悬浮于磁流变液内部的磁性颗粒沿着磁场方向排列成链状，呈半固体甚至固体状态；

利用磁流变液在外加磁场不同时，相变程度不同，将磁流变液随着外加磁场变化而产生的磁流变效应的强弱作为超声传感器的获得的压强大小信号P_ω，为所测得的超声信号。

本发明实施例提供的磁流变液在外加磁场作用下假设是内部磁场均匀的椭圆形，椭圆形长半轴为R₁，短半轴为R₂，磁流变液高度为h，短轴半径为R处的压力平衡方程为：

式中：M＝M(H)为流体磁化强度；u₀为真空磁导率；R为椭球的曲率；

则：

若(h/R)＞＞1，则：

椭球体积

从而，

即：

本发明实施例提供的假设：

则有：

则：

本发明实施例提供的根据上升高度，得到上升部分导致的面积变化为ΔS，则

a，b分别为椭球长半轴和短半轴；

本发明实施例提供的两线圈串联后为Helmhotz线圈，外加交流电磁场强度

电流

R₀为线圈电阻，L₀为线圈电感，u为线圈磁导率；

由于电圈中电阻R₀远远小于电感，R₀＜＜ωL₀，则：

磁通量变化：Δφ＝B·ΔS，输出电压为：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种磁流变液自适应超声传感器的检测方法，其特征在于，所述磁流变液自适应超声传感器的检测方法包括：

导体内部充满的磁流变液，根据磁流变液效应，当外界磁场强度为零时，磁流变液为流体状态；随着线圈中电流的增大，磁流变液中的磁场增强，悬浮于磁流变液内部的磁性颗粒沿着磁场方向排列成链状，呈半固体甚至固体状态；

利用磁流变液在外加磁场不同时，相变程度不同，将磁流变液随着外加磁场变化而产生的磁流变效应的强弱作为超声传感器的获得的压强大小信号P_ω，为所测得的超声信号；

利用磁流变液随着外加磁场强度的不同其磁流变效应强弱不同，磁流变液的上升高度不同；通过推导得到线圈中的磁场变化与电压的关系，所述电压做为所检测的超声强度信号；

具体包括：

两线圈串联后为Helmhotz线圈，外加交流电磁场强度

电流

R₀为线圈电阻，L₀为线圈电感，u为线圈磁导率；

由于电圈中电阻R₀远远小于电感，R₀＜＜ωL₀，则：

磁通量变化：Δφ＝B·ΔS，输出电压为：

ΔU₂输出电压的变化，Δφ磁通变化，t时间，N线圈匝数，r₀线圈半径，h磁流变液上升高度，r磁流变液椭球半径。

2.如权利要求1所述磁流变液自适应超声传感器的检测方法，其特征在于，所述磁流变液自适应超声传感器的检测方法进一步包括：

磁流变液在外加磁场作用下，假设是内部磁场均匀的椭圆形，椭圆形长半轴为R₁，短半轴为R₂，磁流变液高度为h，短轴半径为R处的压力平衡方程为：

式中：M＝M(H)为流体磁化强度；u₀为真空磁导率；σ为磁流变液表面张力系数；

则：

R为椭球的曲率；若(h/R)＞＞1，则：

椭球体积

从而，

即：

所述磁流变液自适应超声传感器的检测方法进一步包括：

假设：

则有：

则：

3.如权利要求2所述磁流变液自适应超声传感器的检测方法，其特征在于，根据上升高度，得到上升部分导致的面积变化为ΔS，则

a′，b′分别为椭球长半轴和短半轴。

Images