CN110187002B - 一种非电定量感磁装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非电定量感磁装置，包括旋转动力系统、锥转速控制系统、椎板流变系统和封装外壳；旋转动力系统包括发条盒、发条、传动轴和发条手柄，锥转速控制系统包括机械擒纵装置、传动齿轮、棘轮和用来增大转速的两级行星齿轮装置，两级行星齿轮装置和发条传动连接，传动齿轮和两级行星齿轮装置传动连接，椎板流变系统包括主转轴、全包板、全包板转轴、双面锥和磁性液体，全包板转轴上设有扭力弹簧，全包板转轴的下端和封装外壳转动连接，磁性液体填充在双面锥与全包板之间的空隙内，全包板的下端的边缘设有表盘指针，封装外壳内设有刻度板。本发明采用全机械构造，整个测量过程无需提供任何的强或者弱电。

Description

一种非电定量感磁装置
技术领域
本发明涉及感磁装置技术领域，具体涉及一种非电定量感磁装置。
背景技术
目前大部分定量感磁仪器的原理是基于霍尔效应、磁阻效应、电磁感应、安培力等，无一例外都使用了电，工作时都离不开电，在某些无电或者禁电领域将不在适用。本发明提出了一种基于磁性液体磁黏效应探测磁场的装置。
所谓磁黏效应是指磁性液体在磁场中随磁场大小的变化其流变参量黏度也随之变化的效应。ShliomisSoviet Physics JETP 34(1972)1291-1294最早提出了小体积分数磁性液体的磁黏效应的理论，McTagueJ.Chem.Phys 51(1969)12-19实验验证符合的很好。OdenbachMagnetoviscous Effects in Ferrofluids,2002,Springer研究了椎板体系下，深入探讨了大体积分数磁性液体的磁致微观结构与宏观黏度的关联。虽然大体积分数磁性液体的磁黏效应目前的定量化还存在不完善的地方，但是磁性液体磁黏效应却在磁性液体减阻、密封、力学传感器等方面均有涉及李德才，《磁性液体密封理论及应用》，2010年，科学出版社。
磁性液体黏度随磁场的变化呈现非线性特征，黏度随磁场的增加趋于饱和，这种非线性以及饱和特征非常适合小磁场和大磁场兼顾测量。在温度一定的条件下，磁性液体的黏度与磁场是单值函数关系，机械表盘标度。对于永磁体，如配以阻力矩永磁体在均匀磁场中稳定的转角范围为90°～180°，并且永磁体的磁力矩与磁场和转角大小均有关，不便机械表盘标度。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种非电定量感磁装置，采用全机械构造，整个测量过程无需提供任何的强或者弱电。
本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种非电定量感磁装置，包括旋转动力系统、锥转速控制系统、椎板流变系统和封装外壳；所述旋转动力系统包括发条盒、发条、传动轴和发条手柄，所述发条盒设置在所述封装外壳内，所述发条设置在所述发条盒内，所述发条设置在所述发条盒内，所述发条上设有发条手柄和传动轴，所述锥转速控制系统包括机械擒纵装置、传动齿轮、棘轮和用来增大转速的两级行星齿轮装置，所述两级行星齿轮装置和所述发条传动连接，所述传动齿轮和所述两级行星齿轮装置传动连接，所述机械擒纵装置控制传动齿轮以间歇式转速转动，所述棘轮设置在所述两级行星齿轮装置与椎板流变系统之间，所述椎板流变系统包括主转轴、全包板、全包板转轴、双面锥和磁性液体，所述全包板转轴设置在全包板转轴的下端，所述全包板转轴上设有扭力弹簧，所述全包板转轴的下端和封装外壳转动连接，所述主转轴一端伸入到全包板内与设置在所述全包板内的双面锥连接，所述磁性液体填充在所述双面锥与全包板之间的空隙内，所述全包板的下端的边缘设有表盘指针，所述封装外壳内设有刻度板。
优选的，所述机械擒纵装置包括肋板、游丝轮、擒纵爪、擒纵齿轮和擒纵爪固定轴，所述肋板设置在所述发条盒的侧边，所述游丝轮、擒纵爪固定轴和擒纵齿轮依次设置在所述肋板上，所述擒纵爪的中部和所述擒纵爪固定轴铰接，所述擒纵爪的一端和所述游丝轮抵触，另一端和所述擒纵齿轮抵触，所述擒纵齿轮和所述传动齿轮啮合传动。
优选的，所述两级行星齿轮装置包括壳体、隔板、输入齿轮、传动齿轮和两个行星齿轮组，所述输入齿轮和所述传动齿轮啮合传动，所述壳体的内壁上设有外齿圈，所述隔板设置在所述壳体内部并且将壳体分为上下两个腔体，所述两个行星齿轮组分设在所述壳体的上下两个腔体内，所述行星齿轮组包括一个太阳轮和三个行星轮，所述太阳轮转动设置在所述壳体的中央，三个所述行星轮均布在所述壳体内且均与所述外齿圈和太阳轮啮合传动。
优选的，所述封装外壳的下端设有调拨杆，所述扭力弹簧的下端设有卡位，所述调拨杆的一端伸入到封装外壳内和所述卡位连接。
优选的，所述封装外壳的外表面设有用磁针装置。
优选的，所述主转轴和全包板接触的位置设有永磁体阵列。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、采用全机械构造，整个测量过程无需提供任何的强或者弱电，用于无电或禁电定量感磁领域，特别适合航天领域某些抗电干扰方面；
2、由于椎板流变装置的受磁面宽，对磁场的空间梯度不敏感；由于存在机械惯性，对磁场的大小波动不敏感；体型小，手动储能；适合野外考察等对磁场定量精度要求不高的场合，操作简单，读数稳定。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的主视图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明的两级行星齿轮装置主视图；
图4是本发明的两级行星齿轮装置俯视图；
图5是本发明的椎板流变系统示意图；
图6是本发明的机械擒纵装置示意图
图7是本发明的棘轮机构示意图；
附图标注：1、封装外壳，2、全包板，3、卡位，4、调拨杆，5、扭力弹簧，6、双面锥，7、表盘指针，8、磁针装置，9、刻度板，10、发条手柄，11、发条盒，12、壳体，13、肋板，14、擒纵齿轮，15、行星轮，16、太阳轮，17、隔板，18、外齿圈，19、全包板转轴，20、磁性液体，21、永磁体阵列，22、主转轴，23、传动齿轮，24、棘轮机构，25、擒纵爪固定轴，26、擒纵爪，27、游丝轮。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明的具体实施例如图1至图6所示，一种非电定量感磁装置，包括旋转动力系统、锥转速控制系统、椎板流变系统和封装外壳1；所述旋转动力系统包括发条盒11、发条、传动轴和发条手柄10，所述发条盒11设置在所述封装外壳1内，所述发条设置在所述发条盒11内，所述发条设置在所述发条盒11内，所述发条上设有发条手柄10，所述锥转速控制系统包括机械擒纵装置、传动齿轮23、棘轮机构24和用来增大转速的两级行星齿轮装置，所述两级行星齿轮装置和所述发条传动连接，所述传动齿轮23和所述两级行星齿轮装置传动连接，所述机械擒纵装置控制传动齿轮23以间歇式转速转动，所述棘轮机构24设置在所述两级行星齿轮装置与椎板流变系统之间，所述椎板流变系统包括主转轴22、全包板2、全包板转轴19、双面锥6和磁性液体20，所述全包板转轴19设置在全包板的下端，所述全包板转轴19上设有扭力弹簧5，所述全包板转轴19的下端和封装外壳1转动连接，所述主转轴22一端伸入到全包板2内与设置在所述全包板2内的双面锥6连接，所述磁性液体20填充在所述双面锥6与全包板2之间的空隙内，所述全包板2的下端的边缘设有表盘指针7，所述封装外壳1内设有刻度板9。
所述机械擒纵装置包括肋板13、游丝轮27、擒纵爪26、擒纵齿轮14和擒纵爪固定轴25，所述肋板13设置在所述发条盒11的侧边，所述游丝轮27、擒纵爪固定轴25和擒纵齿轮14依次设置在所述肋板13上，所述擒纵爪26的中部和所述擒纵爪固定轴25铰接，所述擒纵爪26的一端和所述游丝轮27抵触，另一端和所述擒纵齿轮14抵触，所述擒纵齿轮14和所述传动齿轮23啮合传动。机械擒纵装置的游丝轮产生特定频率的回复旋转运动，擒纵爪由其固定轴分为游丝轮端和擒纵齿轮端，控制擒纵齿轮按照特定频率间歇式转动。擒纵齿轮通过传动齿轮带动输入齿轮。
所述两级行星齿轮装置包括壳体12、隔板17、输入齿轮、传动齿轮23和两个行星齿轮组，所述输入齿轮和所述传动齿轮23啮合传动，所述壳体12的内壁上设有外齿圈18，所述隔板17设置在所述壳体12内部并且将壳体12分为上下两个腔体，所述两个行星齿轮组分设在所述壳体12的上下两个腔体内，所述行星齿轮组包括一个太阳轮16和三个行星轮15，所述太阳轮16转动设置在所述壳体12的中央，三个所述行星轮15均布在所述壳体12内且均与所述外齿圈18和太阳轮16啮合传动。
所述封装外壳1的下端设有调拨杆4，所述扭力弹簧5的下端设有卡位3，所述调拨杆4的一端伸入到封装外壳1内和所述卡位3连接。扭力弹簧上设置卡位，由调拨杆改变扭力弹簧上卡位的位置，改变了扭力弹簧阻力臂的臂长，从而改变扭力弹簧同一转角的扭矩。
所述封装外壳1的外表面设有用磁针装置8。用于确定磁场的方向。
所述主转轴22和全包板2接触的位置设有永磁体阵列21，用于对全包板内磁性液体的密封；由于永磁体阵列很微小，以及永磁体磁场方向与测量的外磁场方向是垂直的，所以对外磁场测量的影响可以忽略。
发条手柄手动旋动，促使发条盒中的发条卷曲储备机械势能，带动输入齿轮转动。通过机械擒纵装置控制传动齿轮以间歇式转速转动，传动齿轮控制两级行星齿轮装置的输入齿轮转动，为此，两级行星齿轮装置放大转速，通过棘轮机构调控后，带动椎板流变系统近似匀速转动。
太阳轮通过棘轮机构带动整个椎板流变系统的双面锥转动，双面锥与全包板之间空间由基液不挥发磁性液体填充满。由于磁性液体的磁黏效应，双面锥的转动带动全包板产生转动趋势；全包板的转矩与扭力弹簧的扭矩平衡时，表盘指针达到转动稳定，此时的表盘指针的转角配合表盘的刻度，即可读出磁场大小。
表盘刻度采用实验标定的方式。在室温下，将装置的椎板流变系统的旋转面垂直磁场放置在均匀磁场中。在小磁场区域每隔0.005T的磁场标定旋转刻度，在大磁场区域每隔0.01T标定旋转刻度。表盘刻度格满足以下陈述的磁性液体磁黏效应的规律。在温度变化不大的情况下，保持温度间隔相同，通过温度修正装置，保持标定一直，列出不同温度下的调拨杆位置表。
装置的构件除了磁性液体、用于密封的永磁体列阵以及密封处与永磁体宽度相当的双面锥的轴部分为磁性材料外，其它构件均使用铝、铜、塑料、橡胶等非磁性材料。
本发明所述的一种非电定量感磁装置基于以下原理：
磁性液体是磁性纳米纳米颗粒分散于一定基液中的稳定胶体体系。磁性液体可以看成是液固两相流。若磁性固体颗粒的体积占整个磁性液体体积很小的一部分，即固体颗粒的体积分数φ<0.05，则磁性液体无磁场情况下，黏度系数η0可以使用Einstein黏度公式进行估算：
Figure BDA0002081875580000051
其中ηl为基液的黏度。磁性纳米颗粒在均匀磁场中会发生旋转，从而增大磁性液体的黏度，可以根据Shliomis公式计算在磁场中磁性液体黏度：
Figure BDA0002081875580000052
式中
Figure BDA0002081875580000053
μ0为真空磁导率，m为纳米磁性颗粒的最大磁矩，H为磁场强度，kB为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。虽然Shliomis公式仅适用于低的体积分数，但根据Odenbach等人和我们的研究结果表明，高体积分数磁性液体具有类Shliomis黏滞行为，表现为磁场的单值递增函数关系。由于磁性液体中磁性颗粒在磁场中微观结构的复杂性，目前只报道了理想情况下的磁性液体黏度与磁场函数关系的解析式，但可以确定的是，磁性液体黏度为磁场的单值递增函数关系，并且随磁场增加是趋于饱和的，由以下两式表达：
η＝η(α)，当α→∞，η＝常量
η(α+Δα)＞η(α)，且Δα＞0
椎板流变系统在锥恒定的转速下由于磁性液体的黏滞性会对板产生恒定的力矩，在锥板夹角足够小的条件下(约为1°到3°)，单面锥板流变系统中对板产生的力矩：
Figure BDA0002081875580000054
其中M0为单面锥由于磁性液体的黏滞性对平板所产生的力矩，β为锥板夹角，R为锥板半径，ω为锥转动的角速度。本发明所述的锥板流变系统由双面锥板组成，产生的力矩为上式的两倍，即
M＝2M0∝η
本发明所述的装置中，锥板流变系统的中锥轴由磁性液体密封(李德才，磁性液体密封理论及应用，2010，科学出版社)，锥轴恒定转动会对板产生微小的恒定的附加力矩M′，附加磁矩可以通过表盘刻度标定修正。综合上式可知，修正附加磁矩之后，锥板流变系统产生的力矩与磁性液体黏度成正比。锥板流变系统的参数(包括磁性液体)在封装好后，在除磁场之外的参数都设定为常量，则由胡克定律，扭力弹簧所转过的角度与力矩的大小成正比，故
Δθ∝M∝η(H)
转角Δθ与磁场强度H成单调增函数关系，因此可由转角直接反应出磁场强度。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。

Claims (6)

1.一种非电定量感磁装置，其特征在于：包括旋转动力系统、锥转速控制系统、椎板流变系统和封装外壳(1)；所述旋转动力系统包括发条盒(11)、发条、传动轴和发条手柄(10)，所述发条盒(11)设置在所述封装外壳(1)内，所述发条设置在所述发条盒(11)内，所述发条设置在所述发条盒(11)内，所述发条上设有发条手柄(10)，所述锥转速控制系统包括机械擒纵装置、传动齿轮(23)、棘轮机构(24)和用来增大转速的两级行星齿轮装置，所述两级行星齿轮装置和所述发条传动连接，所述传动齿轮(23)和所述两级行星齿轮装置传动连接，所述机械擒纵装置控制传动齿轮(23)以间歇式转速转动，所述棘轮机构(24)设置在所述两级行星齿轮装置与椎板流变系统之间，所述椎板流变系统包括主转轴(22)、全包板(2)、全包板转轴(19)、双面锥(6)和磁性液体(20)，所述全包板转轴(19)设置在全包板的下端，所述全包板转轴(19)上设有扭力弹簧(5)，所述全包板转轴(19)的下端和封装外壳(1)转动连接，所述主转轴(22)一端伸入到全包板(2)内与设置在所述全包板(2)内的双面锥(6)连接，所述磁性液体(20)填充在所述双面锥(6)与全包板(2)之间的空隙内，所述全包板(2)的下端的边缘设有表盘指针(7)，所述封装外壳(1)内设有刻度板(9)。
2.根据权利要求1所述的一种非电定量感磁装置，其特征在于：所述机械擒纵装置包括肋板(13)、游丝轮(27)、擒纵爪(26)、擒纵齿轮(14)和擒纵爪固定轴(25)，所述肋板(13)设置在所述发条盒(11)的侧边，所述游丝轮(27)、擒纵爪固定轴(25)和擒纵齿轮(14)依次设置在所述肋板(13)上，所述擒纵爪(26)的中部和所述擒纵爪固定轴(25)铰接，所述擒纵爪(26)的一端和所述游丝轮(27)抵触，另一端和所述擒纵齿轮(14)抵触，所述擒纵齿轮(14)和所述传动齿轮(23)啮合传动。
3.根据权利要求2所述的一种非电定量感磁装置，其特征在于：所述两级行星齿轮装置包括壳体(12)、隔板(17)、输入齿轮、传动齿轮(23)和两个行星齿轮组，所述输入齿轮和所述传动齿轮(23)啮合传动，所述壳体(12)的内壁上设有外齿圈(18)，所述隔板(17)设置在所述壳体(12)内部并且将壳体(12)分为上下两个腔体，所述两个行星齿轮组分设在所述壳体(12)的上下两个腔体内，所述行星齿轮组包括一个太阳轮(16)和三个行星轮(15)，所述太阳轮(16)转动设置在所述壳体(12)的中央，三个所述行星轮(15)均布在所述壳体(12)内且均与所述外齿圈(18)和太阳轮(16)啮合传动。
4.根据权利要求1所述的一种非电定量感磁装置，其特征在于：所述封装外壳(1)的下端设有调拨杆(4)，所述扭力弹簧(5)的下端设有卡位(3)，所述调拨杆(4)的一端伸入到封装外壳(1)内和所述卡位(3)连接。
5.根据权利要求1所述的一种非电定量感磁装置，其特征在于：所述封装外壳(1)的外表面设有用磁针装置(8)。
6.根据权利要求1所述的一种非电定量感磁装置，其特征在于：所述主转轴(22)和全包板(2)接触的位置设有永磁体阵列(21)。
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