CN113268889A - 一种力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法及系统，包括：根据选定的磁性颗粒材料，对磁性颗粒进行综合力学分析，获取磁性颗粒的动态磁场受力模型；其中，综合力学分析包括：受到磁场磁力、磁化的磁性颗粒之间的磁力、重力、竖直方向粘性阻力和水平方向的粘性阻力；根据基液中加入固化剂后的粘度变化参数，构建磁性颗粒的动态粘性阻力模型；根据所述动态磁场受力模型和所述动态粘性阻力模型构建所述力敏传感单元的磁致链化动态力学模型；本发明为磁致链化精确控制提供可靠数据支撑。

Description

一种力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法及系统

技术领域

本发明涉及传感器制造及应用领域，尤其涉及一种力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法及系统。

背景技术

磁致力敏传感单元是一种信号转换元件，当敏感单元在受到压力时产生形变，变形会导致电阻变化，通过电阻的变化可以反解出压力的大小，从而达到力敏感知的作用。力敏传感单元广泛存在于各种力觉传感部件中。

目前国内磁致力敏传感单元的核心技术缺乏，创新能力弱，在高精度、高敏感度和高可靠性方面与欧美等国家还有着巨大差距，缺乏对新原理、新敏感单元和新材料力敏传感单元的研发和产业化能力；传统的磁致力敏传感单元灵敏度差，压阻线性度差、磁链完整度差等问题，制约了磁致力敏传感单元在传感器行业的应用和发展。

发明内容

鉴于以上现有技术存在的问题，本发明提出一种力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法及系统，主要解决现有的方法不能精确有效解释磁致链化过程，导致无法对磁致链化过程进行准确控制，成链效果差的问题。

为了实现上述目的及其他目的，本发明采用的技术方案如下。

一种力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法，包括：

根据选定的磁性颗粒材料，对磁性颗粒进行综合力学分析，获取磁性颗粒的动态磁场受力模型；其中，综合力学分析包括：受到磁场磁力、磁化的磁性颗粒之间的磁力、重力、竖直方向粘性阻力和水平方向的粘性阻力；

根据基液中加入固化剂后的粘度变化参数，构建磁性颗粒的动态粘性阻力模型；

根据所述动态磁场受力模型和所述动态粘性阻力模型构建所述力敏传感单元的磁致链化动态力学模型。

可选地，所述动态磁场受力模型表示为：

F＝2πRnIB₂

其中，R为磁性颗粒半径，nI为多个分子环形面电流，B₂为磁场发射器中磁场大小在水平方向上的磁场分量。

可选地，多个分子环形面电流表示为：

其中，n为环形面电流个数，I_m为单个分子环形面电流，I_m表示为：

其中，v1为电子速度，l为电子运动轨道周长，e为单位电荷，t为单位时间。

可选地，所述磁场发射器中磁场与电流的对应关系表示为：

B(i)＝a₁*exp(-((i-b₁)/c₁)²)+a₂*exp(-((i-b₂)/c₂)²)+a₃*exp(-((i-b₃)/c₃)²)

其中，a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂、a₃、b₃、c₃为常系数。

可选地，所述磁性颗粒的动态粘性阻力模型表示为：

F₂＝6πRημ

其中，R为磁性颗粒半径，η为有效粘度，μ为磁性颗粒运动方向，与运动方向相反。

可选地，对在基液中加入固化剂后得到的悬浮液有效粘度值进行修正，修正后的有效粘度值表示为：

其中，η₀为硅橡胶和硅油混合后液体的初始粘度；A为修正系数；

为磁性颗粒总体积与悬浮液总体积之比N；a、b与镍粉颗粒的形状有关，当颗粒似球体时，取a＝b＝R。

可选地，加入固化剂后的有效粘度变化规律表示为：

η₀(t)＝a₄*exp(-((t-b₄)/c₄)²)+a₅*exp(-((t-b₅)/c₅)²)

其中，a₄、b₄、c₄、a₅、b₅、c₅为常系数。

可选地，所述力敏传感单元的磁致链化动态力学模型表示为：

F＝F₁+F₂＝2πRIB-6πRη₀μ

其中，F₁表示磁性颗粒所受磁力，F₂表示水平方向磁性颗粒所受粘性阻力，F表示水平方向磁性颗粒所受合力，R为磁性颗粒半径；I为磁性颗粒中的环形电流；B外加磁场大小；η₀为悬浮液的有效粘度；μ为磁性颗粒运动速度，与运动方向相反。

一种力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建系统，包括：

动态磁场受力模型构建模块，用于根据选定的磁性颗粒材料，对磁性颗粒进行综合力学分析，获取磁性颗粒的动态磁场受力模型；其中，综合力学分析包括：受到磁场磁力、磁化的磁性颗粒之间的磁力、重力、竖直方向粘性阻力和水平方向的粘性阻力；

动态粘性阻力模型构建模块，用于根据基液中加入固化剂后的粘度变化参数，构建磁性颗粒的动态粘性阻力模型；

磁致链化动态力学模型构建模块，用于根据所述动态磁场受力模型和所述动态粘性阻力模型构建所述力敏传感单元的磁致链化动态力学模型。

如上所述，本发明一种力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法及系统，具有以下有益效果。

磁性颗粒进行综合受力分析，磁性颗粒在磁场中的受力模型推导，力敏传感单元基液在加入固化剂后的粘度变化数学模型，粘度引起的粘度阻力数学模型；力敏传感单元磁致链化动态力学模型的构建，磁致链化动态力学模型的应用使得力敏传感单元中的磁链完整度提高，进而提高压阻灵敏度、压阻曲线线性度。

附图说明

图1为本发明一实施例中力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法的流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，本发明提供一种力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法，包括步骤S01-S03。

在步骤S01中，根据选定的磁性颗粒材料，对磁性颗粒进行综合力学分析，获取磁性颗粒的动态磁场受力模型；其中，综合力学分析包括：受到磁场磁力、磁化的磁性颗粒之间的磁力、重力、竖直方向粘性阻力和水平方向的粘性阻力

在一实施例中，磁性颗粒的选择，磁性颗粒磁化原理分析：

磁性颗粒综合力学分析，主要包括受到外磁场磁力、磁化的磁性颗粒之间的磁力、重力、竖直方向粘性阻力和水平方向的粘性阻力，经过一系列的转变磁性颗粒受力可表示为；

F＝F₁+F₂＝2πRIB-6πRη₀μ

式中F₁表示磁性颗粒所受磁力，F₂表示水平方向磁性颗粒所受粘性阻力，F表示水平方向磁性颗粒水平方向所受合力，R：磁性颗粒半径；I：磁性颗粒中的环形电流；B：外加磁场大小；η₀：有效粘度；μ：磁性颗粒运动速度，与运动方向相反。

磁性颗粒所受磁力主要由磁性颗粒大小、环形面电流、形状及外磁场大小有关，构建磁性颗粒的动态磁力学模型可表示为；

F＝2πRnIB₂

R：跟磁性颗粒半径相关，nI：分子环形面电流，B：磁场发射器中磁场大小，与磁场发射器中电流有关。

在一实施例中，环形面电流可表示为：

式中V₁：电子速度，l：电子运动轨道周长，e：单位电荷，t：单位时间；

在一实施例中，多个分子环形面电流可以表示为：

式中n表示环形面电流个数；

在一实施例中，外加磁场可以表示为

B₂＝Bcosα

B：磁场发射器中磁场大小，与磁场发射器中电流有关，B₂：是B在在水平方向上磁场的有效分量。

在一实施例中，磁场发射器中电流和磁场对应关系可表示为：

B(i)＝a₁*exp(-((i-b₁)/c₁)²)+a₂*exp(-((i-b₂)/c₂)²)+a₃*exp(-((i-b₃)/c₃)²)

其中，a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂、a₃、b₃、c₃为常系数；i：磁场发生器中电流大小，电流的变化规律和速率可以通过函数来进行调节；

在一实施例中，把磁性颗粒环形分子面电流、磁场发生器与电流关系式带入到磁性颗粒的动态磁力学模型中，磁性颗粒所受磁力可表示为

首先确定磁性颗粒的种类有助于了解磁性颗粒特性，根据磁性颗粒特性进行磁化原理分析，再对磁性颗粒进行综合受力分析，磁性颗粒在磁场中的受力模型推导，力敏传感单元基液在加入固化剂后的粘度变化数学模型，粘度引起的粘度阻力数学模型；力敏传感单元磁致链化动态力学模型的构建，磁致链化动态力学模型的应用使得力敏传感单元中的磁链完整度提高，进而提高压阻灵敏度、压阻曲线线性度。

在步骤S02中，根据基液中加入固化剂后的粘度变化参数，构建磁性颗粒的动态粘性阻力模型。

在一实施例中，磁性颗粒在悬浮液中的粘性阻力主要由磁性颗粒形状和大小、磁性颗粒运动速度、硅橡胶基液的粘度变化规律所决定，磁性颗粒的动态粘性阻力学模型可以用斯托克斯方程表示为

F₂＝6πRημ

在一实施例中，悬浮液不同于纯液体，它主要由镍粉颗粒和硅橡胶组成，所以悬浮液的有效粘度值η需要对应的修正公式进行计算，有效粘度值η可以表示为：

其中，η₀：硅橡胶和硅油混合后液体的初始粘度粘度；A：修正系数取2.5；

磁性颗粒总体积与悬浮液总体积之比；N：一个与体积相关系数；a、b：跟镍粉颗粒的形状有关，当颗粒似球体时，取a＝b＝R。

在一实施例中，粘度变化主要和固化剂含量和环境温度有关，用数字粘度计测量数据得到每个时刻的粘度值，把测得的粘度和时间值输入到MATLAB中，可以得到粘度变化函数，粘度变化规律可以表示为，

η₀(t)＝a₄*exp(-((t-b₄)/c₄)²)+a₅*exp(-((t-b₅)/c₅)²)

其中，a₄、b₄、c₄、a₅、b₅、c₅是效粘度方程系数。

在一实施例中，把有效粘度变化函数带入到斯托克一方程中可以得到磁性颗粒在悬浮液总的粘度阻力，

首先对斯托克斯公式进行分析，把粘度进行拓展，掌握粘度变化规律，把磁性颗粒的运动看成直线运动的蠕虫运动，这样可以把速度近似看成匀速直线运动，这样能够比较系统的还原磁性颗粒在悬浮液中所受到的阻力；有利于力敏传感单元磁致链化动态力学模型的构建，磁致链化动态力学模型的应用使得力敏传感单元中的磁链完整度提高，进而提高压阻灵敏度、压阻曲线线性度。

在步骤S03中，根据所述动态磁场受力模型和所述动态粘性阻力模型构建所述力敏传感单元的磁致链化动态力学模型。

在一实施例中，用磁力学方程和粘性阻力方程就可以表示磁性颗粒在悬浮液中的磁致链化动态力学模型，可以表示为：

根据磁致链化动态力学模型在敏感单元磁致链化阶段进行磁场控制可以提高力敏传感单元中导电磁链的完整度，进而提高敏感单元的传感特性；

在一实施例中，可对力敏传感单元磁致链化动态力学模型进行实验验证；对力敏传感单元磁致链化动态力学模型进行有效性验证，保证模型的准确性。

在一实施例中，对磁致压阻敏感单元传感特性进行测量分析；验证利用力敏传感单元磁致链化动态力学模型磁化形成的敏感单元传感特性是否得到提高。

本实施例中还提供了一种力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建系统，用于执行前述方法实施例中所述的力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法。由于系统实施例的技术原理与前述方法实施例的技术原理相似，因而不再对同样的技术细节做重复性赘述。

在一实施例中，力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建系统，包括：

动态磁场受力模型构建模块，用于根据选定的磁性颗粒材料，对磁性颗粒进行综合力学分析，获取磁性颗粒的动态磁场受力模型；其中，综合力学分析包括：受到磁场磁力、磁化的磁性颗粒之间的磁力、重力、竖直方向粘性阻力和水平方向的粘性阻力；

动态粘性阻力模型构建模块，用于根据基液中加入固化剂后的粘度变化参数，构建磁性颗粒的动态粘性阻力模型；

磁致链化动态力学模型构建模块，用于根据所述动态磁场受力模型和所述动态粘性阻力模型构建所述力敏传感单元的磁致链化动态力学模型。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法，其特征在于，包括：

根据选定的磁性颗粒材料，对磁性颗粒进行综合力学分析，获取磁性颗粒的动态磁场受力模型；其中，综合力学分析包括：受到磁场磁力、磁化的磁性颗粒之间的磁力、重力、竖直方向粘性阻力和水平方向的粘性阻力；

根据基液中加入固化剂后的粘度变化参数，构建磁性颗粒的动态粘性阻力模型；

根据所述动态磁场受力模型和所述动态粘性阻力模型构建所述力敏传感单元的磁致链化动态力学模型。

2.根据权利要求1所述的力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法，其特征在于，所述动态磁场受力模型表示为：

F＝2πRnIB₂

其中，R为磁性颗粒半径，nI为多个分子环形面电流，B₂为磁场发射器中磁场大小在水平方向上的磁场分量。

3.根据权利要求2所述的力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法，其特征在于，多个分子环形面电流表示为：

其中，n为环形面电流个数，I_m为单个分子环形面电流，I_m表示为：

其中，v1为电子速度，l为电子运动轨道周长，e为单位电荷，t为单位时间。

4.根据权利要求2所述的力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法，其特征在于，所述磁场发射器中磁场与电流的对应关系表示为：

B(i)＝a₁*exp(-((i-b₁)/c₁)²)+a₂*exp(-((i-b₂)/c₂)²)+a₃*exp(-((i-b₃)/c₃)²)

其中，a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂、a₃、b₃、c₃为常系数。

5.根据权利要求1所述的力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法，其特征在于，所述磁性颗粒的动态粘性阻力模型表示为：

F₂＝6πRημ

其中，R为磁性颗粒半径，η为有效粘度，μ为磁性颗粒运动方向，与运动方向相反。

6.根据权利要求1所述的力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法，其特征在于，对在基液中加入固化剂后得到的悬浮液有效粘度值进行修正，修正后的有效粘度值表示为：

其中，η₀为硅橡胶和硅油混合后液体的初始粘度；A为修正系数；

为磁性颗粒总体积与悬浮液总体积之比N；a、b与镍粉颗粒的形状有关，当颗粒似球体时，取a＝b＝R。

7.根据权利要求1所述的力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法，其特征在于，加入固化剂后的有效粘度变化规律表示为：

η₀(t)＝a₄*exp(-((t-b₄)/c₄)²)+a₅*exp(-((t-b₅)/c₅)²)

其中，a₄、b₄、c₄、a₅、b₅、c₅为常系数。

8.根据权利要求1所述的力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建方法，其特征在于，所述力敏传感单元的磁致链化动态力学模型表示为：

F＝F₁+F₂＝2πRIB-6πRη₀μ

其中，F₁表示磁性颗粒所受磁力，F₂表示水平方向磁性颗粒所受粘性阻力，F表示水平方向磁性颗粒所受合力，R为磁性颗粒半径；I为磁性颗粒中的环形电流；B外加磁场大小；η₀为悬浮液的有效粘度；μ为磁性颗粒运动速度，与运动方向相反。

9.一种力敏传感单元磁致链化动态力学模型构建系统，其特征在于，包括：

动态磁场受力模型构建模块，用于根据选定的磁性颗粒材料，对磁性颗粒进行综合力学分析，获取磁性颗粒的动态磁场受力模型；其中，综合力学分析包括：受到磁场磁力、磁化的磁性颗粒之间的磁力、重力、竖直方向粘性阻力和水平方向的粘性阻力；

动态粘性阻力模型构建模块，用于根据基液中加入固化剂后的粘度变化参数，构建磁性颗粒的动态粘性阻力模型；

磁致链化动态力学模型构建模块，用于根据所述动态磁场受力模型和所述动态粘性阻力模型构建所述力敏传感单元的磁致链化动态力学模型。

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