CN113359944A - 一种力敏传感单元磁致链化实时成链控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种力敏传感单元磁致链化实时成链控制装置和方法，包括：粘度检测模块，用于通过旋转阻力矩检测待测液体的粘度；磁场发生模块，用于为待测液体提供外加磁场；主控模块，用于构建待测液体中磁性颗粒的动态磁致力学模型，并根据粘度检测数据结合所述动态磁致力学模型，调节磁场发生模块输出磁场强度，控制所述待测液体中磁性颗粒磁致成链；本发明可提高磁致成链的控制精度以及成链效果。

Description

一种力敏传感单元磁致链化实时成链控制装置和方法

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实时成链控制装置和方法。

背景技术

粘度计主要作用是测量液体或胶体的粘度，磁场发生器主要用于磁场控制。目前国内力敏传感单元磁致链化装置发展缓慢，磁场发生器产生静态磁场，不能实时随粘度变化进行磁场大小动态控制；传统的磁致链化装置中粘度测量装置和磁场发生器实分开，使用过程中用已知粘度与磁场关系的经验值进行调整磁场调节，制备的敏感单元存在灵敏度差、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。

上述传统方法不能反应成链过程粘度变化与外加磁场大小的关系，主要通过经验设置磁场大小，导致成链效果不佳。

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实时成链控制装置和方法，主要解决现有磁致成链缺乏实时精确的动态控制，成链效果不佳的问题。

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实时成链控制装置，包括：

粘度检测模块，用于通过旋转阻力矩检测待测液体的粘度；

磁场发生模块，用于为待测液体提供外加磁场；

主控模块，用于构建待测液体中磁性颗粒的动态磁致力学模型，并根据粘度检测数据结合所述动态磁致力学模型，调节磁场发生模块输出磁场强度，控制所述待测液体中磁性颗粒磁致成链。

可选地，所述粘度检测模块包括转子，将所述转子浸入所述待测液体中，控制所述转子转动，获取所述转子的旋转阻力矩。

可选地，所述旋转阻力距表示为：

其中，η为所述待测液体粘度，S为所述转子旋转面面积，r为所述转子转转面半径，v为所述转子的转速，ω为所述转子的旋转角速度。

可选地，所述粘度检测模块包括温度传感器，通过所述温度传感器检测的环境温度对所述粘度检测模块的转子进行调速。

可选地，构建待测液体中磁性颗粒的动态磁致力学模型，包括：

确定磁性颗粒的环形面电流，根据所述环形面电流和外加磁场，获取磁性颗粒的动态磁致力学模型力学模型。

可选地，所述磁场发生模块包括一组平行且连通的共轴线圈，线圈内的电流大小和方向相同，且线圈之间的距离等于线圈半径。

可选地，确定所述磁性颗粒的环形面电流，包括：

将单个磁性颗粒分子看作球状颗粒，并将单个磁性颗粒切分为n个截面薄片，对所述n个截面薄片的环形面电流求和，得到对应磁性颗粒的环形面电流。

可选地，多个磁性颗粒的环形面电流表示为：

其中，N为单位体积分子个数，A为磁性颗粒中心截面积，I_m为每个分子电流大小，ds为磁性颗粒截面圆向里r圆周上单位距离。

可选地，所述磁性颗粒的动态磁致力学模型力学模型表示为：

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：待测液体的有效粘度；μ：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实时成链控制方法，包括：

通过浸入待测液体的检测模块的检测端对应的旋转阻力矩检测待测液体的粘度；

构建待测液体中磁性颗粒的动态磁致力学模型，并根据粘度检测数据结合所述动态磁致力学模型，调节外加磁场强度，控制所述待测液体中磁性颗粒磁致成链。

如上所述，本发明一种力敏传感单元磁致链化实时成链控制装置和方法，具有以下有益效果。

力敏传感单元的磁致链化过程中，通过对胶体状敏感单元的粘度实时检测，再根据粘度计实时测得的粘度数据进行调整磁化外磁场大小使磁性颗粒磁化构成最佳磁链。

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实时成链控制装置的结构示意图。

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实时成链控制装置，包括：磁致成链控制装置主要分三个模块：粘度检测模块01、磁场发生模块03和主控模块02；

粘度检测模块01的检测原理为：通过把转子伸入到待测液体中，旋转转子把阻力转换成阻力矩。旋转阻力矩可表示为：

进一步，通过旋转力矩模型可以反解出粘度，粘度模型可以简化表示为：

考虑到转子两端的阻力需要把(1-3)变成(1-4)，把

简化，可以得到：

θ≈kθ(1-4)

根据磁性颗粒的种类、混入悬浮液中的比例，进行实时检测粘度。在一实施例中，粘度检测模块01包括粘度仪和温度传感器，采用粘度仪可以准确检测出悬浮液的粘度。温度传感器能够根据环境温度进行无极调速，消除了普通粘度仪检测过程中换转子所带来的检测操作误差。

在一实施例中，磁场发生模块03主要作用是通过电流大小控制磁场大小，通过磁场大小控制磁性颗粒磁致成链；磁场发生模块03可选用EMS61000-8K工频磁场发生器是针对工频磁场抗扰度试验的特点和要求而专门设计的高可靠性工频磁场发生器。该磁场发生器采用亥姆霍兹线圈是一对彼此平行且连通的共轴圆形(方形)线圈，两线圈内的电流方向一致，大小相同。线圈之间距离d正好等于圆形线圈的半径R时，这种圆形载流线圈称为Helmhohz线圈。这种线圈的特点是能在其公共轴线中点附近产生较广的均匀磁场，电流与磁场有很好的线性关系。具有性能稳定、操作简易等优点。该磁场发生器能够为磁性颗粒磁化提供一个准确、理想的磁化依据。

磁力大小模型推导：

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致力学模型可表示为；

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。

进一步，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；

环形面电流受力可以看成多个分子电流在均匀磁场中的受力。外场可以分解成B₁，B₂两个分量，B₁使分子受力相互抵消对外显示合力为零，B₂使分子受力方向和外场方向相反。所以在环形面电流受力过程研究中只考虑B₂所引起的受力，可以用微分表示，进一步，环形面电流：

dI＝I_mNAdscosθ

I_m:每个分子电流的大小；N：单位体积的分子数；A：组成环形面电流的截面面积；θ：分子磁矩与截面外圆切角；ds：镍粉(即磁性颗粒)截面圆向里r圆周上单位ds距离；S：镍粉截面圆向里r圆周周长；I_mA：分子磁矩的大小；I_mNA：磁化强度大小。

I_mNA为磁化强度可用M代表，当θ极小的时候，上述面电流可以化简为：

dI＝Mdscosθ＝Mds

积分以后：

进一步，把羟基镍粉颗粒理想化成一个球形颗粒，一个镍粉颗粒可以离散简化成n个环形面电流在磁场中受力。可以求得N、A：

镍粉颗粒被分成n(假设

为偶数)份薄片时，在x轴的取点为n个点，每个点在薄片中间，可以表示成2倍n/2个点，因为镍粉颗粒的对称性，只表示n/2个点，最后算电流时乘以2倍即可：

X1＝r，X2＝3r，......Xn/2＝(n-1)r。

R’：在x轴上不同x值对应变化的y的值减去分子半径；

R′＝y-r

取组成环形面电流的截面大小为分子截面积：

A＝πr²

单子分子分子体积：

组成环形面电流分子中心处周长：

组成环形面电流最外延体积：

一个环形面电流的分子个数：

Xn取值X1＝r，X2＝3r……Xn/2＝(n-1)r。

A：羟基镍粉中心截面积；V：分子体积；L：镍粉截面圆向里r距离圆的周长；N：单位体积分子个数。

进一步，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；

进一步：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。

进一步，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；

进一步，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

根据磁性颗粒的种类，正确解释了磁性颗粒再磁场中的受力，通过该模型为磁性颗粒进准控制提供成链动力。

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

进一步，悬浮液不同于纯液体，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。

进一步，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，根据测得的粘度和时间值进行仿真。可选地，可采用MATLAB仿真软件，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)

a₄、b₄、c₄、a₅、b₅、c₅是效粘度方程系数。

进一步，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细致的分析，把粘度和时间联系起来形成粘度曲线，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收到的阻力；有利于力敏传感单元磁致链化精准控制。

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：磁性颗粒直径；I：磁性颗粒中的环形电流；

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。

进一步，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；

进一步，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。

进一步，对磁致压阻敏感单元传感特性进行测量分析；通过磁致成链装置实现对力敏传感单元磁致链化过程进准控制，提高磁链完整度，为后续的传感特性研究和应用打下基础。

主控模块02根据粘度大小引起的粘性阻力大小调整电流大小增大磁场力，提高磁致链化率，磁致链化方程电流模型可以表示为：

i＝f^-1(B(i))

根据电流控制模型进行试验能够有效地提高磁致链化完整度。

本实施例中还提供了一种力敏传感单元磁致链化实时成链控制方法，用于执行前述装置实施例中所述的力敏传感单元磁致链化实时成链控制装置。由于方法实施例的技术原理与前述装置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实时成链控制方法，包括：

通过浸入待测液体的检测模块的检测端对应的旋转阻力矩检测待测液体的粘度；

构建待测液体中磁性颗粒的动态磁致力学模型，并根据粘度检测数据结合所述动态磁致力学模型，调节外加磁场强度，控制所述待测液体中磁性颗粒磁致成链。

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 (10)

1.一种力敏传感单元磁致链化实时成链控制装置，其特征在于，包括：

粘度检测模块，用于通过旋转阻力矩检测待测液体的粘度；

磁场发生模块，用于为待测液体提供外加磁场；

主控模块，用于构建待测液体中磁性颗粒的动态磁致力学模型，并根据粘度检测数据结合所述动态磁致力学模型，调节磁场发生模块输出磁场强度，控制所述待测液体中磁性颗粒磁致成链。

2.根据权利要求1所述的力敏传感单元磁致链化实时成链控制装置，其特征在于，所述粘度检测模块包括转子，将所述转子浸入所述待测液体中，控制所述转子转动，获取所述转子的旋转阻力矩。

3.根据权利要求2所述的力敏传感单元磁致链化实时成链控制装置，其特征在于，所述旋转阻力距表示为：

其中，η为所述待测液体粘度，S为所述转子旋转面面积，r为所述转子转转面半径，v为所述转子的转速，ω为所述转子的旋转角速度。

4.根据权利要求2所述的力敏传感单元磁致链化实时成链控制装置，其特征在于，所述粘度检测模块包括温度传感器，通过所述温度传感器检测的环境温度对所述粘度检测模块的转子进行调速。

5.根据权利要求2所述的力敏传感单元磁致链化实时成链控制装置，其特征在于，构建待测液体中磁性颗粒的动态磁致力学模型，包括：

确定磁性颗粒的环形面电流，根据所述环形面电流和外加磁场，获取磁性颗粒的动态磁致力学模型力学模型。

6.根据权利要求2所述的力敏传感单元磁致链化实时成链控制装置，其特征在于，所述磁场发生模块包括一组平行且连通的共轴线圈，线圈内的电流大小和方向相同，且线圈之间的距离等于线圈半径。

7.根据权利要求5所述的力敏传感单元磁致链化实时成链控制装置，其特征在于，确定所述磁性颗粒的环形面电流，包括：

将单个磁性颗粒分子看作球状颗粒，并将单个磁性颗粒切分为n个截面薄片，对所述n个截面薄片的环形面电流求和，得到对应磁性颗粒的环形面电流。

8.根据权利要求7所述的力敏传感单元磁致链化实时成链控制装置，其特征在于，多个磁性颗粒的环形面电流表示为：

其中，N为单位体积分子个数，A为磁性颗粒中心截面积，I_m为每个分子电流大小，ds为磁性颗粒截面圆向里r圆周上单位距离。

9.根据权利要求5所述的力敏传感单元磁致链化实时成链控制装置，其特征在于，所述磁性颗粒的动态磁致力学模型力学模型表示为：

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：待测液体的有效粘度；μ：磁性颗粒运动速度，与运动方向相反。

10.一种力敏传感单元磁致链化实时成链控制方法，其特征在于，包括：

通过浸入待测液体的检测模块的检测端对应的旋转阻力矩检测待测液体的粘度；

构建待测液体中磁性颗粒的动态磁致力学模型，并根据粘度检测数据结合所述动态磁致力学模型，调节外加磁场强度，控制所述待测液体中磁性颗粒磁致成链。

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