CN114295257A - 一种基于抗磁悬浮原理的力传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于抗磁悬浮原理的力传感器，包括：抗磁悬浮系统、测量系统；抗磁悬浮系统包括磁极、悬浮片、磁极阵列、片状物以及支撑单元，所述片状物与磁极平行相对，悬浮片和磁极阵列悬浮于磁极和片状物之间，悬浮片位于磁极阵列的正上方，磁极的正下方，悬浮点位于悬浮片总势能的极小值点处；测量系统包括位移传感器电感线圈，位移信号处理电路，当悬浮片与磁极阵列之间的距离发生变化时，位移传感器电感线圈中线圈的阻抗量将发生变化，经位移信号处理电路将线圈阻抗量的变化转化为位移信号。本发明的力传感器刚度小，灵敏度高，适合测量微小力，避免了电容式力传感器加工较困难，并且周围环境对其精度和稳定性影响较大的缺点。

Description

一种基于抗磁悬浮原理的力传感器及其测量方法

技术领域

本发明专利本发明公开了一种基于抗磁悬浮原理与电感技术相结合的力传感器，属于精密仪器仪表领域。

背景技术

力传感器作为最为常用的核心测量设备，广泛应用于水利水电、航空航天、铁路交通、军工、电力、机床、船舶等众多领域中。随着科学技术的提高、产品微型化方向的不断发展，用于测量微小重力的力传感器逐渐引起了人们的关注。

目前常见的力传感器主要可分为四类：应变式力传感器，电容式力传感器，压电式力传感器以及光电式力传感器。应变式力传感器是利用金属或半导体的机械变形而发生的电阻值的变化来间接测量力变化的设备，其应用范围比较广，适用于测量大力的场合，但其输出信号小、线性范围窄,灵敏度不高。电容式力传感器利用薄膜电极受力引起电极变形，从而发生电容量的变化以此测量力的变化，其灵敏度高、线性度好，但加工较困难，对环境要求较高。压电式力传感器利用晶体、多晶体等物质的压电特性来测量力，其响应特性极好，但由于晶体的自身特性，往往存在PN漂移，且易受环境湿度的影响。光电式力传感器的特点是灵敏度高、体积小、成本也较低，但其使用环境单一，存在热漂移的问题且功率消耗大。

抗磁悬浮技术利用物质的抗磁性，不受Earnshaws定理的限制，无需输入外界能量，即可使该抗磁性物质被动静态稳定悬浮。随着微细制造技术和强磁场的发展，对于抗磁悬浮技术的研究越来越丰富。抗磁悬浮的无需能量输入、无摩擦、低刚度、常温稳定悬浮等特点，使其在微纳机械、能量捕获、高灵敏度传感器等领域内扮演着越来越重要的角色。

结合抗磁悬浮原理的良好特性本专利提出一种新型悬浮机械结构用于测量微小压力的抗磁悬浮力传感器。在此之前，少有国内外学者对此悬浮结构展开力传感器的研究。

发明内容

本发明针对现有的力传感器存在的结构复杂、灵敏度较低的问题，提出了一种用于测量微小力的高灵敏度抗磁悬浮力传感器。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于抗磁悬浮原理的力传感器，包括：抗磁悬浮系统、测量系统；所述抗磁悬浮系统包括磁极、悬浮片、磁极阵列、片状物以及支撑单元，所述磁极固定在支撑单元的上部，片状物固定在支撑单元的底座上，所述片状物与磁极平行相对，悬浮片和磁极阵列悬浮于磁极和片状物之间，悬浮片包括悬浮薄片与金属导体，其中金属导体镀于悬浮薄片的下表面，金属导体与磁极阵列相对，磁极阵列悬浮于片状物的正上方，与金属导体相对，所述片状物采用抗磁性材料，磁极阵列与磁极在竖直方向上相互吸引，悬浮于片状物的正上方，悬浮点位于磁极阵列总势能的极小值点处，悬浮片位于磁极阵列的正上方，磁极的正下方，悬浮点位于悬浮片总势能的极小值点处；测量系统包括位移传感器电感线圈，位移信号处理电路，位移传感器电感线圈包括硅钢片和线圈，线圈缠绕在硅钢片上，位移传感器电感线圈置于磁极阵列上表面处，位移传感器线圈与位移信号处理电路相连接，当悬浮片与磁极阵列之间的距离发生变化时，位移传感器电感线圈中线圈的阻抗量将发生变化，经位移信号处理电路将线圈阻抗量的变化转化为位移信号，从而测量出悬浮片与磁极阵列之间距离的变化。

进一步地，磁极阵列为可以为环形圆柱嵌套永磁体或者‘Opposite-2D’排列形式的永磁体。

进一步地，环形圆柱嵌套永磁体包括轴向充磁的环形永磁体、轴向充磁的圆柱形永磁体，环形永磁体的充磁方向与圆柱形永磁体的充磁方向相反，环形永磁体的内径与圆柱形永磁体的的直径相等，高度相等，圆柱形永磁体置于环形永磁体内环中。

进一步地，磁极为圆柱形永磁体或者环形永磁体。

进一步地，磁极与片状物竖直方向上为同轴关系。

进一步地，悬浮片的长宽高尺寸均小于磁极阵列的对应的长宽高尺寸，悬浮片的面积大于待测物与悬浮片的接触面积，磁极阵列的直径小于磁极的直径。

进一步地，磁极采用钕铁硼材料制成的轴向充磁的圆柱形永磁体，悬浮薄片采用抗磁性材料热解石墨制成的石墨片，磁极阵列采用钕铁硼材料制成的轴向充磁的环形圆柱嵌套永磁体，片状物采用抗磁性材料热解石墨制成的石墨片。

一种基于抗磁悬浮原理的力传感器的测量方法，包括如下步骤：

步骤1、对测量系统供电；

步骤2.将待测物体放置在悬浮片上，记录位移信号处理电路输出的位移信号；

步骤3.将输出的位移信号代入下式中求解出待测物体的重力，

G_测＝k₃₂f(x₃₂)＝k₃₂f(x)

其中，k₃₂为磁极阵列与悬浮片之间的刚度系数，x为悬浮片与磁极阵列之间的位移，可由位移传感器电感线圈测得；通过力传感器的力测量模型，可以计算出待测物体的重力；

步骤4、取下待测物体，断开测量系统电源。

本发明的有益效果是：

(1)避免了应变式力传感器输出信号小，而且动态响应较差，无法测量微小力的缺点。该方案力传感器刚度小，灵敏度高，适合测量微小力。

(2)避免了光电式力传感器功率消耗大，存在热偏移的问题。

(3)避免了电容式力传感器加工较困难，特别是难以保证对称性，并且周围环境对其精度和稳定性影响较大的缺点，该方案元件为圆柱形片状，加工简便，且精度高。

(4)避免了压电式力传感器的PN漂移和空气湿度影响的问题。

(5)结合了抗磁悬浮技术，无需外界能量输入即可实现常温、被动、无摩擦稳定悬浮，降低了该力传感器的功耗。

(6)实现了微小力高精度的测量，结合抗磁悬浮圆柱形悬浮片高灵敏性与电感测量技术，可实现微小力的测量。

附图说明

图1为基于抗磁悬浮系统组成结构图；

图2为悬浮片组成示意图；

图3为测量系统组成结构图；

图4(a)为位移传感器电感线圈组成的俯视图、图4(b)位移传感器电感线圈组成的侧视图；

图5(a)为具体实施方式中环形圆柱嵌套永磁体侧视图，图5(b)为具体实施方式中环形圆柱嵌套永磁体组成示意图；

图6(a)为系统未施加待测物体时悬浮片与磁极阵列受力分析图，图6(b)为系统施加待测物体后悬浮片与磁极阵列受力分析图；

图7(a)为未施加待测物体时系统质量-弹簧单元等效示意图，图7(b)为施加待测物体时系统质量-弹簧单元等效示意图；

图8为抗磁力随悬浮高度变化示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

一种基于抗磁悬浮原理的力传感器，包括：抗磁悬浮系统、测量系统；如图1所示，所述抗磁悬浮系统包括磁极1、悬浮片2、磁极阵列3、片状物4以及支撑单元，所述磁极1固定在支撑单元的上部，磁极1为圆柱形永磁体或者环形永磁体，片状物4固定在支撑单元的底座上，所述片状物4与磁极1平行相对，磁极1与片状物4竖直方向上为同轴关系，片状物4可为圆形、方形等。悬浮片2和磁极阵列3悬浮于磁极1和片状物4之间；悬浮片2包括悬浮薄片5与金属导体6，悬浮薄片5和金属导体6为规则形状的物体，即悬浮薄片5和金属导体6的重心位置位于其中心上，如图2所示，其中金属导体6镀于悬浮薄片5的下表面，金属导体6与磁极阵列3相对，磁极阵列3悬浮于片状物4的正上方，与金属导体6相对，其中悬浮薄片采用抗磁性材料热解石墨制成的上石墨片，宽度为4.44mm，高度为0.3mm；金属导体选用铝材料，宽度为4.44mm，厚度为0.1mm。金属导体铝镀于上石墨片的下表面。所述片状物4采用抗磁性材料，如采用抗磁性材料热解石墨制成的下石墨片，磁极阵列3与磁极1在竖直方向上相互吸引，悬浮于片状物4的正上方，悬浮点位于磁极阵列3总势能的极小值点处，悬浮片2位于磁极阵列3的正上方，磁极1的正下方，悬浮点位于悬浮片2总势能的极小值点处，悬浮片2为规则形状，即图形的重心在图形的中心，如圆形、方形、三角形等，悬浮片2的长宽高尺寸均小于磁极阵列3的对应的长宽高尺寸，悬浮片2的面积大于待测物与悬浮片2的接触面积，磁极阵列3的直径小于磁极1的直径；如图3所示，测量系统包括位移传感器电感线圈7，位移信号处理电路8；如图4(a)和图4(b)所示，位移传感器电感线圈7包括硅钢片9和线圈10，线圈10缠绕在硅钢片9上，位移传感器电感线圈7置于磁极阵列3上表面处，位移传感器线圈7与位移信号处理电路8相连接，当悬浮片2与磁极阵列3之间的距离发生变化时，位移传感器电感线圈7中线圈10的阻抗量将发生变化，经位移信号处理电路8将线圈10阻抗量的变化转化为位移信号，从而测量出悬浮片2与磁极阵列3之间距离的变化。

磁极阵列3为环形圆柱嵌套永磁体12或者‘Opposite-2D’排列形式的永磁体。磁极阵列采用钕铁硼材料制成的轴向充磁的环形圆柱嵌套永磁体，高3.00mm。如图5所示，环形圆柱嵌套永磁体12包括轴向充磁的环形永磁体13、轴向充磁的圆柱形永磁体14，环形永磁体的充磁方向与圆柱形永磁体的充磁方向相反，环形永磁体的内径与圆柱形永磁体的直径相等，高度相等，圆柱形永磁体置于环形永磁体内环中。磁极采用钕铁硼材料制成的轴向充磁的圆柱形永磁体，其直径为15mm，高度为12.64mm。

如图6(a)所示，初始平衡状态悬浮片2上无待测物体时，此时作用在悬浮片2上的力达到平衡状态，即：

F₃₂＝F₁₂+G₂ (1)

式(1)中，F₃₂为磁极阵列3对悬浮片2的抗磁力，方向竖直向上；F₁₂为磁极1对悬浮片2的抗磁力，方向竖直向下；G₂为悬浮片2自身的重力，方向竖直向下。其中磁极1对悬浮片2的抗磁力F₁₂的大小随磁极1与悬浮片2的距离的增大而减小，磁极阵列3对悬浮片2的抗磁力F₃₂的大小随磁极阵列3与悬浮片2的距离的增大而减小。

作用在磁极阵列3上的力达到平衡状态，即：

F₁₃+F₄₃＝F₂₃+G₃ (2)

式(2)中，F₁₃为磁极(1)对磁极阵列3的吸引力，方向竖直向上；F₄₃为片状物4对磁极阵列3的抗磁力，方向竖直向上；F₂₃为悬浮片对磁极阵列3的抗磁力；G₃为磁极阵列3自身的重力与位移传感器电感线圈7之和。

其中，F₃₂与F₂₃为相互作用力，大小相等，方向相反。

如图6(b)所示，当待测物体(11)施加于悬浮片2上时，此时悬浮片2竖直向下的分力F₁₂+G₂+G_测增大，悬浮片(2)上竖直向上起“支撑”作用的分力F₃₂增大，磁极阵列3与悬浮片2的距离随之减小，悬浮片2向下运动，磁极1与悬浮片2的距离增大，F₁₂减小，当悬浮片2向下运动到一定位置时，悬浮片2达到新的平衡状态，即

F₃₂+ΔF₃₂＝F₁₂-ΔF₁₂+G₂+G_测 (3)

对于磁极阵列3，随着F₃₂的增大，F₂₃也开始增大，为保持悬浮片2的平衡，磁极阵列3往下运动，作用的力F₄₃增大，F₁₃减小，当磁极阵列3向下运动到一定位置时，磁极阵列3达到平衡状态。

联立式(1)和式(3)，可得：

G_测＝ΔF₃₂+ΔF₁₂ (4)

基于悬浮片2及磁极阵列3的受力情况及运动特性，将系统等效成质量、弹簧单元，如图7(a)、图7(b)所示，此时式(4)可表示为：

G_测＝k₃₂f(x₃₂)+k₁₂f(x₁₂) (5)

式(5)中，k₃₂为磁极阵列3与悬浮片2之间的刚度系数；k₁₂为磁极1与悬浮片2之间的刚度系数；x₃₂为磁极阵列(3)与悬浮片(2)之间的相对位移；x₁₂为悬浮片(2)运动的位移。

图8所示为抗磁力与悬浮高度之间的关系，随着悬浮高度的增大，抗磁力越来越小。圆形嵌套永磁体与上石墨片之间的距离远小于圆柱形永磁体与上石墨片之间的距离，圆形嵌套永磁体与上石墨片之间的抗磁力远大于圆柱形永磁体与上石墨片之间的抗磁力。在实际的悬浮传感系统中，磁极1与悬浮片2之间的距离较大，对于悬浮片2而言，磁极1对悬浮片2的抗磁力F₁₂很小，ΔF₁₂相对于ΔF₃₂可以忽略不计，式(5)可以合理简化为：

G_测＝k₃₂f(x₃₂)＝k₃₂f(x) (6)

其中，x为悬浮片(2)与磁极阵列3之间的相对位移，可由位移传感器电感线圈7测得。

通过式(6)力传感器的力测量模型，可以计算出待测物体11的重力。

一种基于抗磁悬浮原理的力传感器的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、对测量系统供电；

步骤2.将待测物体放置在悬浮片2上，记录位移信号处理电路输出的位移信号；

步骤3.将输出的位移信号代入下式中求解出待测物体的重力，

G_测＝k₃₂f(x₃₂)＝k₃₂f(x)

通过力传感器的力测量模型，可以计算出待测物体的重力；

步骤4、取下待测物体，断开测量系统电源。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于抗磁悬浮原理的力传感器，其特征在于，包括：抗磁悬浮系统、测量系统；所述抗磁悬浮系统包括磁极(1)、悬浮片(2)、磁极阵列(3)、片状物(4)以及支撑单元，所述磁极(1)固定在支撑单元的上部，片状物(4)固定在支撑单元的底座上，所述片状物(4)与磁极(1)平行相对，悬浮片(2)和磁极阵列(3)悬浮于磁极(1)和片状物(4)之间，悬浮片(2)包括悬浮薄片(5)与金属导体(6)，其中金属导体(6)镀于悬浮薄片(5)的下表面，金属导体(6)与磁极阵列(3)相对，磁极阵列(3)悬浮于片状物(4)的正上方，与金属导体(6)相对，所述片状物(4)采用抗磁性材料，磁极阵列(3)与磁极(1)在竖直方向上相互吸引，悬浮于片状物(4)的正上方，悬浮点位于磁极阵列(3)总势能的极小值点处，悬浮片(2)位于磁极阵列(3)的正上方，磁极(1)的正下方，悬浮点位于悬浮片(2)总势能的极小值点处；测量系统包括位移传感器电感线圈(7)，位移信号处理电路(8)，位移传感器电感线圈(7)包括硅钢片(9)和线圈(10)，线圈(10)缠绕在硅钢片(9)上，位移传感器电感线圈(7)置于磁极阵列(3)上表面处，位移传感器线圈(7)与位移信号处理电路(8)相连接，当悬浮片(2)与磁极阵列(3)之间的距离发生变化时，位移传感器电感线圈(7)中线圈(10)的阻抗量将发生变化，经位移信号处理电路(8)将线圈(10)阻抗量的变化转化为位移信号，从而测量出悬浮片(2)与磁极阵列(3)之间距离的变化。

2.根据权利要求1所述的一种基于抗磁悬浮原理的力传感器，其特征在于，磁极阵列(3)为可以为环形圆柱嵌套永磁体或者‘Opposite-2D’排列形式的永磁体。

3.根据权利要求1所述的一种基于抗磁悬浮原理的力传感器，其特征在于，环形圆柱嵌套永磁体包括轴向充磁的环形永磁体、轴向充磁的圆柱形永磁体，环形永磁体的充磁方向与圆柱形永磁体的充磁方向相反，环形永磁体的内径与圆柱形永磁体的的直径相等，高度相等，圆柱形永磁体置于环形永磁体内环中。

4.根据权利要求1所述的一种基于抗磁悬浮原理的力传感器，其特征在于，磁极(1)为圆柱形永磁体或者环形永磁体。

5.根据权利要求1所述的一种基于抗磁悬浮原理的力传感器，其特征在于，磁极(1)与片状物(4)竖直方向上为同轴关系。

6.根据权利要求1所述的一种基于抗磁悬浮原理的力传感器，其特征在于，悬浮片(2)的长宽高尺寸均小于磁极阵列(3)的对应的长宽高尺寸，悬浮片(2)的面积大于待测物与悬浮片(2)的接触面积，磁极阵列(3)的直径小于磁极(1)的直径。

7.根据权利要求1所述的一种基于抗磁悬浮原理的力传感器，其特征在于，磁极(1)采用钕铁硼材料制成的轴向充磁的圆柱形永磁体，悬浮薄片(5)采用抗磁性材料热解石墨制成的石墨片，磁极阵列(3)采用钕铁硼材料制成的轴向充磁的环形圆柱嵌套永磁体，片状物(4)采用抗磁性材料热解石墨制成的石墨片。

8.一种基于抗磁悬浮原理的力传感器的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、对测量系统供电；

步骤2.将待测物体放置在悬浮片(2)上，记录位移信号处理电路输出的位移信号；

步骤3.将输出的位移信号代入下式中求解出待测物体的重力，

G_测＝k₃₂f(x₃₂)＝k₃₂f(x)

其中，k₃₂为磁极阵列(3)与悬浮片(2)之间的刚度系数，x为悬浮片(2)与磁极阵列(3)之间的位移，可由位移传感器电感线圈(7)测得；通过力传感器的力测量模型，可以计算出待测物体的重力；

步骤4、取下待测物体，断开测量系统电源。

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