CN1776431A - 具有主动悬浮的磁流体加速度计 - Google Patents

Abstract

一种测量加速度的方法包括：使用一种磁性流体悬浮一个惯性体；在磁性流体内产生一个磁场；调制磁场，以抵消由加速度造成的惯性体相对于磁场源的位置变化；及基于调制计算加速度。计算步骤基于调制所要求的通过驱动线圈的电流量导出加速度。加速度包括线加速度和/或角加速度。驱动线圈包括永久磁铁、电磁铁、或永久磁铁和电磁铁的组合。检测线圈能用来探测惯性体的位移。每个检测线圈能基本上定位在一个对应驱动线圈内。惯性体能是非磁性的、弱磁性的，或者具有铁磁性涂层。

Description

具有主动悬浮的磁流体加速度计

技术领域

本发明涉及磁流体加速度传感器，更具体地说，涉及一种具有宽频率响应和高动态范围的加速度传感器。

背景技术

在例如提交于2004年5月3日的美国专利申请No.10/836,624、提交于2004年5月3日的美国专利申请No.10/836,186、提交于2003年5月21日的美国专利申请No.10/422,170、提交于2002年8月1日的美国专利申请No.10/209,197(现在为美国专利No.6,731,268)、提交于2000年2月24日的美国专利申请No.09/511,831(现在为美国专利No.6,466,200)、及提交于1999年11月3日的俄罗斯专利申请No.99122838中描述了磁流体加速度计。这些加速度计利用磁流体原理和悬浮在一种磁性流体中的惯性体来测量加速度。这样一种加速度计常常包括一个传感器壳体(传感器外壳、或“容器”)，该传感器壳体填充有磁性流体。一个惯性体(“惯性物体”)悬浮在磁性流体中。加速度计通常包括在磁性流体中产生磁场的多个驱动线圈(动力线圈)、和探测由惯性体的相对运动造成的磁场变化的多个测量线圈。

当动力线圈被激励并且产生一个磁场时，磁性流体试图把本身定位得尽可能靠近动力线圈。实际上这样的结果是把惯性体悬浮在外壳的近似几何中心中。当一个力施加到加速度计上(或施加到安装在加速度计上的任何装置上)，从而引起角或线加速度时，惯性体试图保持到位。惯性体因此“靠压”磁性流体，干扰它和改变在磁性流体内的磁场分布。磁场分布的这种变化由测量线圈检测，然后电子转换成线和角加速度值。已知线和角加速度时，有可能通过直接的数学运算来计算线和角速度，并且如有必要，计算线和角位置。换句话说，加速度计提供关于六个自由度-三个线自由度(x，y，z)和三个角(或转动)自由度(α_x，α_y，α_z)的信息。

有加速度计的频率响应和动态范围很重要的多种用途。动态范围是指加速度计能测量的最小和最大加速度(角和/或线的)。频率响应是指加速度计能测量的最高输入振动频率(通常，在上下文中，对于线加速度的频率响应比对于角加速度的频率响应更重要，因为直线振动通常具有比旋转振动高的频率)。

因而，在现有技术中需要一种具有高动态范围和高频率响应的加速度计。

发明内容

本发明涉及具有主动悬浮、基本上能消除相关技术的一种或多种缺点的磁流体加速度计。

更具体地说，在本发明的一个典型实施例中，一种测量加速度的方法包括：使用一种磁性流体使一个惯性体悬浮；在磁性流体内产生一个磁场；调制磁场，以抵消由加速度造成的惯性体相对于磁场源(例如驱动线圈)的位置变化；及基于调制计算加速度。计算步骤基于调制所要求的通过驱动线圈的电流量导出加速度。加速度包括线加速度和/或角加速度。驱动线圈包括永久磁铁、电磁铁、或两者的组合。检测线圈能用来探测惯性体的位移。每个检测线圈能基本上定位在一个对应的驱动线圈内。惯性体可是磁性的、非磁性的，或弱磁性的(即基本上磁性比磁性流体小)。

在另一个方面，一种用来测量加速度的方法包括：把一个惯性体悬浮在一种磁性流体中；响应施加到惯性体上的力而测量惯性体的位置；向惯性体施加一个抗衡力，以抵消施加的力；及基于抗衡力计算加速度。

在另一个方面，一种测量加速度的方法包括：使用一种流体将一个物体悬浮；在流体内产生一个磁场；探测由加速度造成的物体的位置变化；控制磁场以抵消该变化；及作为磁场控制的一个函数计算加速度。

在另一个方面，一种加速度计传感器包括一个惯性体、把惯性体保持在悬浮中的多滴磁性流体、及保持磁性流体滴与惯性体相接触的多个磁极。测量惯性体的位移。一个电路调制由磁极产生的磁场以抵消由加速度造成的位移，并且从其导出加速度的值。

在另一个方面，一种传感器包括一个惯性体、大体绕惯性体布置的多个磁铁、在源与惯性体之间的磁性流体、及一个电路，该电路调制由磁铁产生的磁场，以抵消由加速度造成的惯性体的位移。基于抵消位置变化所要求的通过磁铁的电流量能导出加速度。磁铁基本上布置在惯性体内，或者部分在惯性体内。一个铁磁涂层能放置在惯性体的诸部分上。一个外壳能封闭惯性体和磁性流体。多个壳体能具有安装在其中的对应磁铁，壳体联接到外壳上并且突出到外壳中。检测线圈(或其它位置传感器)也能安装在壳体中。

在另一个方面，一种传感器包括：一个惯性体；多个磁铁，产生作用在惯性体上的排斥力；及一个电路，它调制由磁铁产生的磁场，从而抵消由加速度造成的惯性体的位移。

在另一个方面，一种传感器包括：一个惯性体；一种磁性流体，把一个力施加在惯性体上；多个磁铁，在磁性流体内产生磁场，其中通过磁场的调制保持惯性体相对于磁铁的位置；及一个电路，它基于调制导出加速度。

在另一个方面，一种传感器包括：一个惯性体；一种流体，把一个力施加在惯性体上；多个磁铁，在流体内产生磁场；一个位置传感器，探测由加速度造成的惯性体的位置变化；及一个控制器，它响应该变化而驱动磁铁，其中由磁铁所要求的电流导出加速度。

本发明的另外特征和优点在随后的描述中叙述，并且部分由描述是显然的，或者可以通过本发明的实践了解。本发明的优点将通过在书写的描述和其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现和得到。

要理解，以上一般性描述和如下详细描述都是示范和解释性的，并且打算提供所要求保护的本发明的进一步解释。

附图说明

被包括以提供本发明的进一步理解并且并入和构成本说明书的一部分的附图，表明本发明的实施例，并且与描述一起用来解释本发明的原理。在附图中：

图1表明本发明的一种组装磁流体加速度传感器的等轴测图。

图2表明使驱动磁铁组件之一被除去的传感器的侧视图。

图3表明部分剖视图，表示驱动磁铁线圈和检测线圈的布置。

图4表明传感器的分解侧视图。

图5表明图4的传感器的等轴测图，但是从不同的角度看。

图6表明本发明的磁流体加速度传感器的一个主动悬浮实施例。

图7表明铁磁性涂层如何能用于主动悬浮。

图8以较数学的方式表明主动悬浮。

图9表示主动悬浮如何能用来从加速度导出速度(线速度和角速度)。

具体实施方式

现在将对本发明的实施例详细地进行参考，本发明的例子表明在附图中。

图1表明本发明的一种磁流体加速度传感器的一个典型实施例。磁流体传感器的一般工作原理在美国专利No.6,466,200中描述，该专利包括在这里以供参考。传感器的动作一般由一组非线性偏微分方程描述，见提交于2004年9月30日、发明人为ROMANOV等、标题为METHOD OF CALCULATING LINEAR AND ANGULARACCELERATION IN A MAGNETOFLUIDIC ACCELEROMETERWITH AN INERTIAL BODY的美国分案专利申请No.60/614,415，本申请要求该申请的优先权。

进一步参照图1，以组装形式表示在图1中的加速度计102包括一个外壳104、多个驱动磁铁组件106A-106E，驱动磁铁组件106A-106E的每一个使用对应导线110A-110E连接到一个电源上。注意在该视图中，只表示五个驱动磁铁组件106，但见图3，在图3中也表明一个第六驱动磁铁组件(指示为106F)。

图2表明使驱动磁铁组件之一被除去的图1的传感器102。由于驱动磁铁组件106C被除去，所以一个惯性体202在外壳104的近似几何中心中是可见的。磁性流体204填充在外壳内的适用体积的剩余部分。注意，磁性流体本身为了清楚起见在图中实际上没有画出，尽管大多数这样的流体的颜色是黑的，并且它们具有“油性”感。

图3表明部分剖视图，表示驱动磁铁线圈和检测线圈的布置。为了清楚起见，在图3中只有某些元件被标出。在图3中表示的是四个驱动线圈(或驱动磁铁)302A、302B、302E及302D，统称为驱动磁铁302(剩余的两个驱动磁铁在该图中未表示)。驱动磁铁302有时也称作悬浮磁铁、动力磁铁、或悬浮线圈(如果使用电磁铁的话)。

在一个实施例中，每个这样的驱动磁铁组件106具有由306和304指示的两个检测线圈(在图3中，306A、304A、306B、304B、306E、304E、306E、304E)。检测线圈306、304有时也称作“检测磁铁”或“测量线圈”。另外注意，对于线圈(即感应传感器)，霍尔传感器、激光或LED传感器、静电传感器、声学传感器、光学传感器、电容传感器等也能用来探测惯性体202的位置。

还要注意，为了测量线和角加速度，“正方体”的每侧两个检测线圈是必需的。如果只有单个检测线圈被定位在“正方体”的每一侧的中心中，则测量角加速度是不可能的。作为一个较不优选的选择例，有可能在正方体的每一侧只使用一个检测线圈，但使它离开中心。然而，在这种情况下，数学分析变得明显地更复杂。

图4和5表明传感器102的分解视图，从两个不同角度表示同一结构。具体地说，在图4和5中表示的是驱动磁铁组件之一106D的分解视图。如图中所示，驱动磁铁组件106D包括一个壳体402、一个后盖404、驱动线圈302D、两个检测线圈306D和304D、磁芯406(对于每个检测线圈306D和304D的一个)、及一个驱动磁芯408。在一个可选择实施例中，芯406和408能制造成单个公共件(基本上，作为单个“变压器芯”)。

在这个实施例中，检测线圈306D和304D位于驱动线圈302D的内侧，并且后盖404把驱动线圈302D及检测线圈306D和304D在驱动线圈组件106D中保持到位。

驱动磁铁302用来把悬浮的惯性体202保持到位。检测线圈306、304测量在外壳104内的磁通变化。磁性流体204试图流到磁场最强的位置。这导致对惯性体202的排斥力，惯性体202通常或者是非磁性的，或者是部分(弱)磁性的(例如基本上磁性比磁性流体204小)。

以上描述和说明的传感器102因而基于排斥磁性力的原理工作。磁性流体203是高磁性的，并且被吸引到驱动磁铁302。因此，通过设法尽可能靠近驱动磁铁302，磁性流体实际上“推出”或排斥惯性体202离开驱动磁铁302。在所有驱动磁铁302都相同、或者所有驱动磁铁302都施加相同的力、并且驱动磁铁302绕惯性体202对称布置的情况下，惯性体202往往会处于外壳104的几何中心中。这种效应可以认为是排斥磁性效应(尽管在实际中，惯性体202不受驱动磁铁302的直接影响，而是间接地通过磁性流体204而影响)。

以上所描述的一种加速度计102的频率响应取决于多个因素，如传感器几何形状、磁场强度、磁性流体204的量和类型、惯性体202的几何形状和重量、及其它参数。对于某些用途，如对于其中需要准确测量振动的用途，可能希望扩展动态范围和频率响应。对于一个传感器102的典型动态范围，如在图1-5中描述的那样，如果装置的体积是近似1-2立方厘米并且大致如在这些图中表明的那样，则它近似是几个g。典型的频率响应通常是几十赫兹至大概几百赫兹。

在图6中示意表明的主动悬浮是用来产生计算加速度所必需的信号输入的一种可选择机理。在主动悬浮中，惯性体202被保持到位，同时使用一个反馈环路控制由驱动磁铁302产生的力，以便抵消惯性体202的运动。换句话说，不是允许惯性体202相对于外壳104运动(响应施加的力)从而改变在磁性流体204内的磁通量线的分布，而是使用一个反馈环路控制由驱动磁铁302产生的磁场。把惯性体202保持到位必需的电流量是实际测量的变量，并且由该电流导出线和/或角加速度。

图6表明在一种磁流体加速度计中的主动悬浮的一个实施例。为了说明目的，立方体的“侧面”已经与图1-5中的标记(即A、B、D、E)相一致地标记。只有在侧面B和D上使用的元件表示在图6中，尽管如此，也将理解，“立方体”的每一侧面通常具有类似的布置。

表示在图6中的是与磁性流体204相接触的惯性体202。标记为302D1、302D2、302B1、302B2的四个驱动磁铁表示在图6中，尽管如此，也将理解，在这种情况下，“立方体”的每一侧面具有两个这样的驱动磁铁302，对于整个加速度计102总共有(在这种情况下)12个驱动磁铁302。在一个可选择实施例中，有可能在“立方体”的每个侧面只使用单个驱动磁铁302，如在图1-5中表明的那样。

也表示在图6中的是四个检测线圈306B、304B、306D、304B。为了简单起见，传感器外壳104未表明在图6中。而且，磁性流体204在图6中表示成离散的小滴，换句话说，不完全填充在外壳104内的体积。在一个可选择实施例中，在外壳104中的整个适用体积填充有磁性流体204。

还表示在图6中的是一个用来测量惯性体202的位置向量X的电路602。坐标向量X从检测线圈306B、304B、306D、304B导出。相对于在力F施加到加速度计上之前惯性体202所处的位置，坐标向量X的变化由ΔX指示。ω是角速度，因此，ω′是角加速度(角速度ω的一阶导数)，使其绕相关轴线的各个分量表示为ω′_x、ω′_y、ω′_z。a_x、a_y、a_z是沿相关轴线的线加速度分量，α是惯性体202绕相关轴线的转动角度组(a_x、a_y、a_z)，并且ΔX_i是在惯性体202与第i个检测线圈之间的距离变化。下标“i”指驱动磁铁，换句话说，左上(302B2)由下标1标记，右上(302D1)由下标3标记，等等。

磁性流体204的小滴把力F_i施加在惯性体202上。一个力F(指向图6的右边)施加到惯性体202上(引起加速度，这导致力F₁和F₂比F₃和F₄弱，如图中所示)。

一个电路604用来计算施加的加速度，线加速度(a_x、a_y、a_z)和角加速度(ω′_x、ω′_y、ω′_z)。到电路604的输入是来自电路602的惯性体102的位置测量(使用检测线圈306B、304B、306D、304B)、和对于每个驱动磁铁302要求由每个驱动磁铁302施加到惯性体202上的力F_i的量，从而把惯性体保持到位。一个控制器606在一个反馈环路中运行，计算需要施加到驱动磁铁302上的力F_i的量。到控制器606的输入是惯性体202的坐标向量X和相对于驱动磁铁302的位移ΔX，如图6中所示。

一个加法器608用来组合X、α及ΔX的值，从而能够计算惯性体202的位移。一个滤波器610能用来减小来自零偏压和零偏压漂移的多余影响，并且如果希望，滤除任何多余的高频分量。这样一种滤波器的一个例子在提交于2004年9月23日、发明人为Yuri I.ROMANOV、标题为METHOD OF SUPPRESSION OF ZERO BIASDRIFT IN ACCELERATION SENSOR的美国分案专利申请No.60/612,227中描述，该专利申请全部包括在这里以供参考。一个调节器612用来形成一个用于惯性体202的悬浮控制的信号，给定传感器102的静态和动态特性，从而把ΔX保持为一个恒定值。就传感器102被处理成由一组非线性偏微分方程描述来说(见标题为METHOD OFCALCULATING LINEAR AND ANGULAR ACCELERATION IN AMAGNETOFLUIDIC ACCELEROMETER WITH AN INERTIALBODY的美国分案专利申请No.60/614,415，该专利申请全部包括在这里以供参考)，那么能选择一个调节器612，该调节器612最好地配合选择的模型(通常，非线性偏微分方程的解的某种近似，这些方程没有封闭形式的解并且必须被数值地解出)。然后能计算加速度分量ω′_x、ω′_y、ω′_z、a_x、a_y、a_z。

一个定标电路614用来为与每个驱动磁铁302相对应的每个F_i提供一组定标因数S。定标电路614在最简单的情况下基本上是一个放大器(或一组放大器)，该放大器通过使用一组定标参数S把调节器612的输出转换成必需的电流。也能使用一种更复杂的定标器。主动悬浮控制器606的输出用来控制流过驱动磁铁302的电流，该电流又控制磁场，该磁场又强迫惯性体202保持到位。控制器606能实施成一个混合模拟-数字电路、或具有A/D和D/A输入/输出的微处理器和用于磁铁302的驱动器电路，或者以对于本领域技术人员显然的任何其它方式实施。

注意已知加速度分量ω′_x、ω′_y、ω′_z、a_x、a_y、a_z，也能以直接方式(使用积分)计算线和角速度、以及线和角位置(再使用一次积分)。

因而，实施一种主动反馈环路(“主动悬浮”)，从而强迫惯性体202实际保持静止。驱动磁铁302也把力施加在惯性体202上，以抵消施加的力。基于把惯性体202保持到位所必需的力的量(电流)，然后能计算线和角加速度。

换句话说，由把惯性体202保持到位所需要的“力量”的量能导出加速度。“力量”与产生要求磁场所需要的电流有关。因而，加速度与把惯性体202保持到位所需要的电流有关。惯性体202本身基本上保持几乎不动。这是主动悬浮背后的原理。

图7表明如何能实施主动悬浮的另一个可选择实施例。在图7中表示的是由磁性流体204包围的惯性体202。(在该图中未表示外壳104。)每单个驱动磁铁302包括标记为302A、302B、302E、302D(类似于在图3中表示的，具有与图1-5的字母相对应的字母)的一个线圈绕组、和一个永久磁铁702(四个表示在图7中，标记为702A、702B、702C、702D)、及一个电磁铁704。惯性体202包括选择性地涂敷在各个位置中，由710A、710B、710C、710D和712A、712B、712C、712D指示的铁磁性涂层。与铁磁性涂层710A、710B、710C、710D和712A、712B、712C、712D相对应的位置传感器706A、706B、706C、706D和708A、708B、708C、708D用来测量惯性体202的位置。位置传感器706A、706B、706C、706D和708A、708B、708C、708D能例如是霍尔传感器或感应传感器。

图8以较数学的方式表明主动悬浮。考虑到主动悬浮如何施加到传感器102上的如下函数分析。将使用如下指示：

F_APPLIED(s)-施加的力f_APPLIED(t)的拉普拉斯变换，由下式定义

$L\left\{f_{\mathrm{APPLIED}}\left(t\right)\right\}\≡F_{\mathrm{APPLIED}}\left(s\right)\≡\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{e}^{-\mathrm{st}}{f}_{\mathrm{APPLIED}}\left(t\right)\mathrm{dt}$

(f_APPLIED(t)反映由传感器102的加速度引起的惯性)；

F_INTERF(s)-代表各种干扰因素(例如，由于噪声、构造缺陷、缺点、磁性流体不均匀性等，因为它们影响惯性体202的运动)的力f_INTERF(t)的拉普拉斯变换；

Z(s)-一个输出信号z(t)的拉普拉斯变换；

X(s)-由传感器102的非理想本质造成的一个误差信号x(t)的拉普拉斯变换；

W_BODY(s)-惯性体202的传递函数；及

W_C(s)-控制器606的传递函数。

主动悬浮的目的在于，保证输出信号z(t)的时间关系与施加的力f_APPLIED(t)(归因于由传感器102的加速度引起的惯性的力)的时间关系相对应，并且同时，具有与力f_INTERF(t)(代表各种干扰因素、缺陷、非线性及噪声)的时间关系的最小对应性。用于输出信号拉普拉斯变换Z(s)的公式是每个元件的各个传递函数的乘积，并且能写成如下：

Z(s)＝K_APPLIED(s)F_APPLIED(s)+K_INTERF(s)F_INTERF(s)  公式(1)

其中 $K_{\mathrm{APPLIED}}\left(s\right)=\frac{W_C\left(s\right)W_{\mathrm{BODY}}\left(s\right)}{1+W_C\left(s\right)W_{\mathrm{BODY}}\left(s\right)}$                                            公式(2)

是施加的力(惯性力)f_APPLIED(t)的传递函数。K_INTERF(s)是干扰力f_INTERF(t)(归因于噪声等的力)的传递函数，并且由下式定义

$K_{\mathrm{INTERF}}\left(s\right)=\frac{W_{\mathrm{BODY}}\left(s\right)}{1+W_C\left(s\right)W_{\mathrm{BODY}}\left(s\right)}$                                                公式(3)

误差X(s)因此由下式给出：

X(s)＝F_APPLIED(s)-Z(s)                       公式(4)

把公式(1)代入公式(4)，误差X(s)能表示成如下：

X(s)＝(1-K_APPLIED(s))F_APPLIED(s)-K_INTERF(s)F_INTERF(s)(公式5)

用于F_APPLIED(s)的传递函数因此由下式给出：

$1-K_{\mathrm{APPLIED}}\left(s\right)=\frac{1}{1+W_C\left(s\right)W_{\mathrm{BODY}\left(s\right)}}$                                 公式(6)

用于X(s)的传递函数，给定施加的力f_APPLIED(t)，由下式给出：

$-K_{\mathrm{INTERF}}\left(s\right)=\frac{-W_{\mathrm{BODY}}\left(s\right)}{1+W_C\left(s\right)W_{\mathrm{BODY}}\left(s\right)}$                                 公式(7)

F_APPLIED(s)和F_INTERF(s)对Z(s)(或对X(s))影响的程度由对应的传递函数定义。为了减小干扰力对输出信号z(t)和对误差信号x(t)的影响，传递函数K_ITERF(s)应该被最小化。为了保证输出信号z(t)最准确地反映施加的加速度f_APPLIED(t)，K_APPLIED(s)应该尽可能接近1。

这样的传递函数K_INTERF(s)和K_APPLIED(s)能通过改变控制器606的参数实现，换句话说，通过改变控制器606的传递函数W_C(s)，即改变控制器606的各种元件的参数。从公式(2)和(3)推出，当W_C(s)增大时，传递函数K_INTERF(s)将减小，渐近地接近零，而传递函数K_APPLIED(s)将渐近地接近1。因此，在极限情况下，

1-K_APPLIED(s)＝0，K_INTERF(s)＝0               公式(8)

公式(8)意味着由施加的力和干扰力造成的误差的传递函数对于所有值都是零。如果把公式8代入到公式(2)和(5)中，则推出Z(s)等于施加力的拉普拉斯变换，或Z(s)＝F_APPLIED(s)，并且误差对于有用信号的影响是零，或X(s)＝0，这与具有零误差的理想系统相对应。换句话说，在这样一种系统中，输出信号z(t)仅由施加的力f_APPLIED(t)确定(在这种情况下，归因于惯性体202的惯性)，并且将不取决于缺陷、噪声、磁性流体不稳定性及传感器102的其它非理想状态。

在实际中，对于这样的系数达到无限大的值是不可能的，因此，将有某种误差存在，然而，这样的误差将明显小于在没有主动悬浮的传感器中的对应误差。因而，主动悬浮的使用允许改进传感器参数的稳定性和减小传感器非线性的影响。

图9表示主动悬浮如何能用来从加速度导出速度(线速度和角速度)。反馈环路包括一个具有传递函数W_DE(s)＝p的微分元件(如一个滤波器610)。与以上讨论类似，输出信号z(t)的拉普拉斯变换Z(s)能由下式表示

$Z\left(s\right)=\frac{F_{\mathrm{APPLIED}}\left(s\right)}{W_{\mathrm{DE}}\left(s\right)}$                                         公式(9)

给定控制器606具有K＞＞1的放大系数。公式(9)与用于一个积分器的传递函数相对应，因此，输出信号z(t)将基于输入信号的(即，由传感器加速度造成的施加力f_APPLIED(t)的)积分而变化。施加力f_APPLIED(t)相对于时间的积分因此与线和角加速度的值相对应。

使用主动悬浮的一个优点在于，显著改进传感器202的频率响应和动态范围。这是归因于在磁性流体204内的磁通量线仅受最小干扰的事实。由于惯性体202的实际运动很小(与没有主动悬浮的惯性体202的运动相比)，所以改进传感器102的频率响应。而且，磁通量线由于惯性体202运动而变得“混乱”的可能性减小，因为在磁性流体204中的偶极子不会由于惯性体202的运动失去其取向，而是仅稍微移动，并且然后移动回其正常位置。换句话说，在磁性流体204内的磁通量线的分布基本上不会改变。在主动反馈控制下，只有磁通密度增大或减小。

因此，改进了传感器102的稳定性，因为磁性流体204只受到很小干扰，并且强迫在磁性流体204内的磁通量线的分布保持相对恒定。注意，设计者需要关心一种给定材料(在这种情况下，磁性流体204)能携带的每单位面积的最大磁通量。这也用作对传感器102能测量的最大加速度的限制之一。也应该注意，一旦在磁性流体204中的磁通密度达到饱和(当使用主动悬浮时)，并且如果由传感器102经受的加速度足够高，使惯性体202不能保持到位，则仍有传感器102起作用的可能性，即使惯性体202干扰磁性流体204(换句话说，对于非主动悬浮的情形会部分没有)。然而，这显然具有限制，因为在某种(足够高的)加速度下，惯性体202将完全撞击外壳104的内壁或驱动磁铁组件106之一。尽管如此，如以上提到的那样，还是改进了传感器102的稳定性，因为磁性流体204在宽得多的加速度范围内基本上未受干扰。

主动悬浮的另一个优点在于，因为惯性体202保持在外壳104的中心中，所以惯性体202的线加速度和角加速度的影响是彼此独立的，允许两个量的更准确测量。换句话说，如果惯性体202(在没有主动悬浮时)移动离开外壳104的几何中心，并且另外受到角加速度，则Coriolis(科氏)力作用在惯性体202上。Coriolis力理解成线加速度。这样引入线和角加速度的彼此相关性，这是不希望的。主动悬浮解决了这个问题。

改进了动态范围，因为把惯性体202保持在外壳104的中心处通常所要求的磁力的量比它在其它情况下小。对于本领域的技术人员来说这是显然的：如果不使用主动悬浮，则必须防止在线加速度高到某一特定值时惯性体202撞击外壳104的壁。借助于主动悬浮，当不经受加速度时由驱动磁铁302(不管是永久磁铁或电磁铁或两者)通常产生的磁性力的量需要较小。

主动悬浮也能用来减小或消除由保持磁场造成的任何环境影响，条件是实时知道或测量漏磁场。另外，传感器102能被屏蔽，和/或外壳104能在外侧涂有铁磁性涂层，以消除这样的环境影响。

主动悬浮允许传感器在各种用途之间的更大互换性。例如，没有主动悬浮的、为人类使用设计的传感器可能只需要承受高到2g的加速度。另一方面，为航空器、或为某些军事用途设计的传感器可能需要能够承受高到50g的加速度。借助于主动悬浮，跨过更宽的用途范围能使用基本相同的传感器设计。应该注意，用途的这样一种变化只需要控制电子装置的变化，并且例如使用软件来完成。

传感器102基本上起一个用于振动的低通滤波器的作用。这主要是由于惯性体202被浸入磁性流体204的阻尼作用，和由于在惯性体202、在磁性流体204内的磁通量线、及驱动磁铁302之间的相互作用。准确的频率响应主要取决于传感器102本身的设计细节和几何形状。而且，频率响应取决于用作磁性流体204的具体流体、在流体中的磁通密度、在磁性流体204中的偶极子的密度、是否使用主动悬浮、惯性体202的重量和几何形状、等等。在某些用途中，可能希望滤除高频。而且，对于给定施加加速度需要运动的惯性体202越小，带宽越高。换句话说，传感器能构造成对于某些用途测量线和/或角加速度的高频分量。

例如，在汽车用途中，可能希望拒绝(即滤除)汽车的发动机振动，并且只测量汽车的线和/或角加速度的实际变化。在其它用途中，线和/或角加速度的高频分量的测量可能是必要的，并且设计者将容易地认识到，传感器的形式因素需要与具体用途相匹配。

传感器102能使用电磁铁或永久磁铁作为驱动磁铁302，或者使用两者的组合。作为驱动磁铁302的永久磁铁的使用能大大地减小功率消耗。例如，由电磁铁消耗的电流量能为几十毫安(尽管数值主要取决于几何形式因素、惯性体202的质量、外壳104的尺寸、及多个其它参数，并且在某些实施中可能小得多)。借助于永久磁铁的使用，由传感器102抽取的电流量最小，并且主要由于控制电子装置。

然而，应该注意，对于只有永久磁铁的使用，主动悬浮较难以实现，因为永久磁铁不允许惯性体202的反馈控制。对于这点的一种解决方案是用作驱动磁铁302的两种磁铁永久磁铁和电磁铁的组合使用。永久磁铁用来在没有外部输入的情况下保持惯性体202的位置，并且电磁铁用于主动悬浮。换句话说，作用在惯性体202上的磁性力是由永久磁铁和由电磁铁产生的磁性力的组合。

在把永久磁铁和电磁铁的组合用作驱动磁铁302的情况下，由磁铁的每一个造成的磁性力的比率可以是例如80/20或70/30(永久磁铁/电磁铁)。换句话说，在这种情况下，惯性体202主要由永久磁铁的力悬浮，电磁铁在接通时仅提供辅助力。在其它情况下，可以使用相反的比率，例如20/80或30/70。应注意，这样可保证即使电磁铁断开、并且外壳104仅部分填充有磁性流体204，磁性流体204也将保持在磁铁附近，即使当传感器102完全断开时也是如此。

因而，使用永久磁铁和电磁铁的组合作为驱动磁铁的优点如下：

使用的电流量，特别是在“被动”时段期间，被减小。如果传感器只在短时段期间使用，则有可能减小要求的电流量。在这些短时段期间，接通电磁铁，并且然后当完成测量时把它们断开。

使用主动控制系统和电磁铁，有可能动态地调节惯性体202的悬浮特性，并且控制由于磁性流体204和驱动磁铁302的性能的时间相关可能产生的惯性体202的任何不稳定性。也有可能通过充分混合和搅动磁性流体204(“搅拌”它)以强迫惯性体202的运动而稳定磁性流体204的性能。这能自动地(定期地，或例如，当在某一长时间段内没有探测到加速度时)、或者响应用户命令进行。

永久磁铁的使用允许减小磁性流体204的磁扩散性能，并因此减小对惯性体202的悬浮的对应影响。永久磁铁的使用允许外壳104部分填充有流体的实现，这又允许传感器的更好动态特性和惯性体202悬浮的更大稳定性，由于在惯性体202的实际悬浮中不使用的磁性流体204的体积减小。

磁性流体204的选择可能是需要考虑的事项。一般地说，可能希望磁性流体204具有如下特性：最小的粘度、在饱和之前的最大磁通密度、均匀偶极子尺寸、没有杂质、其性能对于时间的稳定性、其性能对于尽可能宽的温度范围的稳定性、没有腐蚀性、低的膨胀系数、及对于使用惯性体202的运动的光学检测的用途的光学透明度。如将认识到的那样，多种这些性能难以组合地实现。因此，设计者需要依据具体用途和希望的传感器性能认真选择适当的磁性流体204。

磁性流体204的一个例子是具有悬浮氧化铁(Fe₃O₄)颗粒的煤油。磁性流体204因此是一种胶体悬浮液。Fe₃O₄颗粒的典型直径在10-20纳米(或更小)的量级上。Fe₃O₄颗粒的形状一般是球形的，并且当施加磁场时起磁性偶极子的作用。

更一般地说，磁性流体204能使用其它的铁磁性金属，如钴、钆、镍、镝、及铁；它们的氧化物，例如Fe₃O₄、FeO₂、Fe₂O₃；以及像锰锌铁氧体(Zn_xMn_1-xFe₂O₄)之类的磁性化合物、钴铁氧体、或其它铁磁性合金、氧化物及铁氧体。而且，除煤油之外，水或油能用作基液。

在另一个实施例中，磁性流体204可以是拥有流动性和对施加磁场的高灵敏度的两相系。在一个实施例中混合物的固相的颗粒尺寸可以在1×10^-9米的量级上，高到几十纳米。适当磁性流体204的一种类型是磁铁矿石或天然磁石在煤油中的低粘度分散液，具有在约1.1与约1.5克/立方厘米之间的密度。煤油分散液具有在约0.005与约0.1PAs之间的有效粘度，并且具有在250kA/m的磁场下在约30与约50kA/m之间的磁化能力。另一种适当的磁性流体204是磁铁矿石在液态有机硅酮中的低粘度分散液，具有在约1.1与约1.5克/立方厘米之间的密度。硅分散液具有低于约0.7PAs的有效粘度，并且具有在250kA/m的磁场下约25kA/m的磁化能力。而且，在液态有机硅酮中的分散铁磁性物质的磁作用(magnetoreactic)分散液可以用作适当的磁性流体204。磁作用悬浮液具有在约3.4与约4.0克/立方厘米之间的密度、约0.1至0.2的摩擦系数、及在约2×10^-7和8×10^-7之间的磨损率。

当磁场施加到磁性流体204上时，表现得有些像一种弹性固体，当惯性体202“推”压它时它阻止变形。换句话说，它有些以具有弹性变形的物体的方式工作，具有类似晶体的结构。这种效应在某些用途中可能需要考虑。

本发明具有多种用途。例如，它可应用于要求动作测量的人机接口。它可应用于响应突然加速/减速的主动装置。它可应用于监视/调节恒定速度运动的测量装置，并且可应用于测量和控制在线或转动运动中的振动的监视系统。它可应用于对于执法当局和救援服务人员的准确定位、对于医疗服务和应急车辆的精确定位和定向。它可应用于旅行者的精确个人导航工具。它可应用于游戏(控制器、操纵器、虚拟实境(Virtual Reality))。它可应用于体育，如训练项目、团队比赛及个人比赛。它可应用于娱乐领域，如动作捕捉。它可应用于计算机输入装置(例如，3维计算机鼠标)、和3D CAD测量装置。

航空和航天用途包括例如轻重量无人飞行器(UAV)的控制和惯性导航。陆地车辆用途包括车辆动态分析和车辆的(D)GPS信息的推测。航运业用途包括船舶、浮标和船导航及姿态/航线测量。钻探(钻井)业用途包括用于油和电信业的井孔测量。机器人用途包括移动机器人的导航和(D)GPS信息的推测。生理修复用途包括对于功能电模拟(FES)产品的步态监视。人机工程学用途包括在建造和组装业中工人的姿势登记和载荷监视。锻炼和体育用途包括运动员姿势和动作的监视。

虚拟实境和增强实境用途包括实时身体姿态和用于腔或头戴的显示器的观察方向测量。PC接口用途包括用于PDA或PC的2D或3D的动作输入装置，如用于CAD和动画设计者的3D计算机鼠标、视频游戏控制器和附件、无线电控制的车辆控制器、及体育训练装置(例如高尔夫球、垒球、网球)。另一种用途涉及视频装置，如摄像机、具有视频捕获的蜂窝电话等等。抖动是这样的装置中的常见问题。为了消除抖动，必须准确地知道抖动在任何给定时刻是什么。本发明的传感器的对于这样的视频装置的添加，允许视频装置知道对它正在做什么，从而它能电子地补偿抖动。在又一种用途中，具有视频显示屏幕的装置能保持显示器的竖直定向，即使当显示屏幕本身正在被转动时也是如此。

工业产品用途包括汽车气囊致动器、振动传感器、设备稳定平台、地震传感器(例如采矿、石油)、运动捕获系统、导航系统(例如代替GPS的位置推测)、及贵重器材/位置跟踪系统(例如蜂窝电话e911托管)。地震用途也包括确定地震运动的方向。医疗用途包括病人监视系统、和人机工程和动觉数字获得。

军事用途包括机器车辆(例如DARPA机器车辆挑战赛)、Predator/Drone远程控制、情报战场(Intelligent Battlefield)(例如敌我跟踪系统)、及规定弹道模拟。它也可应用于在野外和在空中的士兵和器械的精确定位、导弹和弹体的调整和制导(包括GPS信号或者中断、不可靠或不适用的情况)、车辆、飞机、直升机、海洋和江河运输的精确定位。

已经如此描述了本发明的实施例，对于本领域的技术人员显然，已经实现了描述的方法和设备的某些优点。也应该认识到，在本发明的范围和精神内能形成本发明的各种修改、修正、及可选择实施例。本发明进一步由如下权利要求书限定。

Claims (17)

1.一种测量加速度的方法，包括：

使用一种磁性流体使一个惯性体悬浮；

在磁性流体内产生一个磁场；

调制磁场，以抵消由加速度造成的惯性体的位移；及

基于调制计算加速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算步骤基于使用电磁铁的调制所要求的电流量导出加速度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，加速度包括线加速度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，加速度包括角加速度。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，角加速度包括角加速度的三个分量。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括通过用来产生磁场的多个磁铁的驱动电流。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括使用检测线圈来探测惯性体的位移。

8.一种用来测量加速度的方法，包括：

把一个惯性体悬浮在一种磁性流体中；

测量惯性体响应加速度的动作；

向惯性体施加一个力，以抵消加速度；及

作为施加力的函数计算加速度。

9.一种加速度计，包括：

一个惯性体；

把惯性体保持在悬浮中的多滴磁性流体；

保持所述滴磁性流体与惯性体相接触的多个磁极；及

一个控制器，它调制由磁极产生的磁场以抵消由加速度造成的惯性体的位移。

10.根据权利要求9所述的加速度计，其中，控制器导出加速度，加速度作为由磁极调制磁场所要求的电流的函数。

11.一种传感器，包括：

一个惯性体；

大体绕惯性体布置的多个磁铁；

在磁铁与惯性体之间的磁性流体；及

一个电路，它调制由磁铁产生的磁场，以抵消由加速度造成的惯性体的位移。

12.根据权利要求11所述的传感器，还包括一个第二电路，该第二电路基于抵消位移所要求的通过磁铁的电流量导出加速度。

13.根据权利要求11所述的传感器，其中，磁铁还包括永久磁铁。

14.根据权利要求11所述的传感器，还包括用来探测惯性体的位移的检测线圈。

15.根据权利要求14所述的传感器，其中，每个检测线圈基本上定位在一个对应的磁铁内。

16.根据权利要求11所述的传感器，其中，磁铁基本上布置在惯性体内。

17.根据权利要求11所述的传感器，其中，磁铁部分地布置在惯性体内。

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