CN1818592A - 物体转动惯量的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种物体转动惯量的测量方法和装置，采用磁场发生装置[4]产生复位磁场和驱动磁场，复位磁场使带有磁性功能材料[1]和被测物[2]的转动部件[3]复位，转动部件[3]在复位磁场和磁性功能材料[1]所产生的磁场作用下复位到起始位置；驱动磁场使转动部件[3]开始转动，随着驱动磁场与磁性功能材料[1]的磁矩之间夹角逐渐减小，驱动磁场产生的转矩也逐渐减小，在摩擦力的作用下，最终静止在与起始位置正交的位置上；随着转动部件[3]的转动，旋臂与复位磁场间的角度将变化，磁性功能材料[1]产生的磁场强度也随之变化；GMR传感器[5]检测磁性功能材料[1]产生的随时间变化的磁场强度，得到被测物[2]的角度和角速度随时间的变化曲线，从而判断被测物的转动惯量。

Description

物体转动惯量的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种物体转动惯量的测量方法及装置，尤其是利用GMR传感器测量物体转动惯量的测量方法及装置。

背景技术

物体的转动惯量是运动系统设计中的重要技术参数，转动惯量的测量在诸如飞机、汽车、机械零部件、电机转子等领域都要用到。在生物分子的识别等技术中，有一些方法是基于杂交后分子的质量和转动惯量发生的变化，利用检测振动频率或受力情况的变化来进行识别，此时需要检测生物分子的转动惯量。

目前，测量转动惯量的方法主要有两类，一类是利用振动方程，如扭振法、摆振法，利用了刚体摆动或振动的周期与转动惯量有关的原理，如专利CN2493919Y提出了一种利用扭振法测定异形物体转动惯量的装置。另一类是利用刚体转动微分方程，如落体法，利用了刚体转动的角加速度和速度与转动惯量有关的原理，如专利US6098025利用电机带动被测物旋转，通过测量转动角速度和电机电流来计算被测物的质心和转动惯量，专利US5656768则提出了一种测量内燃机转动惯量的方法，通过测量电机加速和减速过程中的转速和转矩来确定转动惯量，由此提出一套装置和方法。以上方法虽然对被测物的外形没有特别要求，但对于被测物的体积和质量都有很高的限制，无法应用于一些大型系统，也无法应用于微小物体的测量。除了这些通用的测量方法，还有一些已知技术是用于测量特定对象的转动惯量，如专利CN2527992Y公开的汽车动力总成质心及惯量矩测试台是利用复摆原理和动力总成的具体机构而设计的，这一方法的不足在于，装置结构大而复杂，安装和实验操作要求高，对被测物的体积和重量还有一定限制，而且是专用于汽车部件。另外，专利CN1563924A提出了基于系统辨识技术的复杂不规则结构物体转动惯量的估计方法，虽然可以测量任意不规则结构物体的转动惯量，且具有很好的通用性和可操作性，但是仍然无法测量微小物体的转动惯量。

上述测量方法，对被测物体的大小、体积都有一定要求，只能测量较大物体的转动惯量，无法测量如分子级别的微小物体的转动惯量，因此，需要用新的测量方法进行测量。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提出了一种利用GMR(巨磁电阻)传感器测量物体转动惯量的方法及装置。本发明利用被测物的转动惯量与其转速有关的特点，在转动部件的旋臂上固定磁性功能材料和被测物，使它们在磁场发生装置产生的特定磁场控制下以转动部件的转轴为轴心转动，GMR传感器通过检测磁性功能材料转动过程中产生的变化磁场，得到在转动部件转动过程中角度和角速度随时间的变化情况，从而根据转动方程求出其转动惯量。本发明不仅可以测量较大物体的转动惯量，而且还可以测量如分子级别的微小物体的转动惯量，特别适用于生物分子识别系统。

本发明方法的特征在于两方面，一是驱动被测物转动的手段，由于转动部件带有磁性功能材料，可以用外加磁场对其产生转矩来使被测物转动；二是利用GMR传感器检测磁场的变化来反映转动角度和角速度。

本发明利用磁场发生装置产生复位磁场和驱动磁场。复位磁场使固定了磁性功能材料和被测物的转动部件的旋臂复位，旋臂在复位磁场和磁性功能材料产生的磁场的磁矩作用下复位到起始位置。驱动磁场使旋臂以转轴为轴心开始转动，随着驱动磁场与磁性功能材料的磁矩之间夹角逐渐减小，驱动磁场产生的转矩也逐渐减小，在摩擦力的作用下，最终静止在与起始位置正交的位置上。随着旋臂的转动，旋臂与复位磁场间的角度将发生变化，GMR传感器处的磁场也将发生变化，GMR传感器检测该变化的磁场来反映角度的变化。再结合GMR传感器的磁场—电压输出特性，求出GMR传感器的输出电压与角度的变化关系，再根据时间和角度通过微分运算求得角速度，由求出的角度和角速度通过转动方程计算出被测物的转动惯量。

由于磁性功能材料可以制作成纳米级的磁性颗粒，可以标记在微小的被测物上，而GMR传感器是一种高精度、高灵敏度的磁敏传感器，具有非常适合检测低场信号的特点，如体积小，可进行无接触式检测，灵敏度很高等。这些优点使得本发明可以用于一些特殊的场合，如微小物体的转动惯量的检测。在测量微小物体的转动惯量时，被测物本身即是转动部件，将磁性功能材料颗粒标记在被测物上，磁场发生装置产生的驱动磁场和磁性功能材料颗粒共同作用下使被测物转动。在生物分子的识别等技术中，有一些方法是基于杂交后分子的质量和转动惯量发生的变化，利用检测振动频率或受力情况的变化来进行识别。本发明通过将磁性功能材料颗粒标记在生物分子上，磁场发生装置产生的驱动磁场和磁性功能材料颗粒共同转矩作用下使生物分子转动，GMR传感器检测转动过程中磁性功能材料产生的磁场来判断生物分子的转动惯量，因此，本发明特别适用于这种生物分子识别系统。

本发明的测量装置由磁场发生装置、GMR传感器、磁性功能材料以及转动部件组成，其中，转动部件由转轴和旋臂构成，磁场发生装置由线圈和电源构成的电磁铁构成，磁性功能材料是由永磁材料构成。磁性功能材料和被测物固定在转动部件的旋臂上，并用支架将转轴固定在磁场发生装置的均匀磁场范围内，从而使磁性功能材料、待测物以及转动部件位于该磁场范围中。GMR传感器位于转动部件转动的平面上，在转动部件起始位置处，距离磁性功能材料有一定间隔，从而使旋臂能够自由旋转。磁场发生装置还可以由永磁铁等构成。磁性功能材料还可以是软磁等材料。转动部件也可以是由非磁性功能材料形成的被测物自身，如生物分子的转动惯量测量中，生物分子是被测物，同时也是转动部件，将磁性功能材料颗粒标记在生物分子上来使其转动；还可以是由磁性功能材料形成的被测物，此时可以不外加磁性功能材料，通过驱动磁场直接使其转动。

在此，磁场产生的转矩大小为：

T_mag＝B_cMcosθ                                               (1)

其中B_c为磁场发生装置所产生的磁感应强度的大小，M为磁性功能材料的磁化强度，θ为旋臂与复位磁场之间的夹角，初始值为0°，终值约为90°。

将摩擦力分为两部分考虑，一部分是质量引起的，它引起的转矩为常数：

T_f1＝f₁mgd₁                                         (2)

其中，f1，d1是质量所产生的摩擦力的摩擦系数和力矩，mg是物体质量引起的重力。

另一部分摩擦力是由旋臂旋转时产生的离心力引起，摩擦力是F＝mω²r＝ρω²∫_vrdv，所以该部分摩擦力与旋臂的质量分布有关，与旋臂转动的角速度的平方成正比，该部分摩擦力引起的转矩为：

$T_{f2}=f_2\mathrm{\ρ}{\left(\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\right)}^2{d}_2{\∫}_v\mathrm{rdv}---\left(3\right)$

其中，其中f2，d2分别为质量和离心力所产生的摩擦力的摩擦系数和力矩，m是旋臂总质量，ω是角速度，dv表示旋臂的体积元，ρ是表示体积元处的密度，r是体积元与转轴的距离。

摩擦力的方向与角速度的方向 相反，因此，总摩擦力转矩为：

$T_f=(T_{f1}+T_{f2})\·\mathrm{sign}\left(\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\right)---\left(4\right)$

整个旋臂在磁力矩与摩擦力矩的共同作用下发生转动，由刚体的转动定律，结合式(1)～(4)：

$B_{c}M\cos \mathrm{\θ}-(K_1+K_2{\left(\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\right)}^2)\·\mathrm{sign}\left(\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\right)=I_0\frac{d^2\mathrm{\θ}}{d{t}^2}---\left(5\right)$

其中I₀为旋臂及被测物的转动惯量，K₁，K₂为与质量分布有关的系数。

通过对该系统加载阶跃输入B_c，利用GMR传感器的输出电压与旋转角度以及角速度的关系，由公式(5)计算出转动惯量I₀。之后，从上述的转动惯量I₀中减去旋臂的转动惯量就是被测物的转动惯量，旋臂的转动惯量可以通过重复上述方法在不带被测物的情况下测量来得到。

GMR传感器的输出电压与旋转角度以及角速度的关系，由以下公式求得。

首先，通过GMR传感器的输出电压求出磁场强度B。GMR传感器的磁场—电压输出特性反映了外加磁场强度和输出电压之间的关系，利用该磁场—电压曲线的线性区域，从GMR传感器的输出电压通过已知的线性运算或者曲线拟合等方法能够容易地得到磁场强度B。

其次，通过磁场强度B求出旋臂的旋转角度。将磁性功能材料简化为一磁偶极子，磁感应强度与旋臂的旋转角度之间的关系：

其中B为传感器所在位置沿探头轴向的磁感应强度，θ为旋臂转过的角度，μ₀为真空中的磁导率μ₀＝4π×10^-7H/m，r为探头所在位置与转轴的距离，l_y为磁性功能材料的几何中心距转轴的距离，m为磁偶极子的磁矩，此处 $m=\frac{B_r}{{\mathrm{\μ}}_0}v,$ B_r为磁性功能材料的剩磁，v为磁性功能材料的体积。

通过以上，最终求出了GMR传感器输出电压—旋转角度的变化关系。最后再根据时间和角度通过微分运算求得角速度。

本发明的测量方法操作步骤如下：

步骤1，将磁性功能材料和被测物固定在转动部件的旋臂上，并通过未图示的支架将转轴固定在磁场发生装置的均匀磁场范围内，从而使磁性功能材料、待测物以及转动部件位于该磁场范围中；

步骤2，由磁场发生装置产生复位磁场，使磁性功能材料带动转动部件和被测物复位到起始位置；

步骤3，由磁场发生装置产生驱动磁场，带有磁性功能材料和被测物的转动部件将随之转动，并在摩擦力的作用下最终停止在与起始位置正交的位置上。此过程中，由GMR传感器检测变化的磁场并转换为电压信号；

步骤4，根据在步骤3中得到的电压信号，利用GMR传感器的磁场—电压输出特性，求出GMR传感器处的磁场强度，通过公式(6)求出旋转角度，并根据时间和角度通过微分运算求得角速度，从而最终得到角度和角速度随时间的变化关系，最后利用公式(5)计算出物体的转动惯量。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图，其中1为磁性功能材料，2为被测物，3为转动部件，4为磁场发生装置，5为GMR传感器。

图2为GMR传感器信号处理电路示意图。

具体实施方式

图1是本发明测量装置具体实施例的结构示意图。如图1所示，本发明包括磁场发生装置4、GMR传感器5、磁性功能材料1以及转动部件3。在磁场发生装置4产生的有效磁场范围内，用支架放置转动部件3、磁性功能材料1以及被测物2，固定转动部件3的转轴。磁性功能材料1和被测物2被固定在转动部件3的旋臂上，它们可以随转动部件3的转轴自由转动，GMR传感器5通过未图示的支架固定在转动部件3转动的转动平面上，在转动部件3的起始位置处，用于检测磁性功能材料1产生的磁场变化。

本实施方式中，磁场发生装置4采用了由线圈和电源构成的电磁铁。线圈采用两对相互正交的亥姆霍兹线圈，由电源分别给两个线圈通电时能够产生复位磁场和驱动磁场。

首先，在复位磁场和磁性功能材料1产生的磁场的共同作用下，带有磁性功能材料1和被测物2的转动部件3的旋臂将复位到起始位置。其次，当磁场发生装置4产生驱动磁场时，位于起始位置的转动部件3的旋臂开始转动，随着驱动磁场与磁性功能材料1的磁矩之间夹角逐渐减小，驱动磁场产生的转矩也逐渐减小，在摩擦力的作用下，最终静止在与起始位置正交的位置上。随着转动部件3的旋臂的转动，磁性功能材料1产生的磁场强度也随之变化，GMR传感器5检测该变化的磁场，结合GMR传感器5的磁场—电压输出特性，通过图2所示的GMR信号处理电路，GMR传感器5输出的“差模信号”随时间的变化曲线反映了GMR传感器5中的磁场变化随时间的变化，由此得到被测物2的角度和角速度随时间的变化曲线。由此根据转动过程的不同，可判断被测物2的转动惯量。

在桥的两端加一稳定的电压，则传感器的输出电压即可反映外加磁场强度的变化情况。外磁场的磁场强度较大时，两个磁敏电阻阻值差异大，输出电压值较大，外加磁场小时，磁敏电阻阻值的差异小，输出电压小，外磁场为0时，输出电压为0。

磁场发生装置4，由线圈A、B以及电源(未图示)构成，其中，线圈A、B是两对相互正交的亥姆霍兹线圈，直径分别为40mm和50mm，可以产生大约4mT的磁场。控制信号通过控制线圈A、B的电流来控制复位磁场和驱动磁场的有无。转动部件3由环氧树脂制成转轴和旋臂构成，旋臂能够以转轴为轴心在水平面上自由转动。其中，旋臂长9mm。磁性功能材料1采用钕铁硼磁钢，长5mm，被固定在转动部件3的旋臂术端。被测物2由环氧树脂做成，被粘贴在磁性功能材料1上面。转动部件3的转轴通过未图示的支架固定在线圈A、B中心处，此时，上述的转动部件3、被测物2以及磁性功能材料1，都在线圈A、B中心、即线圈A、B产生的有效磁场范围内。

GMR传感器5固定在沿旋臂起始位置的轴线上距离磁性功能材料1约8mm处，其磁场敏感方向与线圈B产生的磁场方向垂直，与线圈A产生的磁场方向平行。GMR由两个磁敏电阻串联而成，在一定范围的磁场变化下两个磁敏电阻的阻值一个变大，一个变小。但GMR传感器的输出电压信号很小，因此需要进行小信号放大，在此，如图2所示，GMR与电阻R1、R2构成惠斯登电桥结构，在“V”两端接5V～20V的直流电压时，在“差模信号”两端输出反映了外磁场的变化的电压信号，该“差模信号”连接到未图示的运算放大器进行放大。该结构可以减少外界环境对传感器输出稳定性的影响，增加传感器灵敏度。

在不同负载下，由线圈A提供旋臂复位所用的磁场，旋臂在该磁场产生的转矩的作用下回复到与GMR传感器5同轴的位置。线圈B提供驱动旋臂旋转的磁场，其方向与磁性功能材料1的磁矩成90°，通电后，在磁矩的作用下旋臂开始旋转，随着磁场与磁性功能材料1的磁矩之间夹角的逐渐减小，磁场产生的转矩也逐渐减小，在摩擦力的作用下，最终静止在与GMR传感器5的轴线成90°的位置上。

GMR传感器5检测磁性功能材料1转动时的磁场强度变化，根据GMR传感器5的磁场强度—电压的输出特性，在起始位置时，GMR传感器5的输出电压最大，当磁性功能材料1静止在与GMR传感器5的轴线成90°的位置时，输出电压最小，由此可得到输出电压从最大值到过零点的时间，从而判断负载的转动惯量。随着负载的增加，系统的响应变慢，输出电压的过零点时间变长。过零点时间的差异反映了负载的差异，GMR传感器5可检测到负载转动惯量的变化。

本具体实施例中，GMR传感器5放置在被测物2转动的转动平面中被测物2的起始位置，磁敏感方向与固定在被测物2上的磁性功能材料磁场方向平行。也可以放置在与被测物2起始位置正交的位置上，也可以在起始位置和在与被测物2起始位置正交的位置上各设置一个GMR传感器5，也可以在被测物2起始位置上以正交的方向放置两个GMR传感器5。

Claims (3)

1、一种物体转动惯量的测量方法，其特征在于利用磁场发生装置[4]产生复位磁场和驱动磁场，复位磁场使带有磁性功能材料[1]和被测物[2]的转动部件[3]复位，转动部件[3]在复位磁场和磁性功能材料[1]所产生磁场的磁矩作用下复位到起始位置；驱动磁场使转动部件[3]开始转动，随着驱动磁场与磁性功能材料[1]的磁矩之间夹角逐渐减小，驱动磁场产生的转矩也逐渐减小，在摩擦力的作用下，最终静止在与起始位置正交的位置上；随着转动部件[3]的转动，转动部件[3]与复位磁场间的角度将发生变化，磁性功能材料[1]产生的磁场强度也随之变化；采用GMR传感器[5]检测磁性功能材料[1]产生的随时间变化的磁场强度，根据GMR传感器[5]的磁场-电压输出特性，求出GMR传感器[5]的输出电压与角度、角速度的变化关系，并通过转动方程计算出被测物[2]的转动惯量。

2、应用权利要求1所述的物体转动惯量测量方法的装置，其特征在于由磁场发生装置[4]、GMR传感器[5]、磁性功能材料[2]以及转动部件[3]组成，磁性功能材料[1]和被测物[2]固定在转动部件[3]的旋臂上，并将转动部件[3]的旋臂整体放置在磁场发生装置[4]产生的均匀磁场范围内；GMR传感器[5]位于转动部件[3]转动的转动平面上，在转动部件[3]起始位置处，距离磁性功能材料[1]有一定间隔。

3、按照权利要求2所述的物体转动惯量测量装置，其特征在于转动部件[3]可以是将磁性功能材料[1]标记在由非磁性功能材料形成的被测物自身而形成，亦可以是由磁性功能材料形成的被测物。