CN202119794U - 磁流变液加速度智能传感系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及磁流变体智能传感技术与磁流变液加速度智能传感系统设计，设计出磁流变液加速度智能传感系统。将一非磁性质量块放置于内部充满磁流变液的非磁性容器内部，用弹簧将质量块固定于容器内。当容器存在加速度时，质量块在弹簧弹性力和磁流变液的阻尼力的作用下将与容器产生相对位移。通过检测相对位移的变化可计算出容器的加速度。由于磁流变液的阻尼系数随外磁场的变化而变化，从而通过调节外磁场扩大加速度的测量范围。具有抗外界干扰能力强，精度高，测量范围大等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于磁流变体智能传感技术领域，具体涉及智能材料磁流变液的加速度智能传系统。
背景技术
磁流变液是一种智能材料，它由磁性粒子、基液以及添加剂组成。在无外磁场作用时，磁流变液呈现流动性良好的液体状态；在外加磁场作用下其表观粘度可在短时间（毫秒级）内增加到两个数量级以上，从液态转换成类固体状态。在撤掉外磁场后“固态”磁流变液可快速转换为流体状态（Wojciech Szelag. Finite
element analysis of the magnetorheo- logical fluid brake transients[J].2004,
23(3):758- 766.）。
加速度传感器是一种能够测量加速力的设备，广泛用于航空航天、武器系统、汽车等领域。通过测量加速度，可以获得运动物体的运动状态。从而可应用在控制、汽车制动启动检测、地震监测、地质勘探以及桥梁的振动测试与分析。现有的加速度传感器一般刚度较小，测量范围有限，使用中容易达到其量程的极限值。
发明内容
为了能够有效提高加速度的测量范围，本实用新型提出一种磁流变液加速度智能传感系统。该系统主要分为加速度测试系统、信号转换电路以及量程控制电路三部分。
加速度测试系统由非磁性容器、检测电容、磁场线圈、非磁性运动块、磁流变液、和弹簧组成。磁流变液充满非磁性容器，非磁性运动块悬浮于磁流变液中，其上下两端分别被两根弹簧固定，弹簧另一端固定在非磁性容器内。磁场线圈用来为磁流变液提供磁场。将非磁性运动块当作动极板、在非磁性容器外设置定极板，二者构成检测电容。当非磁性容器运动时，非磁性运动块将与非磁性容器产生相对位移，从而检测电容将发生变化。
信号转换电路由检测电容、反馈电阻、反馈电容和运算放大器构成的比例运算电路组成。用一交流电压信号对该比例运算电路进行激励后，将检测电容随相对位移的变化转化为交流电压信号。用嵌入式系统或虚拟仪器或单片机对该电压信号进行运算和处理即可得到相对位移随时间的变化，从而可得非磁性容器的加速度的大小。
量程控制电路由已知电阻、反馈电阻、多路开关、磁场线圈和运算放大器构成的比例运算电路组成。用一直流电压信号对该比例运算电路进行激励后，通过多路开关控制多个反馈电阻，从而实现不同幅值的直流电压输出。用所输出的直流电压控制磁场线圈中的电流大小，从而在线圈中将产生不同大小的磁场。磁流变液在不同磁场下阻尼系数不同，从而实现加速度传感器的量程可调。
本实用新型结构简单，不但可以有效地检测加速度的大小，而且可以实现不同量程的加速度测量。
本实用新型所采用的技术方案如下：
一种磁流变液加速度智能传感系统，该系统包括加速度测试系统、信号转换电路以及量程控制电路三部分。
所述加速度测试系统由非磁性容器、检测电容、磁场线圈、非磁性质量块、磁流变液和弹簧组成。磁流变液充满非磁性容器，非磁性运动块悬浮于磁流变液中，其上下两端分别被两根弹簧固定，弹簧另一端固定在非磁性容器内。磁场线圈用来为磁流变液提供磁场。将非磁性质量块当作动极板、在非磁性容器内设置定极板，二者构成检测电容。当非磁性容器运动时，非磁性质量块在弹簧弹性力、磁流变液阻尼力、自身重力、磁流变液浮力相互作用下将与非磁性容器产生相对位移，即检测电容面积将发生变化，从而检测电容将发生变化。
所述信号转换电路由检测电容、反馈电阻、反馈电容和运算放大器构成的比例运算电路组成。当测试时，向电路输入一交流电压信号，该交流电压信号对比例运算电路进行激励后，将检测电容随相对位移的变化转化为交流电压信号。用嵌入式系统或虚拟仪器或单片机对该电压信号进行运算和处理即可得到相对位移随时间的变化，从而可得非磁性容器的加速度的大小。
所述量程控制电路由已知电阻、反馈电阻、多路开关、磁场线圈和运算放大器构成的比例运算电路组成。当测试时，向电路输入一直流电压信号。该直流电压信号对比例运算电路进行激励后，通过多路开关控制多个反馈电阻，从而实现不同幅值的直流电压输出。用所输出的直流电压控制磁场线圈中的电流大小，从而在线圈中将产生不同大小的磁场。磁流变液在不同磁场下阻尼系数不同，从而实现加速度传感器的量程可调。
根据上述测试装置，本实用新型进一步提出一种基于磁流变液的加速度检测方法，该方法包括以下步骤：
（1）设计基于磁流变液的加速度测试系统、信号转换电路及量程控制电路。
（2）通过量程控制电路选择合适的测量磁场。
（3）通过信号转换电路将检测电容变化转换为电路输出电压变化。
（4）通过可编程的虚拟仪器或嵌入式系统或单片机对上述电压信号采集、数据处理和运算，从而得到加速度的大小。
本实用新型的特点是：
(1)设计出磁流变液加速度智能传感系统。
(2)可以检测出不同量程范围的加速度。
(3)为磁流变液在传感技术中的应用提供了一种新的方法。
附图说明
:
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型加速度测试系统示意图；
图中1.磁场线圈，2.铝合金容器，3.弹簧，4.铝合金圆环，5.电容定极板，6.磁流变液，7.铝合金质量块，8.金属杆，9.金属杆，10.绝缘材料
图2是信号转换电路图；
图3是量程控制电路图；
具体实施方式:
参照图1，本实用新型所涉及的加速度测试系统由磁场线圈1、铝合金容器2、弹簧3、铝合金圆环4、检测电容定极板5、磁流变液6、铝合金质量块7、铝合金杆8、铝合金杆9、陶瓷10组成。磁流变液6充满铝合金容器2，铝合金质量块7(上下两端固定有铝合金杆9)悬浮于磁流变液6中，其上下两端分别被两根弹簧6固定，弹簧另一端固定在铝合金容器2内。磁场线圈1用来为磁流变液6提供磁场。铝合金杆8一端固定在铝合金容器2上，另一端固定有铝合金圆环4用来限制铝合金质量块7只能在竖直方向运动。将铝合金质量块7当作电容动极板，在铝合金容器2内设置铝合金检测电容定极板5，铝合金容器2与铝合金检测电容定极板5之间用陶瓷10隔离。其中铝合金容器2、铝合金质量块7、铝合金检测电容定极板5、陶瓷10为圆柱形。
参照图2，信号转换电路由检测电容Cx(皮法级别)、已知电阻R1、R2、反馈电容C1、已知电容C2、C3和运算放大器构成。
参照图3，量程控制电路图由已知电阻R3、R4、R5、R6、R7、运算放大器、磁场线圈和多路开关K1、K2和K3组成。
参照图1、2、3，加速度测量方案为：
当铝合金容器2沿竖直方向运动时，将产生加速度a, 铝合金质量块7在弹簧弹性力、磁流变液阻尼力、自身重力、磁流变液浮力相互作用下将与铝合金容器2产生相对位移。设相对位移为y，则有：
当铝合金质量块7与铝合金容器2产生相对位移后，检测电容将发生变化，检测电容与相对位移关系为：
其中，C0为初始电容，r2为定极板内径；r1为质量块外径，由（2）式得：
将（3）式代入（1）式并经非线性校正后可得加速度a的大小。
参照图2，检测电容测量方案为：
向电路输入正弦信号U0(t), 通过正弦信号U0(t)对被测检测电容进行激励，激励电流流经由反馈电阻R1、反馈电容C1，和运算放大器组成的检测器转换成交流电压 U1(t)，由电路基本原理可得：
参照图3，测量不同范围加速度方案为：
向电路输入直流电压U2,通过直流电压对比例运算电路进行激励，激励电流经由多路开关K1、K2、K3和电阻R5、R6、R7组成的反馈网络后，可得到不同大小的输出电压U3，U3作用在磁场线圈上，使得磁场线圈中产生不同大小的磁场。因为磁流变液的阻尼系数随外磁场的变化而变化，从而铝合金质量块7所受到的阻尼力将随磁场的变化而变化。当加速度a较小时，调节外磁场较小，使得阻尼力较小；当加速度较大时，调节外磁场较大，使得阻尼力较大。通过这种方式可以测量不同范围的加速度。
Claims (1)
1.一种磁流变液加速度智能传感系统，该系统包括加速度测试系统、信号转换电路以及量程控制电路三部分，其特征为：
所述加速度测试系统由非磁性容器、检测电容、磁场线圈、非磁性质量块、磁流变液和弹簧组成；磁流变液充满非磁性容器，非磁性运动块悬浮于磁流变液中，其上下两端分别被两根弹簧固定，弹簧另一端固定在非磁性容器内；磁场线圈用来为磁流变液提供磁场；将非磁性质量块当作动极板、在非磁性容器外设置定极板，二者构成检测电容；
所述信号转换电路由检测电容、反馈电阻、反馈电容和运算放大器构成的比例运算电路组成；当测试时，向电路输入一交流电压信号，该交流电压信号对比例运算电路进行激励后，将检测电容随相对位移的变化转化为交流电压信号；用嵌入式系统或虚拟仪器或单片机对该电压信号进行运算和处理即可得到相对位移随时间的变化，从而可得非磁性容器的加速度的大小；
所述量程控制电路由已知电阻、反馈电阻、多路开关、磁场线圈和运算放大器构成的比例运算电路组成；当测试时，向电路输入一直流电压信号；该直流电压信号对比例运算电路进行激励后，通过多路开关控制多个反馈电阻，从而实现不同幅值的直流电压输出；用所输出的直流电压控制磁场线圈中的电流大小，从而在线圈中将产生不同大小的磁场；磁流变液在不同磁场下阻尼系数不同，从而实现加速度传感器的量程可调。
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