CN205404333U - 一种基于pni磁传感阵列的磁流变液磁性颗粒运动检测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于PNI磁传感阵列的磁流变液磁性颗粒运动检测装置，包括传感器阵列、信号处理与通讯装置、PC上位机，以及位于磁流变液中的磁性颗粒，传感器阵列连接信号处理与通讯装置，信号处理与通讯装置连接PC上位机。所述传感器阵列包括多套完全一样的PNI磁传感器模块、每套PNI磁传感器模块的各轴完全正交、位置固定。所述信号处理与通讯装置包括多个微处理器模块，每一个微处理器模块连接对应的一套PNI磁传感器模块，信号处理与通讯装置用于采集所述PNI磁传感器模块测得的磁场数据，并上传至PC上位机。一种基于PNI磁传感阵列的磁流变液磁性颗粒运动检测装置，不仅可明显的监测到磁性颗粒的存在，同时还可实时显示磁流变液内的磁性颗粒的运动轨迹。该装置具备良好的可操作性，降低误测的概率，更低的辐射。

Description

一种基于PNI磁传感阵列的磁流变液磁性颗粒运动检测装置

技术领域

本实用新型一种基于PNI磁传感阵列的磁流变液磁性颗粒运动检测装置,属于磁定位和磁流变液磁性颗粒运动检测领域。

背景技术

磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性；而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的Bingham体特性。为了更好的研究磁流变液的性质，必须深入研究磁流变液在有、无磁场条件下的磁性颗粒的运动情况和轨迹。目前尚无方便简单的磁流变液磁性颗粒实时显示装置，基于上述缺点，开发出一套成本低、便携性好、能精确定位、自动化实时显示的磁流变液磁性颗粒检测装置显得尤为重要。

发明内容

本实用新型一种基于PNI磁传感阵列的磁流变液磁性颗粒运动检测装置，采用该探测装置进行磁流变液磁性颗粒实时显示定位，不仅可明显的监测到磁性颗粒的存在，同时还可实时显示磁性颗粒的运动轨迹。该装置具备良好的可操作性，降低误测的概率，低辐射。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种基于PNI磁传感阵列的磁流变液磁性颗粒运动检测装置，包括传感器阵列、信号处理与通讯装置、PC上位机，以及位于磁流变液中的磁性颗粒，传感器阵列连接信号处理与通讯装置，信号处理与通讯装置连接PC上位机。所述传感器阵列包括多套完全一样的PNI磁传感器模块、每套PNI磁传感器模块的各轴完全正交、位置固定，所述传感器阵列用于信号的获取。所述信号处理与通讯装置包括多个微处理器模块，每一个微处理器模块连接对应的一套PNI磁传感器模块，信号处理与通讯装置用于采集所述PNI磁传感器模块测得的磁场数据，并上传至PC上位机。所述PC上位机用于磁场数据接收、处理、保存、实时显示。

所述微处理器模块分别读取相应的PNI磁传感器模块数据，在多机通信协议下将数据传给总处理器模块，总处理器模块进行数据处理后，通过串口、或者无线传输模块将测得的磁场数据上传给PC上位机。

所述微处理器模块为ARM单片机或者FPGA微处理器，所述总处理器模块为ARM单片机或者FPGA微处理器。

所述PNI磁传感器模块由驱动IC芯片连接三个单轴的磁传感器构成。

本实用新型一种基于PNI磁传感阵列的磁流变液磁性颗粒运动检测装置，技术效果如下：

1)、利用磁敏技术，对磁性颗粒进行定位。该监测装置使用多套完全一样PNI磁传感器模块，采用差分处理消除地磁场和共模干扰等影响。为了提高磁定位的精确度，多套PNI磁传感器模块之间的位置相对固定。

2)、同时每套PNI磁传感器模块的三轴也必须完全正交，形成一个轴对称结构。总处理器模块在通信协议下，有序控制多个微处理器模块采集并接收磁传感器的磁场数据，进行相应的处理后通过串口、或者无线通讯模块传给PC机。利用PC机强大的数据处理和图形显示能力来处理数据、长时间记录数据、实时显示图像。

3)、该探测装置灵敏度高，可操作性好，误差率低，且不受地磁场干扰，探头不宜被强磁场损坏，仪器可靠性好，易于维护。

附图说明

图1是本实用新型装置连接示意图；

图2是本实用新型装置的监测原理示意图；

图3是本实用新型装置的结构框图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于PNI磁传感阵列的磁流变液磁性颗粒运动检测装置，包括传感器阵列1、信号处理与通讯装置2、PC上位机3，以及位于磁流变液B内的磁性颗粒6，传感器阵列1连接信号处理与通讯装置2，信号处理与通讯装置2连接PC上位机3。

所述传感器阵列1包括多套完全一样的PNI磁传感器模块、每套PNI磁传感器模块的各轴完全正交、位置固定，所述传感器阵列1用于信号的获取；

所述信号处理与通讯装置2包括多个微处理器模块4，每一个微处理器模块4连接对应的一套PNI磁传感器模块，信号处理与通讯装置2用于采集所述PNI磁传感器模块测得的磁场数据，并上传至PC上位机3。

所述PC上位机3用于磁场数据接收、处理、保存、实时显示。

所述微处理器模块4分别读取相应的PNI磁传感器模块数据，在多机通信协议下将数据传给总处理器模块5，总处理器模块5进行数据处理后，通过串口、或者无线传输模块将测得的磁场数据上传给PC上位机3。

所述微处理器模块4为ARM单片机或者FPGA微处理器。

所述总处理器模块5为ARM单片机或者FPGA微处理器。

原理分析：

一般的，一个磁性物体到传感器的距离是磁性物体本身的距离的3倍及以上时则这个磁性物体可以看成是磁偶极子。磁偶极子的磁场分布可以简单的表述为：

$H=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}m}{4{\mathrm{\πr}}^3}\sqrt{3{\mathrm{cos\θ}}^3+1}$

式中μ₀为磁场在真空中的磁导率，大小为4π*10^-7H/m，在空气中一般采用该值近似为磁导率，m为磁性物体的磁矩，r为检测点到磁源质心的距离，H为磁偶极子的磁场强度，θ为r和磁偶极子磁矩m之间的夹角。

由于磁流变液的磁性颗粒6和探测装置之间的距离是磁流变液中磁性颗粒6本身的直径的3倍以上，而水磁导率和空气磁导率相同，因此可以把磁性颗粒6看成是一个磁偶极子模型，同时以磁性颗粒6为三维空间坐标原点，磁性颗粒6的空间磁场分布随着位置不同而不一样，因此PNI磁传感阵列中各套完全相同的三轴磁传感器测得的磁场大小和方向都不一样。总处理器模块5采集磁场数据后通过串口(或无线传输模块)送到PC上位机3上。PC上位机3从磁场大小计算出永磁体6的位置，同时实时显示永磁体6的运动轨迹。

传感器阵列1使用美国PNI公司的SEN-R65磁传感器，其最大测量范围为±200μT，最高灵敏度为15nT，使用一个专用的驱动IC芯片12927和三个磁传感器SEN-R65即构成一个PNI磁传感器模块。理论上增加测点数目能够提高定位的精度和抗干扰能力，但同时也会增加系统复杂度，硬件开销以及定位运算的时间，综合考虑精度及成本以及被测目标的运动范围选择如图1的9测点的排列方式，图中黑色圆点代表PNI磁传感器模块的位置，9组PNI磁传感器模块位于同一个平面上。其中9组PNI磁传感器模块之间的位置相对固定。

信号处理与通讯装置2由：单片机①、单片机②、单片机③(ARM或FPGA等微处理器)分别读取相应的PNI磁传感器模块数据，后在多机通信协议下把数据传给总单片机(ARM或FPGA等微处理器)。总单片机处理后通过串口(或无线传输模块)把测得的磁场数据传给PC上位机3。

实施步骤如下：

磁流变液B放在容器A内，将磁性颗粒6放于磁流变液B内，传感器阵列1固定于一个和磁性颗粒6相隔一定距离的稳定区域。选择磁性颗粒6为坐标原点，因此可以准确计算出传感器阵列1各个PNI磁传感器模块的位置，磁性颗粒6可以作为磁偶极子模型处理，因此可以准确的写出其磁场分布。

系统上电后，传感器阵列1初始化。单片机读取相应的磁传感器磁场数据，通过串口可靠的传给PC上位机3，PC上位机3中基于Labview的串口子函数读取磁场数据，各个磁传感器的各轴磁场大小两两差分消除地磁场干扰，处理后的磁场大小数据通过反演算法推出磁性颗粒6的位置，实时的显示出来。

图2为本实用新型一种基于PNI磁传感阵列的磁流变液磁性颗粒运动检测装置的原理示意图。B为磁流变液，把磁性颗粒6放在磁流变液B内，E为9套完全一样的PNI磁传感阵列。其中，9套PNI磁传感器两两之间的距离一样，尽量的保持垂直、正交。当磁性颗粒6从C运动到D处，PNI磁传感阵列各套磁传感器测得的磁场大小就会发生变化，磁传感阵列把这个变化实时的送给单片机。

图3为本实用新型一种基于PNI磁传感阵列的磁流变液磁性颗粒运动检测装置的电路结构框图。其中PNI1、PNI2...PNI9分别代表九套完全一样的PNI磁传感器，每套磁传感器由一个专用的驱动芯片连接三个单轴的磁传感器构成。每个单轴的磁传感器的精度高达15nT，同时三个单轴也尽量的正交、垂直，和驱动芯片形成一种轴对称的关系。每个STC12LE2052AD单片机通过片选信号控制三套PNI磁传感器采集数据，同时通过SPI总线接收磁传感器采集到的数据。在多机通信机理下通过串口连到STC15L2K61S2单片机的串口1上，STC15L2K61S2单片机把接收到的数据在串口2下通过RS485总线远距离、大容量的发送到PC上位机3。

Claims (5)

1.一种基于PNI磁传感阵列的磁流变液磁性颗粒运动检测装置，包括传感器阵列（1）、信号处理与通讯装置（2）、PC上位机（3），以及位于磁流变液（B）内的磁性颗粒（6），其特征在于，传感器阵列（1）连接信号处理与通讯装置（2），信号处理与通讯装置（2）连接PC上位机（3）；所述传感器阵列（1）包括多套完全一样的PNI磁传感器模块、每套PNI磁传感器模块的各轴完全正交、位置固定，所述传感器阵列（1）用于信号的获取；所述信号处理与通讯装置（2）包括多个微处理器模块（4），每一个微处理器模块（4）连接对应的一套PNI磁传感器模块，信号处理与通讯装置（2）用于采集所述PNI磁传感器模块测得的磁场数据，并上传至PC上位机（3）；所述PC上位机（3）用于磁场数据接收、处理、保存、实时显示。

2.根据权利要求1所述一种基于PNI磁传感阵列的磁流变液磁性颗粒运动检测装置，其特征在于，所述微处理器模块（4）分别读取相应的PNI磁传感器模块数据，在多机通信协议下将数据传给总处理器模块（5），总处理器模块（5）进行数据处理后，通过串口、或者无线传输模块将测得的磁场数据上传给PC上位机（3）。

3.根据权利要求2所述一种基于PNI磁传感阵列的磁流变液磁性颗粒运动检测装置，其特征在于，所述微处理器模块（4）为ARM单片机或者FPGA微处理器。

4.根据权利要求2所述一种基于PNI磁传感阵列的磁流变液磁性颗粒运动检测装置，其特征在于，所述总处理器模块（5）为ARM单片机或者FPGA微处理器。

5.根据权利要求1所述一种基于PNI磁传感阵列的磁流变液磁性颗粒运动检测装置，其特征在于，所述PNI磁传感器模块由驱动IC芯片连接三个单轴的磁传感器构成。