CN218955912U - 一种具有磁流体动力泵的线振动传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有磁流体动力泵的线振动传感器，其外壳由金属顶盖和金属底座共同构成，在金属底座内设有凹槽；凹槽与金属顶盖内部共同形成一腔体，在腔体内设置有U形磁体，在U形磁体顶部的内侧面设置有动力泵的两个电动势极板，底部开口两端的内侧面设置有两个永磁体，在U形磁体的内部设置有流体通道；在流体通道的外侧底部直线段为外电极、内侧底部直线段为内电极，在流体通道内充满导电流体。本实用新型能有效的提高磁流体动力学线振动传感器对低频信号检测的性能，从而实现对传感器频谱的拓展。

Description

一种具有磁流体动力泵的线振动传感器

技术领域

本实用新型涉及磁流体动力学领域，具体地，涉及一种具有磁流体动力泵的线振动传感器。

背景技术

常用于航天器测振的传感器有压阻型线振动传感器和压电型线振动传感器，其中，压阻型线振动传感器常用于测量低频振动，但是其存在抗冲击性能较差和受温度影响较大的问题；压电型线振动传感器常用于测量高频振动，但是其存在测量精度不高，且不能测量零频率的信号的问题。

针对上述测振传感器的缺陷和不足，磁流体动力学线振动传感器应运而生。基于磁流体动力学的线振动传感器不存在内部固件间的机械磨损现象，具有屈服强度高、动态性能好、阻尼调节范围宽等优点。虽然磁流体动力学线振动传感器的带宽可达1KHz，但是其面临着低频(<1Hz)信号检测性能不佳的问题。为解决低频性能差的问题，一般重新设计线振动传感器检测电路，以提高微弱信号检测性能，拓展线振动传感器的工作带宽。

以上利用补偿电路的方法为在信号输出端处理，受传感器自身特性影响较大，并且不适合在快速的系统环境中应用，限制了磁流体动力学线振动传感器的应用领域，并未在根本上改进传感器的低频性能。

发明内容

本实用新型的目的是，针对现有技术中的缺陷，通过改进传感器机械结构，提供一种具有磁流体动力泵的线振动传感器，以期能实现传感器对低频范围内振动信号的测量，从而能有效提高低频信号的检测性能，并在强冲击等恶劣的环境下达到稳定工作的目的。

本实用新型为达到上述实用新型目的，采用如下技术方案：

本实用新型一种具有磁流体动力泵的线振动传感器的特点在于，所述线振动传感器的外壳由金属顶盖和金属底座共同构成，在所述金属底座内设有凹槽；所述凹槽与金属顶盖内部共同形成一腔体，在所述腔体内设置有：U形磁体、动力泵的两个电动势极板、两个永磁体、流体通道；

所述U形磁体的顶部和顶盖内表面相接触，所述U形磁体的底部开口两端和凹槽紧密相连；

在U形磁体顶部的内侧面两侧分别设置有左电动势极板和右电动势极板；

在U形磁体底部开口两端的内侧面分别设置有左永磁体和右永磁体；

在U形磁体内设置有流体通道，所述流体通道是由通道外环、通道内环、左通道侧墙、右通道侧墙组成的密闭环路；

所述流体通道的顶部夹持在所述左电动势极板和右电动势极板之间；

所述流体通道的底部夹持在所述左永磁体和右永磁体之间；

在所述流体通道内充满导电流体；

所述通道外环的顶部直线段与所述U形磁体相接触；

设置所述通道外环的底部直线段为外电极，且与所述底座凹槽相接触；

设置所述通道内环的底部直线段为内电极。

本实用新型所述的一种具有磁流体动力泵的线振动传感器的特点也在于，左通道侧墙、右通道侧墙、通道内环、通道外环的厚度相等。

所述金属顶盖、金属底座、U形磁体、左永磁体和右永磁体、左电动势极板和右电动势极板、左通道侧墙和右通道侧墙、通道外环以及通道内环的轴线与磁流体动力学线振动传感器的测量方向的轴线垂直。

所述左永磁体和右永磁体在流体通道内的导电流体两侧产生分布均匀的磁场，且剩磁方向在测量方向的垂直方向上，从而形成垂直的磁场环境。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型基于磁流体动力学电磁感应原理，使用兼具良好流动性和优良导电性的导电流体材料，利用流体的流动性与通道墙及磁场区域产生相对运动，切割磁感线产生动生电动势的原理检测线振动信息，区别于传统线振动传感器，其通过流体运动测量而没有固体移动部件，不存在机械磨损，因此具有高可靠性、高强度、长寿命的特点。

2.本实用新型对线振动传感器的结构进行改进，在磁流体动力学线振动传感器的结构上加入磁流体动力泵，磁流体动力泵将电压作用于流体通道内的导电流体，电压产生的电场需与磁场相互垂直，在相互垂直的电场和磁场的作用下，流体通道内的导电流体以一个附加流速流动，在低频时实现了对线振动的测量，提高了线振动传感器低频检测性能。

3.本实用新型中的磁流体动力泵，是在磁场的作用下将电动势转换成动能驱动导电流体运动，相对于其他的非机械式流体驱动技术，磁流体泵驱动技术具有构造简单，容易加工，可以通过调节流体泵接通电源的电压大小来控制流体泵驱动导电流体的速度以及改变接通电源电压的极性控制导电流体的运动方向，实现了磁流体动力泵双向驱动流体以及使用功耗低等优点。

4.本实用新型中的磁流体动力泵，可以采用两种供电方式；直流源磁流体动力泵驱动导电流体只需在通道前后两侧接通导电电极，通过电极给流体通道施加电压后，导电流体在磁场的作用下，产生电磁力，从而驱动流体流动，直流源磁流体动力泵的优点是原理和工艺简单；交流源磁流体动力泵的结构较直流源磁流体动力泵复杂，交流源磁流体由绕组线圈与磁体组成，但是具有电机使用寿命长，极少有气泡产生等优点。

附图说明

图1是本实用新型具有磁流体动力泵的线振动传感器的主视剖视图；

图2是本实用新型具有磁流体动力泵的线振动传感器的左视剖视图；

图中标号：1.金属顶盖；2.U形磁体；3.右电动势极板；4.右通道侧墙；5.导电流体；6.右永磁体；7.凹槽；8.金属底座；9.外电极；10.左永磁体；11.内电极；12.通道内环；13.左电动势极板；14.左通道侧墙；15.通道外环；16.对称轴。

具体实施方式

本实施例中，一种具有磁流体动力泵的线振动传感器的外壳内部的磁路设计如图1、图2所示，线振动传感器的外壳由金属顶盖1和金属底座8共同构成，在金属底座8内设有凹槽7；凹槽7与金属顶盖1内部共同形成一腔体，在腔体内设置有：U形磁体2、动力泵的两个电动势极板、两个永磁体、流体通道；传感器的结构主要以导电流体与磁场的配置为主要导向，使最终得到的传感器具有紧凑的结构、良好的流体密封性与封闭的均匀磁场。因此外壳的金属顶盖1和金属底座8材料应选用具有高饱和磁通密度的软磁材料，如铁镍合金等，这样既防止传感器内部磁路对周围器件造成影响，又避免壳体内部传感部分受到外界电磁干扰影响。

U形磁体2的顶部和顶盖1内表面相接触，U形磁体2的底部开口两端和凹槽7紧密相连；U形磁体2也应选具有用高饱和磁通密度的软磁材料，这样既可以抑制外界电磁场的影响，保证传感器的灵敏度，同时又可以配合一对永磁体构成闭合磁路。闭合磁路的强度大小与分布均匀性对传感器的设计至关重要。减小漏磁现象，保证导电流体切割磁场时产生的感应电动势的线性度与磁流体动力泵驱动流体的稳定性至关重要。

在U形磁体2顶部的内侧面两侧分别设置有左电动势极板13和右电动势极板3；动力泵电动势极板头部与流体接触的位置使用密封胶密封，尾部通过电极孔引出导线到传感器顶部，用于连接外部电源。通过对两个电动势极板施加电压，对加持在两个电动势极板之间的流体通道内的导电流体5产生附加速度。其中，左电动势极板13和右电动势极板3的材料应选择良导体，如金属铜材料。动力泵电动势极板应具有较高的电导率，较小的电阻，这样能提高动力泵电动势的准确度。

在U形磁体2底部开口两端的内侧面分别设置有左永磁体10和右永磁体6；永磁体一侧磁极与U形磁体内壁相连，另一侧磁极与流体通道对应侧壁的外壁相接触，底部嵌入凹槽7内，这样能够减小磁场漏磁情况以及减少工作气隙，使永磁体发挥最大的磁能，保持均匀的磁场分布与磁场强度，提高传感器的灵敏度。左永磁体10、右永磁体6材料应选用可以提供强磁场的永磁材料，并且两个永磁体磁极方向需要一致，可以选择左永磁体10北极面紧贴U形磁体2内壁，则右永磁体6南极面紧贴U形磁体2内壁的方式摆放，还可以选择左永磁体10南极面紧贴U形磁体2内壁，相应地，右永磁体6应北极面紧贴U形磁体2内壁的方式摆放，不同的摆放方式不会影响传感器的性能。左永磁体10和右永磁体6在流体通道内的导电流体5两侧产生分布均匀的磁场，且剩磁方向在测量方向的垂直方向上，从而形成垂直的磁场环境。

在U形磁体2内设置有流体通道，流体通道是由通道外环15、通道内环12、左通道侧墙14、右通道侧墙4组成的密闭环路；具体实施中，左通道侧墙14、右通道侧墙4、通道内环12、通道外环15的厚度相等，并由密封胶粘连，这样可以有效防止导电流体5外溢。流体通道的顶部夹持在左电动势极板13和右电动势极板3之间；流体通道的底部夹持在左永磁体10和右永磁体6之间；在流体通道内充满导电流体5；流体通道的两个侧墙的底部都嵌入凹槽7内，顶部与U形磁体2的内壁相接触，右通道侧墙4、左通道侧墙14的形状为跑道型，该结构相对于矩形结构对于流体流动时流阻更小，相对于圆形结构更便于加工。右通道侧墙4、左通道侧墙14的材料均应选用绝缘非导磁材料，可以选择聚碳酸酯，也可以选择有机玻璃，这样避免对电极上电势的分布造成影响。

通道外环15的顶部直线段与U形磁体2相接触；设置通道外环15的底部直线段为外电极9，且与底座凹槽7相接触；设置通道内环12的底部直线段为内电极11。通道外环15和通道内环12除底部直通道段为良导体外，其余部分均应为绝缘非导磁材料，这样既可以不影响电势分布，又可以有效降低电磁两种信号间的相互耦合影响。

内电极11、外电极9分别输出电势信号，用于测量通道外环15与通道内环12的电势差。具体实施中，内电极11和外电极9的材料也应选择良导体。

金属顶盖1、金属底座8、U形磁体2、左永磁体10和右永磁体6、左电动势极板13和右电动势极板3、左通道侧墙14和右通道侧墙4、通道外环15以及通道内环12的轴线与磁流体动力学线振动传感器的测量方向的轴线垂直。

本实施例中，假设磁场均匀、内外电极分别等电势，则流体腔内的电流、电势也将是均匀分布的，则一种具有磁流体动力泵的线振动传感器的工作原理如下：

磁流体动力学线振动传感器工作原理利用了磁流体材料导电的特性，其基本思想是电磁感应的原理。如图1所示，左永磁体10和右永磁体6形成与测量方向相垂直且均匀的磁场环境。将导电流体5充满流体通道内，该流体通道只在底部直通道段上下壁导电，其余部分均绝缘。流体通道底端直线段位于左永磁体10和右永磁体6形成的磁场环境中。将整个传感器与待测的转动物体固定在一起，当外界在磁流体动力学线振动传感器的敏感轴方向有线振动信号α输入时，由于磁流体黏度很小，相对固定惯性坐标系几乎不动，因此磁流体和永磁体之间将产生一个相对速度v，磁流体切割磁力线，因而在内外壁电极之间产生动生电动势E，即:E＝v×B。

而当检测的振动为低频(<1Hz)时，导电流体难以与惯性空间保持相对静止，会与传感器壳体一起运动；通过磁流体动力泵在流体环中引入附加流速，增加相对速度，实现磁流体动力学线振动传感器对低频检测性能的提高。

Claims (4)

1.一种具有磁流体动力泵的线振动传感器，其特征在于，所述线振动传感器的外壳由金属顶盖(1)和金属底座(8)共同构成，在所述金属底座(8)内设有凹槽(7)；所述凹槽(7)与金属顶盖(1)内部共同形成一腔体，在所述腔体内设置有：U形磁体(2)、动力泵的两个电动势极板、两个永磁体、流体通道；

所述U形磁体(2)的顶部和顶盖(1)内表面相接触，所述U形磁体(2)的底部开口两端和凹槽(7)紧密相连；

在U形磁体(2)顶部的内侧面两侧分别设置有左电动势极板(13)和右电动势极板(3)；

在U形磁体(2)底部开口两端的内侧面分别设置有左永磁体(10)和右永磁体(6)；

在U形磁体(2)内设置有流体通道，所述流体通道是由通道外环(15)、通道内环(12)、左通道侧墙(14)、右通道侧墙(4)组成的密闭环路；

所述流体通道的顶部夹持在所述左电动势极板(13)和右电动势极板(3)之间；

所述流体通道的底部夹持在所述左永磁体(10)和右永磁体(6)之间；

在所述流体通道内充满导电流体(5)；

所述通道外环(15)的顶部直线段与所述U形磁体(2)相接触；

设置所述通道外环(15)的底部直线段为外电极(9)，且与所述底座凹槽(7)相接触；

设置所述通道内环(12)的底部直线段为内电极(11)。

2.根据权利要求1所述的一种具有磁流体动力泵的线振动传感器，其特征在于，左通道侧墙(14)、右通道侧墙(4)、通道内环(12)、通道外环(15)的厚度相等。

3.根据权利要求1所述的一种具有磁流体动力泵的线振动传感器，其特征在于：所述金属顶盖(1)、金属底座(8)、U形磁体(2)、左永磁体(10)和右永磁体(6)、左电动势极板(13)和右电动势极板(3)、左通道侧墙(14)和右通道侧墙(4)、通道外环(15)以及通道内环(12)的轴线与磁流体动力学线振动传感器的测量方向的轴线垂直。

4.根据权利要求1所述的一种具有磁流体动力泵的线振动传感器，其特征在于，所述左永磁体(10)和右永磁体(6)在流体通道内的导电流体(5)两侧产生分布均匀的磁场，且剩磁方向在测量方向的垂直方向上，从而形成垂直的磁场环境。

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