CN2721964Y - 集成相对速度传感功能的磁流变阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种集成相对速度传感功能的磁流变阻尼器，由缸体、磁流变液、活塞头上的励磁线圈、活塞杆里的感应线圈、蓄能器、防尘罩套等部分构成；励磁线圈和感应线圈构成一有源磁电式相对速度传感器，与磁流变阻尼器结构集成一体。当给励磁线圈加载一中低频电压信号作为该传感器的励磁检测信号，产生的同频交变磁场在阻尼器结构中形成一闭合工作磁回路；磁流变阻尼器的活塞与缸体之间轴向相对运动使感应线圈的磁链发生相应变化并感生得到一包含该相对运动信息的传感输出信号；通过信号隔离，选频放大，同步解调，低通滤波等功能电路后获得活塞与缸体之间的实际相对运动信息。

Description

集成相对速度传感功能的磁流变阻尼器

技术领域

本实用新型涉及一种磁流变阻尼装置，尤其是集成相对速度传感功能的磁流变阻尼器。

背景技术

振动是一种常见的物理现象，伴随人类社会的不断进步和科学技术的不断发展，在交通、国防、机械加工、建筑结构以及科学研究等领域出现的振动问题日益受到关注。长期以来，为了有效克服和避免各种不利的振动，先后提出了被动式、主动式和半主动式等振动控制系统。近年来，由于磁流变液、磁流变阻尼器(简写为MR阻尼器)的相继出现及其性能的不断改善，基于MR阻尼器的半主动减振系统引起了人们的极大关注。与其它半主动减振系统相比，基于MR阻尼器的半主动减振系统具有阻尼力大、性能稳定(对杂质和温度不敏感)、所需电压低、耗能小和成本低等优点。基于MR阻尼器的半主动减振系统主要由传感器、MR阻尼器、弹簧、电流驱动器、控制器及相关辅助电路等部分构成。当被控对象(如车辆、精密实验平台、精密加工机床等)振动时，控制器根据传感器检测到的被控对象主体(如车辆的车身、精密实验平台的台体、精密加工机床的床身等)与承载体(如车辆的车桥、精密实验平台的台柱、精密加工机床的底座等)之间的相对振动状况做出相应的分析和决策，并产生一控制电压作用电流驱动器，通过电流驱动器给励磁线圈加载一驱动电流调节励磁线圈的磁场强度，从而在毫秒级时间内改变位于阻尼器节流孔中的磁流变液的屈服应力大小，达到调节MR阻尼器的阻尼的目的，实现对被控对象振动的半主动阻尼减振。在这个闭环的半主动阻尼减振控制系统中，一个重要的输入量就是MR阻尼器两端所连接的被控对象主体与承载体之间的相对运动速度。

在现有的基于MR阻尼器的半主动减振系统中，实现被控对象主体与承载体之间的相对运动速度传感的方式主要有两种：采用相对位置传感器方式和采用加速度传感器方式。采用相对位置传感器方式时一般在振动控制系统中配置一个或多个相对位置传感器(与MR阻尼器并列安装)，传感器的一端连接到被控对象主体上，另一端连接到承载体上，当被控对象振动时传感器将主体与承载体之间的相对位置变化转换成电信号，该信号通过微分电路即得到相对速度。采用加速度传感器方式时一般在被控对象主体和承载体的适当位置分别安装一个或多个加速度传感器，通过将相对应的两路加速度信号相减并经过后续的积分电路获得主体与承载体之间的相对运动速度。无论采用哪种传感方式，单独配置的传感器不仅增加了整个振动控制系统的成本和结构复杂性，而且直接暴露于外部环境之中的传感器很容易受到外界环境(如机械碰撞、渗水渗油、电磁波等)的干扰甚至被损坏，从而影响振动控制系统的整体可靠性及稳定性，缩短系统的使用寿命。

发明内容

本实用新型公开了一种集成相对速度传感功能的磁流变阻尼器。它在现有MR阻尼器的结构上集成了一个有源磁电式相对速度传感器，实现被控对象主体与承载体之间相对运动速度的集成传感，结合磁流变液阻尼系数的连续可调特性和控制器的振动自动控制特性，进一步实现半主动减振系统的自适应减振目的。

本实用新型的目的由以下方式实现：

本实用新型所述的集成相对速度传感功能的MR阻尼器包括单筒MR阻尼器中的缸体、装在缸体内的磁流变液、活塞头、活塞杆、蓄能器、防尘罩套，其中缸体由缸筒、上端盖和下端盖构成。活塞头把缸体分为上下两个工作腔，蓄能器位于下工作腔的底部；在活塞头的外圆周上均匀布置的多个定位铜片把活塞头的外圆周与缸筒内壁之间形成的间隙分割为多段作为磁流变液流动的液流间隙；活塞杆外端和下端盖上分别设置有连接装置与被控对象的主体或承载体连接。本阻尼器的结构特征如下：

(1)所述的活塞头上绕制一电磁线圈，作为集成相对速度传感器与MR阻尼器的共用励磁线圈，励磁线圈的引线连接阻尼器外部由集成相对速度传感器用的励磁检测信号源与调节磁流变液屈服应力的励磁电流源相叠加后的外部激励源；

(2)所述的活塞杆采用中空管状结构，里面装有一个绕线杆，并在绕线杆上均匀绕制一电磁线圈，作为集成相对速度传感器的感应线圈，感应线圈的引线连接外部信号预处理电路；

(3)所述的活塞杆、下端盖采用极低导磁材料，而活塞头、活塞杆里的绕线杆、缸筒和上端盖均采用高导磁材料，缸筒与活塞头外圆周的定位铜片之间、上端盖与活塞杆之间采用间隙配合。

利用上述结构可以实现有源磁电式相对速度传感器与MR阻尼器结构集成一体。本实用新型实现被控对象主体与承载体之间相对运动速度的集成传感原理如下：

首先，给MR阻尼器的励磁线圈加载一中低频电压信号作为励磁检测信号，其产生的同频交变磁场在MR阻尼器的活塞头、活塞杆中的绕线杆、上端盖、缸筒、缸筒与活塞头之间的液流间隙、缸筒与活塞头外圆周的定位铜片之间及上端盖与活塞杆之间的气隙中形成一闭合工作磁回路，并使活塞杆内的感应线圈感生得到一同频交变电压信号。

其次，在MR阻尼器活塞与缸体之间的轴向相对运动(由外界振动引起)过程中，由于闭合工作磁回路中的液流间隙的大小和气隙的大小、液流间隙中的磁流变液和气隙中的空气的导磁率相对于磁回路中的其它高导磁材料的导磁率均基本保持不变，而闭合工作磁回路的绝大部分磁阻集中在这些液流间隙和气隙上，故使得该闭合工作磁回路中的磁阻、集成相对速度传感器的主磁通也基本保持不变。阻尼器的活塞杆相对于缸体的这种或进或出的相对轴向运动，使得感应线圈在磁回路中的线圈匝数相应地增加或减少，并引起感应线圈的磁链也随之发生相应的线性变化，这样感应线圈两端便感生得到一调幅电压信号，其载波信号是励磁线圈上加载的励磁检测信号，而其幅度调制信号则是反映活塞与缸体轴向相对运动速度的传感输出信号。

最后，通过对该调幅信号进行隔离、选频放大、同步解调、低通滤波等信号预处理后，得到一个与感应线圈磁链变化规律一致的幅度调制信号。该信号的变化规律与被控对象的主体和承载体之间的相对运动速度呈一定的比例关系，从而实现MR阻尼器的相对速度集成传感功能。

在构成本实用新型时，励磁检测信号源的信号工作频率应大于磁流变液的最高响应频率，在保证传感器正常工作的情况下励磁检测信号源的信号电压的幅值应尽可能小，以消除传感励磁磁场对磁流变液的流变效应的影响。

采用上述工作方式的MR阻尼器在其结构和功能上有效的集成了一个相对速度传感器，集成相对速度传感器用的励磁检测信号源与磁流变液阻尼比调节用的励磁电流源工作在不同频段、不同电压等级上，但同时共用一个励磁线圈、一个闭合工作磁回路，实现MR阻尼器对被控对象振动的传感和可调阻尼减振并行工作。由此，MR阻尼器不但具有阻尼减振功能，而且还具有相对速度传感功能，进一步实现基于MR阻尼器的半主动减振系统的自适应减振功能。

与现有的MR阻尼器及其半主动减振系统相比，本实用新型具有如下优点：

1.提高MR阻尼器及其半主动减振系统的自适应性。由本实用新型公开的集成相对速度传感功能的MR阻尼器及其自适应减振方法构成的各种半主动减振系统，具有受控对象振动状况自传感、磁流变液阻尼比连续可调、振动自动控制等特性，综合体现系统的自适应减振功能，并进一步提高系统半主动阻尼减振的自适应性能。

2.简化基于MR阻尼器的半主动减振系统的复杂程度，降低系统成本造价。运用本实用新型所述的集成相对速度传感功能的MR阻尼器构成各种半主动减振系统，将其应用到实际被控对象(如车辆、精密实验平台、精密加工机床等)上，可以省去用于检测被控对象主体与承载体之间相对运动速度的各种相对位置传感器或加速度传感器，提高整个半主动减振系统结构的集成度，降低系统在设备及安装与维护方面的成本造价，更容易实现半主动减振系统阻尼力的调节，形成被控对象振动的自适应控制。

3.集成相对速度传感器的线性度和灵敏度高。本实用新型改进现有MR阻尼器的结构和材料，在活塞头及活塞杆中的绕线杆上分别均匀绕制一电磁线圈构成一个与MR阻尼器结构集成的有源磁电式相对速度传感器，感应线圈感生的调幅信号的幅度调制信号与被控对象主体和承载体之间的相对振动速度呈一定的线性比例关系从而使该集成的相对速度传感器的非线性误差小、灵敏度高，并大幅降低了后续信号预处理电路的复杂度。

4.MR阻尼器集成的相对速度传感器的频率响应范围大。本实用新型使感应线圈感生的调幅信号的幅度调制信号与其磁链的变化规律一致，并直接反映被控对象主体和承载体之间的相对振动速度；幅度调制信号的变化规律决定于该相对振动速度的变化规律，二者的频率相等，这样有效的克服现有振动传感器对超低频振动(0.1Hz)和超高频振动(1KHz)的应用限制，提高振动测量的频率响应范围。

5.MR阻尼器集成的相对速度传感器抗外界电磁干扰能力强。在本实用新型中，集成在MR阻尼器上的相对速度传感器采用具有抗电磁干扰能力强的中低频有源传感原理构成，即利用外部提供的中低频电压信号源在励磁线圈上产生同频电磁场，并在阻尼器内部结构上形成一闭合的工作磁回路，在感应线圈中感生得到一包含被控对象主体和承载体之间相对振动速度信息的同频传感输出信号，通过光电隔离耦合、选频放大等信号预处理消除外界各种频段的电磁干扰影响，使该传感器具有很强的抗外界电磁干扰能力，从而避免目前通用磁电式振动传感器容易受到外界电磁干扰而导致传感输出信号发生畸变的现象。

6.提高基于MR阻尼器的半主动减振系统的可靠性、稳定性。本实用新型使MR阻尼器自身具有相对速度传感功能，避免了相对速度传感器被直接暴露于各种被控对象所处的恶劣工作环境之中而受到的各种外界环境(如机械碰撞、渗水渗油等)干扰及可能引起的传感器工作性能下降，从而提高相对速度传感的抗外界环境干扰能力，增强控制器的振动控制效果，在整体上保证并提高半主动减振系统的工作可靠性与稳定性，延长系统的使用寿命。

7.阻尼器本身结构简单、加工方便。本实用新型只需在现有的MR阻尼器基本结构基础之上，在活塞头和活塞杆中的绕线杆上分别均匀绕制两个电磁线圈即可加工装配构成，故其结构简单，加工方便。

附图说明

图1是本实用新型的一种实施例结构示意图。

图2是图1的局部放大图。

图3是图1实施例的闭合工作磁回路示意图。

图4是图1实施例在实现被控对象主体与承载体之间相对运动速度的集成传感工作时的部分电气工作原理框图。

图5本实用新型的另一种实施例结构示意图。

图6是图5的局部放大图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图说明本实用新型的具体结构及实现被控对象主体与承载体之间相对运动速度集成传感的工作过程。

参照图1、图2，一种集成相对速度传感功能的MR阻尼器主要包括缸体13、装在缸体内的磁流变液19、防尘罩套6、活塞杆7、活塞头23、滑动活塞35、蓄能器37、活塞头上的励磁线圈27、活塞杆里的感应线圈8等部分。

阻尼器的缸体13主要由高导磁率的缸筒16和上端盖14(通过活塞杆的一端)及极低导磁率的下端盖15构成。

阻尼器的活塞杆7由低导磁率材料加工形成，在活塞杆的两端设有绝缘胶封11和12，其内端的顶端设有连接螺纹与活塞头相连。里面为中空管状结构，活塞杆里面装有一个高导磁实心绕线杆10，并伸出活塞杆的内端顶端孔与活塞头螺纹连接。

阻尼器的活塞头23通过螺纹与活塞杆7固定；活塞头23呈圆柱工字形结构，主要包括一极低导磁率压线盘25和高导磁率的圆柱凸形台阶26两部分，在压线盘25和活塞杆7的台阶之间设置有一低导磁、高刚度的弹性垫块24用于防止活塞头与活塞杆之间出现松动，在圆柱凸形台阶26的外圆周上均匀布置有多个定位铜片29把该外圆周与缸筒16之间的间隙分割为多段作为磁流变液19流动的液流间隙31，活塞头23把缸体16分为上工作腔17和下工作腔18两个部分，上下两个工作腔都盛装有磁流变液19。

阻尼器的蓄能器37是一个高压气囊，里面盛装有高压氮气38，滑动活塞35压在蓄能器37上，蓄能器37位于缸体的下工作腔18底部。

塑料式的防尘罩套6连接在活塞杆7的外端与缸体的上端盖14之间，保护活塞杆并防止外界杂质进入缸体13。

活塞杆外端的吊环连接装置1和缸体下端盖15的连接装置39分别用于连接被控对象的主体或承载体，为了确保阻尼器的密封性，在滑动活塞、活塞杆、缸体的上下端盖及缸筒的连接处均设置有O型密封圈21、22和36。

圆柱工字形结构的活塞头23的凹槽内均匀绕制一电磁线圈，作为本实用新型中的相对速度传感器的励磁线圈27，励磁线圈的引线2通过圆柱凸形台阶26的缺口30、圆心底孔33及绕线杆内端的圆心孔41和横穿孔40，并从绕线杆与中空管状结构的活塞杆内壁之间的空隙中引出阻尼器，连接到外部由集成相对速度传感器用的励磁检测信号源与磁流变液阻尼比调节用的励磁电流源相叠加后形成的外部激励源3；在低导磁的活塞杆7里面装有一个高导磁实心绕线杆10，绕线杆上均匀绕制一电磁线圈，作为相对速度传感器的感应线圈8，感应线圈的引线5通过绕线杆与活塞杆内壁之间的空隙将感应电压信号送入阻尼器外的传感输出端子4上，并进一步送入后续外部信号预处理电路；在这两个电磁线圈的外表面及其引线周围都涂有绝缘胶层9和28。

参照图3、图4，本实施例实现被控对象主体与承载体之间相对运动速度集成传感的工作过程如下：

本实施例中，阻尼器内部集成的相对速度传感器的励磁检测信号源由中低频检测信号发生器43产生，并作为外部激励源3的一个构成部分，由引线2送入励磁线圈27。当集成相对速度传感器的励磁信号发生器电路导通、励磁线圈两端加载一传感检测用的中低频正弦交变电压信号时，它产生一同频交变磁场，并在活塞头的凸形台阶26、活塞杆中的绕线杆10、活塞杆7、活塞杆与缸体的上端盖14之间的气隙20、缸体的上端盖14、缸筒16、缸筒与活塞头之间的液流间隙31、活塞头外圆周的定位铜片29及其与缸筒之间的气隙32中形成一闭合工作磁回路42；励磁线圈27所产生的磁场的绝大部分磁通量通过该磁路，形成传感器工作的主磁通，并使感应线圈8产生一同频交变电压信号，励磁检测信号源的幅度直接决定磁回路中传感器工作主磁通的大小；在液流间隙31、气隙20和32、活塞杆7、活塞头23以及缸体13等部位也同时存在极少量的漏磁通，由于该漏磁通与磁回路的主磁通相比很小，故忽略不计。

当外界发生振动时，MR阻尼器53的活塞与缸体13之间产生与振动频率相同的轴向相对运动，使得阻尼器内由励磁线圈27和感应线圈8构成的集成相对速度传感器响应外界振动，阻尼器的缸筒16与活塞头外圆周的定位铜片29之间、上端盖14与活塞杆7之间采用间隙配合，使它们相互之间的气隙20和32的大小不变，阻尼器的多段液流间隙31的大小不变，且液流间隙中的磁流变液、气隙中的空气的导磁率相对于磁回路中的其它高导磁材料的导磁率也不变，而磁回路42的绝大部分磁阻集中在这些液流间隙31和气隙20和32上，故使得磁回路中的磁阻、传感器工作的主磁通不变；阻尼器的活塞相对于缸体13的这种或进或出的相对轴向运动，使得感应线圈8在磁回路42中的线圈匝数相应地增加或减少，并引起感应线圈的磁链也随之发生变化，使该线圈的两端所感生的电压信号为一调幅信号，其载波信号是励磁线圈27上加载的传感检测信号，而其幅度调制信号则是反映活塞与缸体13轴向相对运动速度的传感输出信号；感应线圈的引线5将该调幅信号送出阻尼器，得到一包含振动信息的传感输出信号4，通过后续的光电隔离耦合器52、选频放大器51、带通滤波器50、同步检波器49、低通滤波48等功能电路得到反映活塞与缸体相对运动变化的传感信号，从而实现本实施例的集成传感功能。

参照图5、图6，给出了集成相对速度传感功能的MR阻尼器的另一种实施例，该实施例与图1给出的实施例的主要区别是本实施例的活塞杆7中的绕线杆10有一圆心通孔54，励磁线圈27的引线2由活塞头的圆柱凸形台阶26的缺口30、圆心底孔33和绕线杆的圆心通孔54引出阻尼器连接外部激励源3。

本实用新型是MR阻尼器的一种，应用上述实施例构成一套闭环的半主动阻尼减振系统需要另外配置相应的功能电路(如信号预处理电路、驱动电路、电源电路等)和电子控制装置，由于这些内容不是本实用新型的发明内容，故本实施例未给出详细说明，具体可参考相关电子电路技术和现有的基于MR阻尼器的半主动减振系统来实现。

上述实施例中，集成相对速度传感器检测到的振动信息通过信号输入端口47及后续相关电路送入电子控制装置，控制装置根据预置的控制策略进行相应的分析和决策，并产生一控制电压信号由信号输出端口46输出，控制电流驱动器45产生一相应的直流驱动电流(0～3A)，通过线性加法耦合电路44与中低频检测信号发生器43产生的励磁检测信号相加合成，作为阻尼器励磁线圈的外部激励源3。通过调节该驱动电流的大小改变励磁线圈产生的用于调节磁流变液阻尼比的磁场强度，该磁场是强磁场，其工作磁回路与传感器形成的工作磁回路42一样，从而在毫秒级内调节阻尼器内部多段液流间隙31流动的磁流变液的阻尼比，实现本实施例的可调阻尼比减振功能。

上述实施例中，励磁检测信号源的工作频率应大于磁流变液的响应频率，在保证传感器正常工作的情况下励磁检测信号源的信号电压的幅值应尽可能小，以消除传感励磁磁场对磁流变液的流变效应的影响；同时对感应线圈输出的调幅信号进行光电耦合隔离、选频放大、解调、滤波等信号预处理，消除磁流变液阻尼比调节用的励磁磁场及外界干扰电磁场对传感器的影响；使集成相对速度传感器用的励磁检测信号源频率与磁流变液阻尼比调节用的励磁电流源(0～3A)工作在不同频段、不同电压等级上，但同时共用一个励磁线圈27、一个闭合工作磁回路42，从而实现本实施例对被控对象振动的传感和可调阻尼比减振并行工作、互不影响。

在由上述实施例构成的半主动阻尼减振系统中，可以适当改变MR阻尼器的结构参数或相关电路的配置方式及控制器的控制策略，形成多种半主动阻尼减振系统，满足不同应用对象的振动控制要求。

Claims (3)

1.一种集成相对速度传感功能的磁流变阻尼器，包括缸体、装在缸体内的磁流变液、活塞头、活塞杆、蓄能器、滑动活塞和防尘罩套，其中缸体由缸筒、上端盖和下端盖构成；活塞头把缸体分为上下两个工作腔，蓄能器位于下工作腔的底部；在活塞头的外圆周上均匀布置的多个定位铜片把活塞头的外圆周与缸筒内壁之间形成的间隙分割为多段，作为磁流变液流动的液流间隙；在活塞杆外端和下端盖上分别设置有连接装置与被控对象的主体或承载体连接；其特征在于：

(1)所述的活塞头上绕制一电磁线圈，作为集成相对速度传感器与磁流变阻尼器的共用励磁线圈，励磁线圈的引线连接外部由集成相对速度传感器用的励磁检测信号源与调节磁流变液屈服应力的励磁电流源相叠加后的外部激励源；

(2)所述的活塞杆采用中空管状结构，内装有一绕线杆，并在绕线杆上均匀绕制一电磁线圈，作为集成相对速度传感器的感应线圈，感应线圈的引线连接到阻尼器外的信号预处理电路；

(3)所述的活塞杆、下端盖采用极低导磁材料，而活塞头、活塞杆里的绕线杆、缸筒和上端盖均采用高导磁材料，缸筒与活塞头外圆周的定位铜片之间、上端盖与活塞杆之间采用间隙配合。

2.根据权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于：所述的活塞头采用圆柱工字形结构，励磁线圈均匀绕制在工字形凹槽内；励磁线圈的引线从绕线杆与活塞杆内壁之间的空隙中引出阻尼器，或将绕线杆设计为空心管状结构，励磁线圈的引线从绕线杆里面的通孔引出阻尼器。

3.如权利要求1所述的集成相对速度传感功能的磁流变阻尼器，其特征是在励磁线圈和感应线圈的外表面及其引线周围均涂有绝缘胶层。

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