CN2871971Y - 磁电式相对位移自传感磁流变阻尼器 - Google Patents

Abstract

磁电式相对位移自传感的磁流变阻尼器，在该阻尼器上集成有一个采用缸体感应式的有源磁电传感效应的相对位移传感器，在单筒活塞式MR阻尼器的缸筒上绕制一感应线圈，通过绕制在MR阻尼器活塞头上的一个励磁线圈的谐波磁场激励，感应线圈的输出信息携带了活塞杆与缸体之间的相对位移动态信息，这样就构成了缸体感应式集成相对位移传感器的基本结构。通过上述方式在MR阻尼器的结构上集成了一个有源磁电式相对位移传感器，实现被控对象主体与承载体之间的相对位移动态信息的实时检测，并结合磁流变液阻尼器的阻尼力的连续可控特性，使由MR阻尼器构成的半主动减振系统具有受控对象振动状况自传感及阻尼力连续可控的特性。

Description

磁电式相对位移自传感磁流变阻尼器

                               技术领域

本实用新型涉及一种磁流变阻尼装置，尤其是磁电式相对位移自传感的磁流变阻尼器。

                               背景技术

随着磁流变(Magnetorheological，MR)技术的不断进步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于MR阻尼器的电流驱动器，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间隙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振动信息(实际上是MR阻尼器的缸体与活塞之间的相对位移、速度或加速度)。

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相对运动信息的传感(即MR阻尼器的动态运动信息的测量)主要是利用一个或一套单独的与MR阻尼器分离的动态传感器(如相对位置传感器、相对速度传感器或加速度传感器)实现。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移传感器(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，即得到被动对象的相对位移振动信息。采用相对速度传感器方式与采用相对位移传感器方式类似，所不同的采用了速度传感器，获得的是被控对象主体与承载体之间的相对速度振动信息。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即可获得主体与承载体之间的相对加速度振动信息。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具有相对位移自传感功能的MR阻尼器，该阻尼器上集成的相对位移传感器采用有源磁电传感效应，使MR阻尼器不但具有阻尼减振功能，而且还具有相对位移传感功能。

本实用新型的总体构思是：在单筒活塞式MR阻尼器的缸筒上绕制一感应线圈，通过绕制在MR阻尼器活塞头上的一个励磁线圈的谐波磁场激励，感应线圈的输出信息携带了活塞杆与缸体之间的相对位移振动信息，这样就构成了磁电式集成相对位移传感器的基本结构。通过上述方式在MR阻尼器的结构上集成了一个基于有源电磁感应效应的相对位移传感器，即实现被控对象主体与承载体之间的相对位移振动信息的实时检测，并结合磁流变液阻尼器的阻尼力的连续可控特性，使由MR阻尼器构成的半主动减振系统具有受控对象振动状况自传感及阻尼力连续可控的特性。

本实用新型的目的由以下技术方案来实现：

为实现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位移振动信息的实时检测，同时磁流变液阻尼系数的连续可调特性不会受到影响，在目前的MR阻尼器的结构上，本实用新型集成了一个采用有源电磁效应的缸体感应式集成相对位移传感器。通过对目前单筒活塞式MR阻尼器的工作原理的研究和分析，本实用新型设计了如下结构：

它包括现有单筒活塞式MR阻尼器中的缸筒、装在缸体内的磁流变液、活塞头、活塞杆、蓄能器、缸筒上下两端的上端盖和下端盖、以及套在缸筒之外的活塞杆上的防尘罩套。活塞头把缸筒分为上下两个工作腔，蓄能器位于下工作腔的底部。活塞头外圆周与缸筒内壁之间形成的间隙作为磁流变液流动的节流缝隙。活塞杆外端部和下端盖上分别有连接装置与被控对象的主体或承载体连接。本实用新型的改进之处在于：

在高导磁的活塞头上绕制一励磁线圈，作为集成相对位移传感器与MR阻尼器共用的励磁线圈，在不导磁的缸筒上绕制一感应线圈，并置于一个高导磁的缸体罩之内，感应线圈和励磁线圈的引线都连接外部的电气系统电路。上述结构可形成如下工作磁路：励磁线圈产生的励磁磁场起于活塞头、穿过磁流变节流缝隙、不导磁绕线缸筒和感应线圈、沿着高导磁缸体罩、上端盖、活塞杆，最后回到活塞头即形成该磁电式相对位移传感器的工作磁通回路，同时也为磁流变阻尼器的工作磁通回路。

在材料选择上，活塞杆、活塞头、缸筒上端盖和缸体罩所采用的金属软磁材料必须具有高导磁率，并具有一定的强度满足实际应用要求；而缸筒(同时作为感应线圈的绕线筒)、励磁线圈盖、滑动活塞头和缸筒下端盖则采用不导磁的金属材料。

需要说明的是，上述结构中利用MR阻尼器的缸体作为感应线圈的绕线筒，绕制感应线圈，在励磁磁场的激励下产生电磁感应效应输出包含MR阻尼器相对位移信息的感生电压，故在本实用新型中称其为缸体感应式集成相对位移传感器，进一步，我们将集成相对位移传感器的MR阻尼器称为磁电式自传感磁流变阻尼器。

采用上述结构形成的磁电式自传感磁流变阻尼器，不但在结构上实现了集成，而且在功能上有效实现了集成相对位移传感器和MR阻尼器的并行工作：集成相对位移传感器用的励磁载波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，而且还具有相对位移传感功能，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。

与现有的采用分离传感器的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位移传感功能的MR阻尼器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，使MR阻尼器的大批量工程应用成为可能。运用本实用新型所述的集成相对位移传感功能的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位移的各种相对位置传感器、速度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.集成相对位移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，在活塞头及缸体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位移传感器，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位移呈一定的线性比例关系从而使该集成的相对位移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阻尼器集成的相对位移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位移；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，这样有效地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阻尼器集成的相对位移传感器抗外界电磁干扰能力强。在本实用新型中，集成在MR阻尼器上的相对位移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、带通滤波、同步解调、低通滤波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位移传感功能，避免了现有分离式配置的动态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，从而提高相对位移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，在活塞头和缸筒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的局部放大图及磁通回路示意图。

图3是实现振动自传感和阻尼减振并行工作时的电气工作原理框图。

图4的a和b是MR阻尼器的活塞杆与缸筒之间有正弦位移激励时(频率：1Hz，幅值：30mm)，集成相对位移传感器的输出情况。

                            具体实施方式

以下结合实施例和附图具体说明本实用新型的结构及方法：

参照图1，磁电式自传感磁流变阻尼器，其结构主要包括不导磁的缸筒7，装在缸筒7内的磁流变液35、防尘罩套32、活塞杆3、活塞头14、滑动活塞18、蓄能器26，活塞头上的励磁线圈12，缸筒外绕制的感应线圈9，缸筒上下的上端盖5和下端盖24等部件。

阻尼器的活塞杆3由高导磁率的软磁材料加工形成，中间有导线圆心孔55，在活塞杆的外端设有绝缘胶封33，其内端的顶端设有沉孔螺纹，通过一定制螺丝16固定压紧连接活塞头14。

活塞头14的外圆周上均匀布置有多个定位铜片15，把该外圆周与缸筒7之间的间隙分割为多段作为磁流变液35流动的节流缝隙28，活塞头14把缸筒7分为上工作腔8和下工作腔17两个部分，上下两个工作腔都盛装有磁流变液35。

阻尼器的蓄能器26是一个高压气囊，里面盛装有高压氮气54，滑动活塞18压在蓄能器上，蓄能器位于缸筒的下工作腔17底部。

塑料防尘罩套32连接在活塞杆3外端的顶端与缸体47的上端盖5之间，保护活塞杆并防止外界杂质进入缸体47。

活塞杆外端的吊环连接装置1和缸体下端盖24的连接装置22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25、27和30、31。

活塞头14的凹槽内均匀绕制一电磁线圈，作为本实用新型中的集成相对位移传感器和磁电式自传感磁流变阻尼器的公用励磁线圈12，励磁线圈的漆包线终端4通过活塞头导线孔29、穿过定制螺丝16的侧孔、在活塞杆中心的导线圆心孔55中接线后，由高强度的引线34引出阻尼器，通过励磁线圈的输入端子2和电缆引线36连接到外部电气系统调理电路50中的由集成相对位移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，励磁线圈12上端有励磁线圈盖11和压环10；在不导磁的缸筒外绕制有一电磁线圈，作为集成相对位移传感器的感应线圈9，缸筒外罩有缸体罩，感应线圈的漆包线终端19在下端盖导线孔56中接线后，由高强度的引线21引出阻尼器外，通过感应线圈输出端子20和电缆线37将感应电压信号送入后续的电气系统调理电路50中的外部信号预处理电路；在这两个电磁线圈的外表面都涂有绝缘胶层13，在引线34、21出阻尼器的部位均设有绝缘封胶33、23。

参照图2，上述集成相对位移传感器的磁流变阻尼器的闭合工作磁回路如下：励磁线圈12产生的励磁磁场起于活塞头14、穿过磁流变液节流缝隙28、不导磁的绕线缸筒7和感应线圈9、沿着高导磁缸体罩6、上端盖5、活塞杆3，最后回到活塞头14形成闭合主磁路38。

位于缸筒7和活塞14头之间的用于供磁流变液35上下流动的节流缝隙28大小是固定不变的，与活塞的运动或活塞在缸筒内所处的位置无关。这样，在MR阻尼器工作时由于该节流缝隙28的存在而形成的MR间隙磁阻则是个不变的常量。同时，又因为主磁路38中的高导磁部分的磁导率远远大于主磁路中节流缝隙28的磁导率，所以整个主磁路中的总磁阻是由该节流缝隙的MR间隙磁阻决定。又因为该节流间隙的大小在活塞运动过程中是保持不变的，故最终我们可以推导得知主磁路38中的总磁阻几乎与活塞14的运动或活塞在缸筒7内所处的位置无关。根据电磁感应原理可知，感应线圈9中与主磁路38相铰链的那部份线圈感生的磁链与活塞14在缸筒7内的相对位移呈一定的线性比例关系。当通入励磁线圈12的传感用载波信号为一幅值恒定的低压交流信号，则假设MR阻尼器所用高导磁率的软磁材料具有理想的高导磁率和线性导磁特性，且这部分软磁体部分的磁阻非常小与磁路中节流间隙的磁阻相比可以忽略不计，故节流缝隙28的磁阻决定了整个主磁路的磁阻大小。同时主磁路中节流间隙的大小在结构上保证是基本恒定的，而且节流间隙非常小而可以忽略缝隙部分漏磁通的存在，则主磁路的磁通量幅值也相应是一常量。由此得到感应线圈的感应电压也是与活塞14与阻尼器的缸体7之间的相对运动位移直接成一定的线性比例关系。

事实上，由于需要考虑高导磁材料同时作为阻尼器的结构件部分而要求的强度保证，故其导磁性能(例如相对导磁率和线性导磁特性)在一定程度上与前述推导中所假设的理想特性有一定的降低，从而引起实际上软磁体部分的磁阻存在和漏磁通39存在，且是随活塞在缸体内的位置变化而成非线性变化。因此，主磁回路的主磁通量实际上在一定程度是变化的。

参照图2、图3，本实施例实现振动位移传感和阻尼控制的并行工作过程如下：

本实施例中，阻尼器内部集成的相对位移传感器的励磁检测信号源由中低频检测信号发生器46产生，并作为外部激励源的一个构成部分，由输入端子2、引线34送入励磁线圈12。当集成相对位移传感器的中低频检测信号发生器46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，并沿活塞头14、活塞杆3、活塞杆与上端盖5之间的气隙40、上端盖5、再穿过缸筒7、缸筒与活塞头之间的节流缝隙28或活塞头外圆周的定位铜片15回到活塞头14中，形成一闭合主磁路38；励磁线圈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；在节流缝隙28、气隙40、活塞杆3、活塞头14以及缸筒12等部位也同时存在极少量的漏磁通39，由于该漏磁通与磁回路的主磁通相比很小，故忽略不计。

由本实施例构成的半主动阻尼减振系统的原理如图3所示，即具有相对位移传感功能的磁电式自传感磁流变阻尼器51、电气系统调理电路50、电流驱动电路52和自适应控制器53等部分构成，可以根据应用对象和振动控制要求的不同，适当改变上述四部份的配置及具体参数，形成多种半主动阻尼减振系统，但其基本工作原理是相同的。下面给出本实施例在实现振动传感和阻尼减振时的并行工作原理：当外界发生振动时，MR阻尼器的活塞与缸筒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12和感应线圈9构成的集成相对位移传感器响应外界振动，阻尼器的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，使它们相互之间的气隙的大小不变，阻尼器的多段液流间隙的大小不变，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，而磁回路的绝大部分磁阻集中在这些液流间隙和气隙上，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筒的相对轴向运动使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筒轴向相对运动位移的传感输出信号；感应线圈的引线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，通过后续的光电隔离耦合器41、选频放大器42、带通滤波器43、同步检波器44、低通滤波器45，送入自适应控制器53中，从而实现本实施例的振动传感功能。

同时，自适应控制器53根据集成相对位移传感器检测到的振动信息，应用相应的自动控制方法(如PID控制、最优控制、神经网络控制、模糊控制等)进行相应的分析和决策后产生一控制电压信号，通过D/A数模转换将控制信号转为模拟信号送入电流驱动电路52，产生一相应的直流驱动电流(0～3A)，并通过线性加法耦合电路48与中低频检测信号发生器46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，由一组电缆引线36引入励磁线圈12。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一样，从而在毫秒级内调节阻尼器内部多段节流间隙流动的磁流变液的阻尼比，实现MR阻尼器的可调阻尼比减振功能。

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；使集成相对位移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12、一组电缆引线36、一个闭合主磁路38，实现MR阻尼器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。

参照图4，磁电式自传感磁流变阻尼器51的活塞杆与缸筒之间有正弦位移激励(频率：1Hz，幅值：30mm)集成相对位移传感器的输出情况。图4(a)为解调前的幅度调制信号，图4(b)为解调后的位移输出，可以看出能反映MR阻尼器的活塞杆与缸筒之间的相对位移。

在上述实施例中，信号预处理电路、驱动电路、电源电路、控制器、磁流变液的阻尼系数连续可调原理以及相应的自动控制方法等内容具体可参考相关技术资料和现有的基于MR阻尼器的半主动减振系统来实现，故未给出详细阐述，。

Claims (3)

1、磁电式相对位移自传感的磁流变阻尼器，包括现有单筒活塞式磁流变阻尼器中的缸筒、装在缸体内的磁流变液、活塞头、活塞杆、滑动活塞头和蓄能器、缸筒上下两端的上端盖和下端盖、以及套在缸筒之外的活塞杆上的防尘罩套；活塞头把缸筒分为上下两个工作腔，蓄能器位于下工作腔的底部；活塞头外圆周与缸筒内壁之间形成的间隙作为磁流变液流动的节流缝隙；活塞杆外端部和下端盖上分别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，作为集成相对位移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的线性加法耦合放大电路的输出端，获得由集成相对位移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而成的混合激励源；

(2)所述的缸筒上绕制一电磁线圈，作为集成相对位移传感器用的感应线圈，并置于一个高导磁的缸体罩之内，感应线圈的引线连接外部的电气系统调理电路。

2、根据权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于：活塞杆、活塞头、缸体上端盖和缸体罩均采用高导磁率的金属软磁材料。

3、根据权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于：缸筒、滑动活塞头和缸体下端盖采用不导磁的金属材料。

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