一種基于磁鐵的磁性液體加速度傳感器

一種基于磁鐵的磁性液體加速度傳感器

1新型功能材料的應(yīng)用在許多需要絕對(duì)運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)的領(lǐng)域（航空航天、交通、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域），需要測(cè)量成分和大帶寬傳感器。對(duì)具有大量程、高靈敏度和高分辨率等優(yōu)異性能的傳感器需求在急劇增加磁性液體是一種既具有固體的磁性,又有液體的流動(dòng)性的新型功能材料磁性液體傳感器是磁性液體應(yīng)用的一個(gè)非常重要方面,將磁性液體用于傳感器上后,具有磁可控性、阻力小等優(yōu)點(diǎn),使得磁性液體傳感器能夠用在很多苛刻條件下,其獨(dú)特的性能在傳感器領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力,新型磁性液體傳感器的大量相關(guān)成果已經(jīng)廣泛用于航空航天和國(guó)防軍事領(lǐng)域,解決各種特殊、復(fù)雜、高精度、條件惡劣下的測(cè)試問題。加速度傳感器具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,為了滿足某些領(lǐng)域的特殊要求,新穎的磁性液體加速度傳感器引起了國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者的極大興趣。美國(guó)、德國(guó)、日本、羅馬尼亞等國(guó)的學(xué)者在新型磁性液體傳感器都做了大量工作,國(guó)內(nèi)磁性液體傳感器的研究還屬于起步階段,僅有少量文獻(xiàn)報(bào)道2慣性質(zhì)量傳感器的測(cè)量加速度傳感器的模型如圖1所示,由一塊圓柱形小磁鐵作為慣性質(zhì)量塊,半徑為r=5mm,長(zhǎng)為l=20mm。圓形殼體為非導(dǎo)磁物質(zhì),半徑R=8mm,長(zhǎng)為L(zhǎng)=60mm。利用磁性液體獨(dú)特的二階懸浮原理,圓柱形慣性質(zhì)量塊兩端牢固的吸住一定體積的磁性液體,形成2個(gè)“墊子”將慣性質(zhì)量塊懸浮起來(lái),減小慣性質(zhì)量塊受到的摩擦阻力,提高傳感器裝置的靈敏度。在殼體兩端固定兩個(gè)小磁環(huán),小磁環(huán)的內(nèi)徑140mm,外徑19mm,高為5mm,為這個(gè)慣性系統(tǒng)提供回復(fù)力。殼體周圍布置兩個(gè)線圈,檢測(cè)慣性質(zhì)量塊的位置,線圈采用線徑為0.21mm的漆包線,匝數(shù)為2000,線圈骨架尺寸的內(nèi)徑20mm,外徑40mm,長(zhǎng)20mm。傳感器的測(cè)量原理是:當(dāng)慣性質(zhì)量塊在水平面上時(shí),處于中間平衡位置,輸出信號(hào)電壓為0;當(dāng)慣性質(zhì)量塊在傾斜角為θ的斜面上時(shí),如圖2所示,沿斜面方向?qū)⑹艿酱笮閙gsinθ的分力,等效靜態(tài)加速度為a=gsinθ,慣性質(zhì)量塊將產(chǎn)生偏移,線圈將會(huì)感應(yīng)到和位移量相當(dāng)?shù)碾妷褐?電壓值的幅值與加速度或傾斜角成正比。采用差動(dòng)式電橋電路測(cè)量這個(gè)電壓值,通過放大、整流后用數(shù)據(jù)采集卡接口到計(jì)算機(jī),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)采用正弦交流輸入信號(hào),信號(hào)源采用的是CA1640-02型函數(shù)發(fā)生器,其開路輸出峰峰電壓V3結(jié)果與分析3.1磁體的制備和基本物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)共沉淀法制備的煤油基Fe3.2不同回復(fù)距離的輸出電壓與加速度關(guān)系當(dāng)慣性質(zhì)量塊的兩端吸附2.5ml磁性液體時(shí),不同回復(fù)距離(80~140mm)的輸出電壓隨加速度變化的實(shí)驗(yàn)曲線,如圖5所示?；貜?fù)距離越小,敏度越低,隨著回復(fù)距離的增大,靈敏度升高。3.3積磁性液體12.0.2mol/ls時(shí)輸出電壓隨加速度變化的實(shí)驗(yàn)曲線當(dāng)產(chǎn)生回復(fù)力的磁鐵距離為120mm時(shí),慣性質(zhì)量塊吸附不同體積磁性液體(1~2.5ml)時(shí)的輸出電壓隨加速度變化的實(shí)驗(yàn)曲線,如圖6所示。從圖中可以看出隨著慣性質(zhì)量塊吸附的磁性液體體積增多,輸出電壓隨著加速度的變化達(dá)到的電壓值也越來(lái)越大。3.4輸出電壓與加速度關(guān)系當(dāng)產(chǎn)生回復(fù)力的磁鐵距離為120mm,慣性質(zhì)量塊兩端吸附的磁性液體體積為2ml,不同體積分?jǐn)?shù)下輸出電壓隨加速度變化的實(shí)驗(yàn)曲線,如圖7所示。從圖7中可以看出,體積分?jǐn)?shù)越大,不但輸出電壓值越大,而且靈敏度也提高。3.5理論分析由差動(dòng)式螺線管組成的交流電橋測(cè)量電路,輸出電壓可以表示為式中:U3.5.1回復(fù)距離與加速度的關(guān)系根據(jù)圓柱形磁鐵間的磁力計(jì)算模型所以磁能和磁力可表示為式中:H為回復(fù)磁鐵和慣性磁芯的距離。模型中的慣性質(zhì)量塊受到回復(fù)磁鐵的磁力可以表示為圖8所示為磁力與相對(duì)位移的關(guān)系,隨著相對(duì)位移的量增加,所受到的磁力越大?；貜?fù)距離越小,磁力越大?；貜?fù)距離不同,磁力與相對(duì)位移的線性度也不同。根據(jù)式(2)可得相對(duì)位移量與加速度的關(guān)系,如圖9所示,在相對(duì)位移小于10mm,盡管回復(fù)距離不同,但加速度與相對(duì)位移的關(guān)系基本都呈線性關(guān)系,只是斜率不同?；貜?fù)距離越小,因?yàn)槭艿降拇帕υ酱?所以斜率越小,即相對(duì)位移變化越緩慢。3.5.2不同回復(fù)距離的輸出電壓與加速度關(guān)系根據(jù)式(2)得到加速度與慣性質(zhì)量塊的相對(duì)位移量的關(guān)系,將其代入式(1)得到輸出電壓與加速度的關(guān)系。當(dāng)慣性質(zhì)量塊吸附的磁性液體為2.5ml時(shí),如圖10所示,回復(fù)距離較大時(shí),輸出電壓隨加速度變化的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好,在回復(fù)距離較小時(shí),偏差較大。當(dāng)回復(fù)距離較小時(shí),慣性質(zhì)量塊受到的回復(fù)力很大,在磁性液體間的黏性摩擦力和回復(fù)力的共同作用下,靈敏度較低,量程較大。而當(dāng)回復(fù)距離較大時(shí),靈敏度增大,但量程減小。3.5.3例如，厚帶吸收不同體積的磁性液體時(shí)輸出電壓和加速度的關(guān)系線圈內(nèi)磁導(dǎo)率可以表示為式中:f當(dāng)產(chǎn)生回復(fù)力的磁鐵距離為120mm,代入磁鐵和不同體積的磁性液體在容器內(nèi)所占的體積分?jǐn)?shù)f3.5.4輸出電壓與加速度的實(shí)驗(yàn)研究當(dāng)磁性液體體積為2ml,回復(fù)距離為120mm時(shí)將表1中不同體積分?jǐn)?shù)的相對(duì)磁導(dǎo)率代入式(1),可以得出不同體積分?jǐn)?shù)的輸出電壓與加速度的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)值計(jì)算結(jié)果,如圖12所示。從圖12中可以看出,隨著體積分?jǐn)?shù)的增大,輸出電壓值也在增大,且數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在a≥4m/s4慣性質(zhì)量塊補(bǔ)償器輸出電壓與加速度關(guān)系本文設(shè)計(jì)了僅采用一對(duì)永磁鐵產(chǎn)生回復(fù)力的一種磁性液體加速度傳感器的結(jié)構(gòu)模型,在此基礎(chǔ)上建立了實(shí)物模型,并對(duì)此實(shí)物模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果得出以下結(jié)論:當(dāng)回復(fù)距離較小時(shí),慣性質(zhì)量塊受到的回復(fù)力很大,在磁性液體間的黏性摩擦力和回復(fù)力的共同作用下,靈敏度較低,量程較大。而當(dāng)回復(fù)距離較大時(shí),靈敏度較大,但量程降低。慣性質(zhì)量塊吸附不同體積的磁性液體時(shí),輸出電壓值隨體積的增大而越大。磁性液體體積量必須小于某值,否則功能失效。輸出電壓與加