[发明专利]一种活塞型一阶浮力磁性液体惯性传感器

说明书

技术领域

本发明属于机械传感检测领域。

背景技术

加速度传感器销量仅次于压力传感器，在交通工具、生物医学、石油开采、军事工业等各个领域有着广泛的应用。随着科学技术的不断发展，人们对具有灵敏度高、可靠性高、分辨率高和线性度好的加速度传感器的需求量不断增加。磁性液体加速度传感器对惯性力的敏感度较高，具有结构简单、体积小、无机械损耗和寿命长等优点。然而现有磁性液体加速度传感器由于多种结构问题无法在工程实际中得到应用，具体问题如申请号CN103149384A和申请号CN103675351A所述的专利，该专利所述装置采用磁性液体的二阶浮力原理，质量块为永磁体，由于永磁体磁场过强，导致磁性液体中的颗粒容易聚集，造成流动性变差的问题，同时由于磁性液体用量少且不均匀，信号较弱。而申请号如RO 100632和US 7296469所述的专利都描述了利用磁性液体的一阶浮力原理的加速度传感器。然而RO 100632所述的专利由于在轴向无磁场梯度，因此在轴向无法定位，导致无论在地面还是太空环境下质量块所在位置是随机的，无法在静止状态下使得零点电压为零，且利用环形永磁体作为磁场源产生的磁场梯度过小，因此在地面应用时很难使质量块悬浮起来，因此质量块只能选用密度较小的非导磁性物质，如铝材，从而使得传感器对惯性力不敏感，信号太小。而US 7296469所述的专利虽然克服了RO 100632所述专利的缺点，但是其结构过于复杂，线圈无法之间通过磁性液体的体积变化产生电感值，同时，该专利的质量块悬浮在矩形空腔内，依靠底部单块磁体所产生的磁场力与重力相抵消非常容易造成质量块的不稳定悬浮，即使通过侧壁的四块磁体所产生的磁场力对质量块进行束缚，仍然不能避免质量块的偏移和不稳定悬浮，因此输出信号线性度不好。

因此急需对磁性液体传感器的结构进行重新设计和改进，使其能够在实际工程中得到应用。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，现有磁性液体传感器由于多种结构缺陷造成磁性液体流动困难、永磁体易碎裂、定心效果不好和粘性耗能效率不高等问题，使其无法在工程实际中得到应用。特提供一种活塞型一阶浮力磁性液体惯性传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

该传感器包括：第一悬浮永磁体、第一限位永磁体、壳体、磁性液体、限位壳、第二限位永磁体、第二悬浮永磁体、第二感应线圈、第一感应线圈和质量块；

将质量块穿入限位壳的内孔中并固定连接，使限位壳位于质量块的中部，从而形成质量块组件；

将所述壳体内充入磁性液体，并将质量块组件装入壳体中；将壳体进行密封后，将第一限位永磁体固定安装在壳体的凸台左端面，继将第一悬浮永磁体固定安装在第一限位永磁体的左端面；将第二限位永磁体固定安装在壳体的凸台右端面，继将第二悬浮永磁体固定安装在第二限位永磁体的右端面；将第一感应线圈安装在壳体的凸台左侧并与凸台左端面平齐，将第二感应线圈安装在壳体的凸台右侧并与凸台右端面平齐；

所述壳体为非导磁性物质，形状为空心的活塞状，中间的直径大于两端的直径；

所述第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体大小形状完全相同，采用径向充磁。在第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体的环形腔位置产生一个由中心逐渐增强的轴对称磁场分布，而该磁场磁性液体中形成的径向梯度使得质量块的径向运动被限制，当静止或者无径向扰动时，质量块的轴线和壳体的轴线将重合。第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体由多个径向充磁的扇形永磁体拼接而成，也可以采用多块矩形永磁体直接固定连接在壳体上，此时壳体外侧安装永磁体的位置应加工成多边形结构，通常至少为6边形。拼接后相邻的永磁体的磁极排列方式可以采用同极排列也可以采用异极排列，即N(S)和N(S)极排列或者N(S)和S(N)极排列方式，优选N(S)和N(S)极排列，若为N(S)和S(N)极排列方式，永磁体数量必须为偶数。

所述第一限位永磁体和第二限位永磁体大小形状完全相同且为圆环形，采用轴向充磁，内径与壳体的外径相等。由于第一悬浮永磁体和第二悬浮永磁体无法使质量块在轴向定位，因此质量块会在轴向随意漂移，无法在静止状态下处于几何中心位置。因此在壳体凸台两端面安装第一限位永磁体和第二限位永磁体，从而在壳体凸台的左、右两个端面将形成从壳体凸台端面部向壳体中部逐渐衰减的磁场。该磁场梯度给质量块提高了一个轴向的回复力，使质量块在静止状态下始终能够悬浮在壳体中部。为了防止回复力过大使得质量块对外界敏感性降低，限位壳与壳体之间的单边间隙l₁应大于5mm。