一種磁流體複合物角速度傳感器的製造方法
2023-09-18 00:36:30 1
一種磁流體複合物角速度傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種磁流體複合物角速度傳感器，金屬殼體為軟磁材料構成的圓柱體容器，用於容納機械結構和電路，並屏蔽外界電磁幹擾，金屬殼體底部設有螺紋孔，用於將整個角速度傳感器固定在被測物體上；MFC是由非導電基液、磁性微粒和非磁性固體顆粒組成的三相溶液；永磁體為圓柱狀永磁體，用於提供梯度磁場，使MFC產生磁流體重力懸浮效應；電磁線圈纏繞在二十四槽定子上，二十四槽定子和電磁線圈用於產生旋轉磁場，使MFC中的非磁性固體顆粒反向自旋；軟磁體用於屏蔽所述電磁線圈交叉處產生的磁場幹擾；三相交流電發生電路用於產生三相交流電壓，通過隔離電路加載到電磁線圈上產生旋轉磁場。具有低成本、高線性、高靈敏度的特徵。
【專利說明】一種磁流體複合物角速度傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及角速度傳感器領域，尤其涉及一種利用磁流體複合物中的磁性液體及非磁性成分自旋轉效應的角速度傳感器。
【背景技術】
[0002]磁性液體(Magnetic Fluid，簡稱MF)是由懸浮在基液中的磁性微粒、穩定劑和基液組成，兼具有流動性和電磁性雙重特性的一種新型功能材料。如果在磁流體中加入第三相由不同材料做成的非磁性固體顆粒(約100-5000nm)，而且這種非磁性固體顆粒還具有導電性(金屬或被覆金屬)，那麼磁流體複合物(Magnetic Fluid Composites,簡稱MFC)將表現出獨特的光學、電磁學和機械流變方面的屬性。在國內，以磁性液體為核心的傳感器在國內才剛進入研究起步階段，對磁性液體慣性傳感器的研究較少。
[0003]由於MFC中非磁性顆粒的質量、密度一般與磁流體不同，MFC —般需在微重力場條件下工作。否則，MFC(三相流體)中的非磁性固體成分在梯度重力下將沉降到容器的底部或移到容器中液體的上層(除非非磁性成分與磁流體的質量、密度相同)。要在地球環境下使用這種MFC，需要在豎直方向附加一個梯度磁場，磁流體溶液在此梯度磁場下具有重力懸浮效應(產生一個大於常規浮力的向上的力)，使其中的非磁性物質懸浮在溶液中。這樣，非磁性物質等效處於微重力環境下。在微重力場中，MFC的非磁性成分無需磁梯度穩定，整個MFC體系宏觀均一。這樣，微小的外加物理場就可以影響MFC液體內部結構和屬性，使之發生相關效應，表現出特定的光學、電磁學和機械流變特性等。
【發明內容】
[0004]本發明提供了 一種磁流體複合物角速度傳感器，本發明利用磁流體複合物中的磁性液體及非磁性成分自旋轉效應提出了一種新型的角速度傳感器，詳見下文描述:
[0005]一種磁流體複合物角速度傳感器，所述磁流體複合物角速度傳感器包括:金屬殼體、MFC、永磁體、二十四槽定子、電磁線圈、軟磁體，以及外接的三相交流電發生電路，
[0006]所述金屬殼體為軟磁材料構成的圓柱體容器，用於容納機械結構和電路，並屏蔽外界電磁幹擾，所述金屬殼體底部設有螺紋孔，用於將整個角速度傳感器固定在被測物體上；
[0007]所述MFC是由非導電基液、磁性微粒和非磁性固體顆粒組成的三相溶液；
[0008]所述永磁體為圓柱狀永磁體，用於提供梯度磁場，使所述MFC產生磁流體重力懸浮效應；
[0009]所述電磁線圈纏繞在所述二十四槽定子上，所述二十四槽定子和所述電磁線圈用於產生旋轉磁場，使所述MFC中的非磁性固體顆粒反向自旋；
[0010]所述軟磁體用於屏蔽所述電磁線圈交叉處產生的磁場幹擾；
[0011]所述三相交流電發生電路用於產生三相交流電壓，通過隔離電路加載到所述電磁線圈上產生旋轉磁場。[0012]本發明提供的技術方案的有益效果是:利用磁流體複合物獨特的電磁屬性和機械流變特性的新型磁流體慣性引力傳感器具有低成本、高線性、高靈敏度的特徵，特別在準靜態和低頻慣性引力變化場合中，具有高線性度和靈敏度響應。
[0013]1、本發明結構新穎，沒有固體移動部件，不存在機械磨損，因此具有高可靠性、高強度、長壽命的特點；
[0014]2、本發明具有低成本、高線性、高靈敏度的特徵，特別在準靜態和低頻慣性引力變化場合中，具有高線性度和靈敏度響應。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明的俯視圖。
[0016]其中:1、2、3和4-螺釘;5_端蓋。
[0017]圖2是圖1中對應的剖視圖A-A。
[0018]其中:3,4_螺釘；5_端蓋；6_金屬殼體；7_螺紋；8_螺釘；10_電路平臺；11-上走線板；12_上軟磁體；13_上軟磁體支架；14_上永磁體；15_上永磁體支架；16-MFC ；17- 二十四槽定子；18_下永磁體；19_下軟磁體支架；20_下軟磁體；21_下走線板；9、22-定位杆。
[0019]圖3是本發明的上下走線板、上下軟磁體支架及上下永磁體支架的示意圖。
[0020]圖4是二十四槽定子的示意圖。
[0021]圖5是本發明的裝配分解示意圖(螺釘和定位杆未畫出，其中螺釘的標號(23、24、25和26)標在了相應的螺紋孔上)。
[0022]圖6是產生輸出相位差為120°的三相交流電壓的電路簡圖(在該電路與電磁線圈之間需要加入隔離電路，圖中未畫出)。
[0023]圖7是三相二十四槽繞組纏繞平面圖。U1和U2均接入通過隔離電路的0°正弦電壓但電流流向相反，V1和V2均接入通過隔離電路的120°正弦電壓但電流流向相反，U1和U2均接入通過隔離電路的240°正弦電壓但電流流向相反。電流方向如圖所示。
[0024]圖8是外界輸入角速度f與品質因數Q之間的關係圖。外界輸入角速度以Hz為單位。
【具體實施方式】
[0025]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
[0026]一種磁流體複合物角速度傳感器，包括:金屬殼體6、MFC16、永磁體(上永磁體14和下永磁體18)、二十四槽定子17、電磁線圈(圖中未示出)、軟磁體(上軟磁體12和下軟磁體20)，以及外接的三相交流電發生電路。
[0027]金屬殼體6為軟磁材料構成的圓柱體容器,用於容納角速度傳感器的機械結構和電路，並屏蔽外界電磁幹擾，金屬殼體6底部設有螺紋孔，用於將整個角速度傳感器固定在被測物體上。
[0028]MFC16是由非導電基液、磁性微粒和非磁性固體顆粒組成的三相溶液。
[0029]永磁體為圓柱狀永磁體，用於提供梯度磁場，使MFC16產生磁流體重力懸浮效應，從而使得非磁性固體顆粒均勻地懸浮在溶液中。
[0030]電磁線圈纏繞在二十四槽定子17上，二十四槽定子17和電磁線圈用於產生旋轉磁場，使MFC16中的非磁性固體顆粒反向自旋。
[0031 ] 軟磁體用於屏蔽電磁線圈交叉處產生的磁場幹擾。
[0032]三相交流電發生電路用於產生三相交流電壓，通過隔離電路加載到電磁線圈上產生旋轉磁場。該電路為本領域技術人員所共知，本發明實施例對此不作贅述。
[0033]該角速度傳感器是通過MFC16中的非磁性物質在旋轉磁場的作用下做繞z軸的反向自旋運動，其角動量的方向也是沿Z軸。當整個角速度傳感器有沿X軸或y軸(X，y, Z軸正交)的附加角動量時，電路的品質因數發生變化，且在一定旋轉頻率範圍內，品質因數的倒數與附加旋轉運動的角速度呈線性關係。
[0034]下面結合附圖詳細的描述該角速度傳感器的結構，詳見下文描述:
[0035]圖1是本發明的俯視圖。該圖描述了螺釘1、2、3和4在端蓋5上沿圓周方向均勻分布，作用是與金屬殼體6相連。
[0036]圖2是圖1中對應的剖視圖A-A。將下走線板21插入定位杆9和22(前後方向的定位杆圖中未示出)。將下軟磁體20與下軟磁體支架19組合好後插入定位杆9和22。將二十四槽定子17和下永磁體18組合好後插入定位杆9和22。並將已經和定位杆組合好的組件放入金屬殼體6中。在二十四定位槽17中灌入MFC16後用膠塗在二十四定位槽17上表面，同時將上永磁體架15和上永磁體14組合好後插入定位杆9和22後，使得上永磁體架15下表面和二十四定位槽17上表面膠合。將上軟磁體架13和上軟磁體12組合好插入定位杆9和22。將上走線板11插入定位杆9和22。將電路平臺10和電路板等組合好後，用螺釘8 (以及圖2中未示出的螺釘)固定在上走線板11上。端蓋5與金屬殼體6通過螺釘1、2、3和4連接。螺紋7是為了將整個角速度傳感器固定在被測物體上。
[0037]圖3是本發明的上下走線板、上下軟磁體支架及上下永磁體支架的示意圖。圖中的槽狀是供產生旋轉磁場的線圈走線所用。圓孔是為插入定位杆9和22所用。
[0038]圖4是二十四槽定子的示意圖。如圖4所示，槽狀是供產生旋轉磁場的線圈走線所用，中間圓柱狀空間是用於容納MFC的。圓孔是為插入定位杆9和22所用。
[0039]圖5是本發明的裝配分解示意圖(螺釘和定位杆未畫出，其中螺釘的標號標在了相應的螺紋孔上)。按照如圖所示的順序安裝形成。
[0040]圖6是產生輸出相位差為120°的三相交流電壓的電路簡圖，輸入為50Hz正弦交流電壓。具體實現時，還可以採用其他的三相交流電壓產生電路，本發明實施例對此不作限制。
[0041]圖7是三相二十四槽繞組纏繞平面圖。U1和U2均接入通過隔離電路的0°正弦電壓但電流流向相反，V1和V2均接入通過隔離電路的120°正弦電壓但電流流向相反，U1和U2均接入通過隔離電路的240°正弦電壓但電流流向相反。電流方向如圖所示。
[0042]圖8是外界輸入角速度f與品質因數Q之間的關係圖。外界輸入角速度以Hz為單位。
[0043]本發明所述的一種磁流體複合物角速度傳感器的工作原理如下:
[0044]按照圖7所示的電磁線圈在二十四定位槽17中纏繞後，當給電磁線圈輸入相位差為120°的三相交流電時，會產生圍繞z軸轉動的旋轉磁場，從而MFC溶液中的磁性物質跟隨旋轉磁場轉動，MFC溶液中的磁性物質與非磁性物質之間的作用力使得非磁性物質產生反向自旋運動，其轉動慣量的方向沿z軸，z軸方向如圖2中所示。當整個傳感器有沿X軸或I軸(X，y, z軸正交,X和y軸方向如圖1所示)的附加角動量時，電路的品質因數發生變化，且在一定旋轉頻率範圍內，品質因數的倒數與附加旋轉運動的角速度呈線性關係，如圖8所示。
[0045]下面簡述電路品質因數的測量方法。整個電路的儲能元件等效為電感L，耗能元件等效為電阻R，測得電路兩端的電壓U和流經整個電路的電流I，得到U=I(LS+R)，則相角關係為Z U= Z I+ Z arctan (Lco/R)。這樣，根據U、I的相角關係和ω的值，就能算得L和R的比值，也就得到了電路的品質因數。
[0046]本發明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0047]本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。
[0048]以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種磁流體複合物角速度傳感器，其特徵在於，所述磁流體複合物角速度傳感器包括:金屬殼體、MFC、永磁體、二十四槽定子、電磁線圈、軟磁體，以及外接的三相交流電發生電路， 所述金屬殼體為軟磁材料構成的圓柱體容器，用於容納機械結構和電路，並屏蔽外界電磁幹擾，所述金屬殼體底部設有螺紋孔，用於將整個角速度傳感器固定在被測物體上；所述MFC是由非導電基液、磁性微粒和非磁性固體顆粒組成的三相溶液； 所述永磁體為圓柱狀永磁體，用於提供梯度磁場，使所述MFC產生磁流體重力懸浮效應； 所述電磁線圈纏繞在所述二十四槽定子上，所述二十四槽定子和所述電磁線圈用於產生旋轉磁場，使所述MFC中的非磁性固體顆粒反向自旋； 所述軟磁體用於屏蔽所述電磁線圈交叉處產生的磁場幹擾； 所述三相交流電發生電路用於產生三相交流電壓，通過隔離電路加載到所述電磁線圈上產生旋轉磁場。
【文檔編號】G01P3/44GK103941034SQ201410134139
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月3日 優先權日:2014年4月3日
【發明者】李醒飛, 徐夢潔, 梁思夏, 王麗萍, 張少強 申請人:天津大學