專利名稱：磁流變液加速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于加速度傳感器的應用領域，具體涉及一種基于磁流變液的加速度傳感器。
背景技術：
磁流變液是一種智能流體材料，由磁性粒子、基液以及添加劑組成。在無外磁場作用時，磁流變液呈現流動性良好的液體狀態；在外加磁場作用下其表觀粘度可在短時間(毫秒級)內增加到兩個數量級以上，從而呈現類似固體的狀態。在撤掉外磁場后“固態”磁流變液可快速轉換為流體狀態(Wojciech Szelag. Finite element analysis of themagnetorheo- logical uid brake transients[J]. 2004, 23(3):758- 766·)。 加速度傳感器是一種能夠測量加速力的設備，廣泛用于航空航天、武器系統、汽車等領域。通過測量加速度，可以獲得運動物體的運動狀態。從而可應用在控制、汽車制動啟動檢測、地震監測、地質勘探以及橋梁的振動測試與分析。現有的加速度傳感器一般剛度較小，測量范圍有限，使用中容易達到其量程的極限值。
發明內容
為了能夠有效提高加速度的測量范圍，本發明提出一種磁流變液加速度傳感器。該裝置主要分為加速度測試裝置、信號轉換電路以及量程控制電路三部分。加速度測試裝置由非磁性容器、檢測電容、磁場線圈、非磁性運動塊、磁流變液、和彈簧組成。磁流變液充滿非磁性容器，非磁性運動塊懸浮于磁流變液中，其上下兩端分別被兩根彈簧固定，彈簧另一端固定在非磁性容器內。磁場線圈用來為磁流變液提供磁場。將非磁性運動塊當作動極板、在非磁性容器外設置定極板，二者構成檢測電容。當非磁性容器運動時，非磁性運動塊將與非磁性容器產生相對位移，從而檢測電容將發生變化。信號轉換電路由檢測電容、反饋電阻、反饋電容和運算放大器構成的比例運算電路組成。用一交流電壓信號對該比例運算電路進行激勵后，將檢測電容隨相對位移的變化轉化為交流電壓信號。用嵌入式系統或虛擬儀器或單片機對該電壓信號進行運算和處理即可得到相對位移隨時間的變化，從而可得非磁性容器的加速度的大小。量程控制電路由已知電阻、反饋電阻、多路開關、磁場線圈和運算放大器構成的比例運算電路組成。用一直流電壓信號對該比例運算電路進行激勵后，通過多路開關控制多個反饋電阻，從而實現不同幅值的直流電壓輸出。用所輸出的直流電壓控制磁場線圈中的電流大小，從而在線圈中將產生不同大小的磁場。磁流變液在不同磁場下阻尼系數不同，從而實現加速度傳感器的量程可調。本發明結構簡單，不但可以有效地檢測加速度的大小，而且可以實現不同量程的加速度測量。本發明所采用的技術方案如下
一種磁流變液加速度傳感器，該傳感器包括加速度測試裝置、信號轉換電路以及量程控制電路三部分。所述加速度測試裝置由非磁性容器、檢測電容、磁場線圈、非磁性質量塊、磁流變液和彈簧組成。磁流變液充滿非磁性容器，非磁性運動塊懸浮于磁流變液中，其上下兩端分別被兩根彈簧固定，彈簧另一端固定在非磁性容器內。磁場線圈用來為磁流變液提供磁場。將非磁性質量塊當作動極板、在非磁性容器內設置定極板，二者構成檢測電容。當非磁性容器運動時，非磁性質量塊在彈簧彈性力、磁流變液阻尼力、自身重力、磁流變液浮力相互作用下將與非磁性容器產生相對位移，即檢測電容面積將發生變化，從而檢測電容將發生變化。所述信號轉換電路由檢測電容、反饋電阻、反饋電容和運算放大器構成的比例運算電路組成。當測試時，向電路輸入一交流電壓信號，該交流電壓信號對比例運算電路進行激勵后，將檢測電容隨相對位移的變化轉化為交流電壓信號。用嵌入式系統或虛擬儀器或單片機對該電壓信號進行運算和處理即可得到相對位移隨時間的變化，從而可得非磁性容器的加速度的大小。所述量程控制電路由已知電阻、反饋電阻、多路開關、磁場線圈和運算放大器構成 的比例運算電路組成。當測試時，向電路輸入一直流電壓信號。該直流電壓信號對比例運算電路進行激勵后，通過多路開關控制多個反饋電阻，從而實現不同幅值的直流電壓輸出。用所輸出的直流電壓控制磁場線圈中的電流大小，從而在線圈中將產生不同大小的磁場。磁流變液在不同磁場下阻尼系數不同，從而實現加速度傳感器的量程可調。根據上述測試裝置，本發明進一步提出一種基于磁流變液的加速度檢測方法，該方法包括以下步驟
(I)設計基于磁流變液的加速度測試裝置、信號轉換電路及量程控制電路。(2)通過量程控制電路選擇合適的測量磁場。(3)通過信號轉換電路將檢測電容變化轉換為電路輸出電壓變化。(4)通過可編程的虛擬儀器或嵌入式系統或單片機對上述電壓信號采集、數據處理和運算，從而得到加速度的大小。
本發明的有益效果是
(I)設計出磁流變液加速度傳感器。(2)可以檢測出不同量程范圍的加速度。(3)為磁流變液在傳感技術中的應用提供了一種新的方法。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖I是本發明加速度測試裝置示意 圖中I.磁場線圈，2.非磁性容器，3.彈簧，4.非磁性圓環，5.電容定極板，6.磁流變液，7.非磁性質量塊,8.金屬桿,9.金屬桿，10.絕緣材料圖2是信號轉換電路 圖3是量程控制電路具體實施例方式參照圖1，本發明所涉及的加速度測試裝置由磁場線圈I、鋁合金容器2、彈簧3、鋁合金圓環4、檢測電容定極板5、磁流變液6、鋁合金質量塊7、鋁合金桿8、鋁合金桿9、陶瓷10組成。磁流變液6充滿鋁合金容器2，鋁合金質量塊7 (上下兩端固定有鋁合金桿9 )懸浮于磁流變液6中，其上下兩端分別被兩根彈簧6固定，彈簧另一端固定在鋁合金容器2內。磁場線圈I用來為磁流變液6提供磁場。鋁合金桿8一端固定在鋁合金容器2上，另一端固定有鋁合金圓環4用來限制鋁合金質量塊7只能在豎直方向運動。將鋁合金質量塊7當作電容動極板，在鋁合金容器2內設置鋁合金檢測電容定極板5，鋁合金容器2與鋁合金檢測電容定極板5之間用陶瓷10隔離。其中鋁合金容器2、鋁合金質量塊7、鋁合金檢測電容定極板5、陶瓷10為圓柱形。參照圖2，信號轉換電路由檢測電容Cx(皮法級別)、已知電阻R1、R2、反饋電容Cl、已知電容C2、C3和運算放大器構成。 參照圖3，量程控制電路圖由已知電阻R3、R4、R5、R6、R7、運算放大器、磁場線圈和多路開關Kl、K2和K3組成。參照圖1、2、3，加速度測量方案為
當鋁合金容器2沿豎直方向運動時，將產生加速度a，鋁合金質量塊7在彈簧彈性力、磁流變液阻尼力、自身重力、磁流變液浮力相互作用下將與鋁合金容器2產生相對位移。設相對位移為y，則有
y+ +^ly=-a(I)
= ^jkl▲其中，y為相對位移，a為容器加速度，，c為磁流變液阻尼系數，k為彈簧彈性系數，m為質量塊質量。當鋁合金質量塊7與鋁合金容器2產生相對位移后，檢測電容將發生變化，檢測電容與相對位移關系為
C = 2叫 CKO+ )
… Infr2Zr1)
(2)
—2順)丨c
ln(r2 / ^1) 0
其中，CO為初始電容，r2為定極板內徑；rl為質量塊外徑，由(2)式得
,、 InfA,. Infc Zn) _
y的=1 cjf)- 1 c0 (3)
將(3)式代入(I)式并經非線性校正后可得加速度a的大小。參照圖2，檢測電容測量方案為
向電路輸入正弦信號UO (t)，通過正弦信號UO (t)對被測檢測電容進行激勵，激勵電流流經由反饋電阻Rl、反饋電容Cl，和運算放大器組成的檢測器轉換成交流電壓Ul (t)，由電路基本原理可得
(4)
J 減JC1 +1
J^1C1 1 (3)式變為訓=—鹽 (5)
參照圖3，測量不同范圍加速度方案為
向電路輸入直流電壓U2，通過直流電壓對比例運算電路進行激勵，激勵電流經由多路 開關KI、K2、K3和電阻R5、R6、R7組成的反饋網絡后，可得到不同大小的輸出電壓U3，U3作用在磁場線圈上，使得磁場線圈中產生不同大小的磁場。因為磁流變液的阻尼系數隨外磁場的變化而變化，從而鋁合金質量塊7所受到的阻尼力將隨磁場的變化而變化。當加速度a較小時，調節外磁場較小，使得阻尼力較小；當加速度較大時，調節外磁場較大，使得阻尼力較大。通過這種方式可以測量不同范圍的加速度。
權利要求
1.一種磁流變液加速度傳感器，該傳感器包括加速度測試裝置、信號轉換電路以及量程控制電路三部分，其特征為 所述加速度測試裝置由非磁性容器、檢測電容、磁場線圈、非磁性質量塊、磁流變液和彈簧組成；磁流變液充滿非磁性容器，非磁性運動塊懸浮于磁流變液中，其上下兩端分別被兩根彈簧固定，彈簧另一端固定在非磁性容器內；磁場線圈用來為磁流變液提供磁場；將非磁性質量塊當作動極板、在非磁性容器外設置定極板，二者構成檢測電容；當非磁性容器運動時，非磁性質量塊在彈簧彈性力、磁流變液阻尼力、自身重力、磁流變液浮力相互作用下將與非磁性容器產生相對位移，即檢測電容面積將發生變化，從而檢測電容將發生變化； 所述信號轉換電路由檢測電容、反饋電阻、反饋電容和運算放大器構成的比例運算電路組成；當測試時，向電路輸入一交流電壓信號，該交流電壓信號對比例運算電路進行激勵后，將檢測電容隨相對位移的變化轉化為交流電壓信號；用嵌入式系統或虛擬儀器或單片機對該電壓信號進行運算和處理即可得到相對位移隨時間的變化，從而可得非磁性容器的加速度的大小； 所述量程控制電路由已知電阻、反饋電阻、多路開關、磁場線圈和運算放大器構成的比例運算電路組成；當測試時，向電路輸入一直流電壓信號；該直流電壓信號對比例運算電路進行激勵后，通過多路開關控制多個反饋電阻，從而實現不同幅值的直流電壓輸出；用所輸出的直流電壓控制磁場線圈中的電流大小，從而在線圈中將產生不同大小的磁場；磁流變液在不同磁場下阻尼系數不同，從而實現加速度傳感器的量程可調； 根據上述測試裝置，本發明進一步提出一種基于磁流變液的加速度檢測方法，該方法包括以下步驟 (1)設計基于磁流變液的加速度測試裝置、信號轉換電路及量程控制電路； (2)通過量程控制電路選擇合適的測量磁場； (3)通過信號轉換電路將檢測電容變化轉換為電路輸出電壓變化； (4)通過可編程的虛擬儀器或嵌入式系統或單片機對上述電壓信號采集、數據處理和運算，從而得到加速度的大小。
2.根據權利要求I所述的檢測裝置，其特征為所述加速度測試裝置由磁場線圈、非磁性容器、彈簧、非磁性圓環、檢測電容定極板、磁流變液、非磁性質量塊、金屬桿、絕緣材料組成；磁流變液充滿非磁性容器，非磁性質量塊(上下兩端固定有金屬桿)懸浮于磁流變液中，其上下兩端分別被兩根彈簧固定，彈簧另一端固定在非磁性容器內；磁場線圈用來為磁流變液提供磁場；金屬桿一端固定在非磁性容器上，另一端固定有非磁性圓環用來限制鋁合金質量塊只能在豎直方向運動；將非磁性質量塊當作電容動極板，在非磁性容器內設置非磁性檢測電容定極板，非磁性容器與非磁性檢測電容定極板之間用絕緣材料隔離。
3.根據權利要求2所述的檢測裝置，其特征為所述非磁性容器與非磁性質量塊可以是鋁板、鈦合金或鎢銅合金等。
4.根據權利要求2所述的檢測裝置，其特征為所述非磁性容器與非磁性質量塊可以是圓柱體或長方體。
5.根據權利要求2所述的檢測裝置，其特征為所述絕緣材料可以是云母、大理石、瓷器或玻璃。
全文摘要
本發明涉及一種磁流變液加速度傳感器。將一非磁性質量塊放置于內部充滿磁流變液的非磁性容器內部，用彈簧將質量塊固定于容器內。當容器存在加速度時，質量塊在彈簧彈性力和磁流變液的阻尼力的作用下將與容器產生相對位移。通過檢測相對位移的變化可計算出容器的加速度。由于磁流變液的阻尼系數隨外磁場的變化而變化，從而通過調節外磁場調節加速度的測量范圍。具有測量范圍大、精度高、靈敏高、響應速度快等優點。
文檔編號G01P15/125GK102778584SQ201110120399
公開日2012年11月14日 申請日期2011年5月11日 優先權日2011年5月11日
發明者何國田, 冉迎春, 劉云杰, 張德勝, 戴鵬飛, 李明, 王松, 谷明信, 馬燕 申請人:重慶師范大學