一种磁流体复合物角速度传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种磁流体复合物角速度传感器，金属壳体为软磁材料构成的圆柱体容器，用于容纳机械结构和电路，并屏蔽外界电磁干扰，金属壳体底部设有螺纹孔，用于将整个角速度传感器固定在被测物体上；MFC是由非导电基液、磁性微粒和非磁性固体颗粒组成的三相溶液；永磁体为圆柱状永磁体，用于提供梯度磁场，使MFC产生磁流体重力悬浮效应；电磁线圈缠绕在二十四槽定子上，二十四槽定子和电磁线圈用于产生旋转磁场，使MFC中的非磁性固体颗粒反向自旋；软磁体用于屏蔽所述电磁线圈交叉处产生的磁场干扰；三相交流电发生电路用于产生三相交流电压，通过隔离电路加载到电磁线圈上产生旋转磁场。具有低成本、高线性、高灵敏度的特征。
【专利说明】一种磁流体复合物角速度传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及角速度传感器领域，尤其涉及一种利用磁流体复合物中的磁性液体及非磁性成分自旋转效应的角速度传感器。
【背景技术】
[0002]磁性液体(Magnetic Fluid，简称MF)是由悬浮在基液中的磁性微粒、稳定剂和基液组成，兼具有流动性和电磁性双重特性的一种新型功能材料。如果在磁流体中加入第三相由不同材料做成的非磁性固体颗粒(约100-5000nm)，而且这种非磁性固体颗粒还具有导电性(金属或被覆金属)，那么磁流体复合物(Magnetic Fluid Composites,简称MFC)将表现出独特的光学、电磁学和机械流变方面的属性。在国内，以磁性液体为核心的传感器在国内才刚进入研究起步阶段，对磁性液体惯性传感器的研究较少。
[0003]由于MFC中非磁性颗粒的质量、密度一般与磁流体不同，MFC —般需在微重力场条件下工作。否则，MFC(三相流体)中的非磁性固体成分在梯度重力下将沉降到容器的底部或移到容器中液体的上层(除非非磁性成分与磁流体的质量、密度相同)。要在地球环境下使用这种MFC，需要在竖直方向附加一个梯度磁场，磁流体溶液在此梯度磁场下具有重力悬浮效应(产生一个大于常规浮力的向上的力)，使其中的非磁性物质悬浮在溶液中。这样，非磁性物质等效处于微重力环境下。在微重力场中，MFC的非磁性成分无需磁梯度稳定，整个MFC体系宏观均一。这样，微小的外加物理场就可以影响MFC液体内部结构和属性，使之发生相关效应，表现出特定的光学、电磁学和机械流变特性等。
【发明内容】
[0004]本发明提供了 一种磁流体复合物角速度传感器，本发明利用磁流体复合物中的磁性液体及非磁性成分自旋转效应提出了一种新型的角速度传感器，详见下文描述:
[0005]一种磁流体复合物角速度传感器，所述磁流体复合物角速度传感器包括:金属壳体、MFC、永磁体、二十四槽定子、电磁线圈、软磁体，以及外接的三相交流电发生电路，
[0006]所述金属壳体为软磁材料构成的圆柱体容器，用于容纳机械结构和电路，并屏蔽外界电磁干扰，所述金属壳体底部设有螺纹孔，用于将整个角速度传感器固定在被测物体上；
[0007]所述MFC是由非导电基液、磁性微粒和非磁性固体颗粒组成的三相溶液；
[0008]所述永磁体为圆柱状永磁体，用于提供梯度磁场，使所述MFC产生磁流体重力悬浮效应；
[0009]所述电磁线圈缠绕在所述二十四槽定子上，所述二十四槽定子和所述电磁线圈用于产生旋转磁场，使所述MFC中的非磁性固体颗粒反向自旋；
[0010]所述软磁体用于屏蔽所述电磁线圈交叉处产生的磁场干扰；
[0011]所述三相交流电发生电路用于产生三相交流电压，通过隔离电路加载到所述电磁线圈上产生旋转磁场。[0012]本发明提供的技术方案的有益效果是:利用磁流体复合物独特的电磁属性和机械流变特性的新型磁流体惯性引力传感器具有低成本、高线性、高灵敏度的特征，特别在准静态和低频惯性引力变化场合中，具有高线性度和灵敏度响应。
[0013]1、本发明结构新颖，没有固体移动部件，不存在机械磨损，因此具有高可靠性、高强度、长寿命的特点；
[0014]2、本发明具有低成本、高线性、高灵敏度的特征，特别在准静态和低频惯性引力变化场合中，具有高线性度和灵敏度响应。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明的俯视图。
[0016]其中:1、2、3和4-螺钉;5_端盖。
[0017]图2是图1中对应的剖视图A-A。
[0018]其中:3,4_螺钉；5_端盖；6_金属壳体；7_螺纹；8_螺钉；10_电路平台；11-上走线板；12_上软磁体；13_上软磁体支架；14_上永磁体；15_上永磁体支架；16-MFC ；17- 二十四槽定子；18_下永磁体；19_下软磁体支架；20_下软磁体；21_下走线板；9、22-定位杆。
[0019]图3是本发明的上下走线板、上下软磁体支架及上下永磁体支架的示意图。
[0020]图4是二十四槽定子的示意图。
[0021]图5是本发明的装配分解示意图(螺钉和定位杆未画出，其中螺钉的标号(23、24、25和26)标在了相应的螺纹孔上)。
[0022]图6是产生输出相位差为120°的三相交流电压的电路简图(在该电路与电磁线圈之间需要加入隔离电路，图中未画出)。
[0023]图7是三相二十四槽绕组缠绕平面图。U1和U2均接入通过隔离电路的0°正弦电压但电流流向相反，V1和V2均接入通过隔离电路的120°正弦电压但电流流向相反，U1和U2均接入通过隔离电路的240°正弦电压但电流流向相反。电流方向如图所示。
[0024]图8是外界输入角速度f与品质因数Q之间的关系图。外界输入角速度以Hz为单位。
【具体实施方式】
[0025]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0026]一种磁流体复合物角速度传感器，包括:金属壳体6、MFC16、永磁体(上永磁体14和下永磁体18)、二十四槽定子17、电磁线圈(图中未示出)、软磁体(上软磁体12和下软磁体20)，以及外接的三相交流电发生电路。
[0027]金属壳体6为软磁材料构成的圆柱体容器,用于容纳角速度传感器的机械结构和电路，并屏蔽外界电磁干扰，金属壳体6底部设有螺纹孔，用于将整个角速度传感器固定在被测物体上。
[0028]MFC16是由非导电基液、磁性微粒和非磁性固体颗粒组成的三相溶液。
[0029]永磁体为圆柱状永磁体，用于提供梯度磁场，使MFC16产生磁流体重力悬浮效应，从而使得非磁性固体颗粒均匀地悬浮在溶液中。
[0030]电磁线圈缠绕在二十四槽定子17上，二十四槽定子17和电磁线圈用于产生旋转磁场，使MFC16中的非磁性固体颗粒反向自旋。
[0031 ] 软磁体用于屏蔽电磁线圈交叉处产生的磁场干扰。
[0032]三相交流电发生电路用于产生三相交流电压，通过隔离电路加载到电磁线圈上产生旋转磁场。该电路为本领域技术人员所共知，本发明实施例对此不作赘述。
[0033]该角速度传感器是通过MFC16中的非磁性物质在旋转磁场的作用下做绕z轴的反向自旋运动，其角动量的方向也是沿Z轴。当整个角速度传感器有沿X轴或y轴(X，y, Z轴正交)的附加角动量时，电路的品质因数发生变化，且在一定旋转频率范围内，品质因数的倒数与附加旋转运动的角速度呈线性关系。
[0034]下面结合附图详细的描述该角速度传感器的结构，详见下文描述:
[0035]图1是本发明的俯视图。该图描述了螺钉1、2、3和4在端盖5上沿圆周方向均匀分布，作用是与金属壳体6相连。
[0036]图2是图1中对应的剖视图A-A。将下走线板21插入定位杆9和22(前后方向的定位杆图中未示出)。将下软磁体20与下软磁体支架19组合好后插入定位杆9和22。将二十四槽定子17和下永磁体18组合好后插入定位杆9和22。并将已经和定位杆组合好的组件放入金属壳体6中。在二十四定位槽17中灌入MFC16后用胶涂在二十四定位槽17上表面，同时将上永磁体架15和上永磁体14组合好后插入定位杆9和22后，使得上永磁体架15下表面和二十四定位槽17上表面胶合。将上软磁体架13和上软磁体12组合好插入定位杆9和22。将上走线板11插入定位杆9和22。将电路平台10和电路板等组合好后，用螺钉8 (以及图2中未示出的螺钉)固定在上走线板11上。端盖5与金属壳体6通过螺钉1、2、3和4连接。螺纹7是为了将整个角速度传感器固定在被测物体上。
[0037]图3是本发明的上下走线板、上下软磁体支架及上下永磁体支架的示意图。图中的槽状是供产生旋转磁场的线圈走线所用。圆孔是为插入定位杆9和22所用。
[0038]图4是二十四槽定子的示意图。如图4所示，槽状是供产生旋转磁场的线圈走线所用，中间圆柱状空间是用于容纳MFC的。圆孔是为插入定位杆9和22所用。
[0039]图5是本发明的装配分解示意图(螺钉和定位杆未画出，其中螺钉的标号标在了相应的螺纹孔上)。按照如图所示的顺序安装形成。
[0040]图6是产生输出相位差为120°的三相交流电压的电路简图，输入为50Hz正弦交流电压。具体实现时，还可以采用其他的三相交流电压产生电路，本发明实施例对此不作限制。
[0041]图7是三相二十四槽绕组缠绕平面图。U1和U2均接入通过隔离电路的0°正弦电压但电流流向相反，V1和V2均接入通过隔离电路的120°正弦电压但电流流向相反，U1和U2均接入通过隔离电路的240°正弦电压但电流流向相反。电流方向如图所示。
[0042]图8是外界输入角速度f与品质因数Q之间的关系图。外界输入角速度以Hz为单位。
[0043]本发明所述的一种磁流体复合物角速度传感器的工作原理如下:
[0044]按照图7所示的电磁线圈在二十四定位槽17中缠绕后，当给电磁线圈输入相位差为120°的三相交流电时，会产生围绕z轴转动的旋转磁场，从而MFC溶液中的磁性物质跟随旋转磁场转动，MFC溶液中的磁性物质与非磁性物质之间的作用力使得非磁性物质产生反向自旋运动，其转动惯量的方向沿z轴，z轴方向如图2中所示。当整个传感器有沿X轴或I轴(X，y, z轴正交,X和y轴方向如图1所示)的附加角动量时，电路的品质因数发生变化，且在一定旋转频率范围内，品质因数的倒数与附加旋转运动的角速度呈线性关系，如图8所示。
[0045]下面简述电路品质因数的测量方法。整个电路的储能元件等效为电感L，耗能元件等效为电阻R，测得电路两端的电压U和流经整个电路的电流I，得到U=I(LS+R)，则相角关系为Z U= Z I+ Z arctan (Lco/R)。这样，根据U、I的相角关系和ω的值，就能算得L和R的比值，也就得到了电路的品质因数。
[0046]本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0047]本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0048]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种磁流体复合物角速度传感器，其特征在于，所述磁流体复合物角速度传感器包括:金属壳体、MFC、永磁体、二十四槽定子、电磁线圈、软磁体，以及外接的三相交流电发生电路， 所述金属壳体为软磁材料构成的圆柱体容器，用于容纳机械结构和电路，并屏蔽外界电磁干扰，所述金属壳体底部设有螺纹孔，用于将整个角速度传感器固定在被测物体上；所述MFC是由非导电基液、磁性微粒和非磁性固体颗粒组成的三相溶液； 所述永磁体为圆柱状永磁体，用于提供梯度磁场，使所述MFC产生磁流体重力悬浮效应； 所述电磁线圈缠绕在所述二十四槽定子上，所述二十四槽定子和所述电磁线圈用于产生旋转磁场，使所述MFC中的非磁性固体颗粒反向自旋； 所述软磁体用于屏蔽所述电磁线圈交叉处产生的磁场干扰； 所述三相交流电发生电路用于产生三相交流电压，通过隔离电路加载到所述电磁线圈上产生旋转磁场。
【文档编号】G01P3/44GK103941034SQ201410134139
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月3日 优先权日:2014年4月3日
【发明者】李醒飞, 徐梦洁, 梁思夏, 王丽萍, 张少强 申请人:天津大学