专利名称：二维磁性流体加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及加速度传感器的生产及应用领域，尤其涉及一种基于磁性流体的二维加速 度传感器。
技术背景目前，在诸多的技术领域均常用到加速度传感器，如汽车运动控制、建筑机械运动控 制、机械振动检测、航天航空、家电产品性能检测等等。 现有的加速度传感器通常有以下几种结构。一种加速度传感器是采用悬臂梁结构，包含固定端设置在基板上作往复弹性变形运动 的悬臂梁，通过检测悬臂梁位置的方式确定外界加速度大小。常用的检测方式有设置一端 固定、另一端自由运动的悬臂梁，在悬臂梁的根部粘贴应变片，通过应变片检测悬臂梁根 部的位移值，从而确定外界输入加速度。另 一种加速度传感器是将压电元件设置于传感器底部，在压电元件上方设置质量块， 质量块与压电元件在法向上紧密接触，接触面法线平行于所测加速度的方向，工作时质量 块产生一定的位移量，使得与之相接触的压电元件产生输出信号，通过检测输出信号，即 可检测相应的输入加速度。上述的加速度传感器一旦安装之后，只能检测同一个方向的输入加速度，而对于其他 方向的加速度则无法检测，即其检测方向具有一维性，同时， 一经制造后就不能改变加速 度传感器内部的材料，这些都是它们的缺点。发明内容鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供二维磁性流体加速度传感器， 核心是基于磁性流体的双质量块压电式加速度传感器，具有检测方向二维性、大量程、量 程可控性、高灵敏度、高可靠性、智能性、工作寿命长等特点。本发明的目的是通过以下技术方案实现的一种二维磁性流体加速度传感器，包括非磁性腔体、垂直质量块、水平质量块、检 测装置与磁性流体，其中非磁性腔体由非磁性材料构成的密闭容器；垂直质量块沿垂直方向设于非磁性腔体中部，上下两端面与非磁性腔体的接触面间 设有检测装置，并在垂直质量块、检测装置与非磁性腔体之间保持设定的预紧压力；水平质量块沿水平方向设于非磁性腔体中部，左右两端面与非磁性腔体的接触面间 设有检测装置，并在水平质量块、检测装置与非磁性腔体之间保持设定的预紧压力；且在非磁性腔体与垂直质量块和水平质量块形成的空腔中充满磁性流体；检测装置用于检测垂直质量块和水平质量块与非磁性腔体之间压力的变化，输出加 速度检测结果信号。所述的二维磁性流体加速度传感器，还包括磁场控制装置，用于改变磁性流体的粘 度，控制垂直质量块和水平质量块轴向的位移量，具体包括励磁线圈缠绕于非磁性腔体的外部，通过输入电流产生均匀磁场，改变磁性流体的 粘度，控制垂直质量块和水平质量块轴向的位移量。所述的二维磁性流体加速度传感器，还包括检测控制装置，用于根据检测装置输出的加 速度检测结果信号，控制励磁线圈的输入电流，从而控制励磁线圈的内部磁场。所述的检测装置包括一块或者多块压电片通过串连方式或者并联方式组成的压电元 件，压电元件设于垂直质量块和水平质量块与非磁性腔体之间，用于检测垂直质量块和水 平质量块的位移量变化，输出可供后续检测电路检测的信号。所述的垂直质量块或水平质量块以高比重材料制成；且所述的垂直质量块或水平质量 块是圆柱体或棱柱体，且在垂直质量块或水平质量块周向设置有多道凹槽或叶片，用于增 加与磁性流体的有效接触面积。所述的垂直质量块中部设有水平方向的水平通孔，水平质量块从水平通孔中穿过；或者，所述的水平质量块中部设有垂直方向的垂直通孔，垂直质量块从垂直通孔中穿过。 所述的非磁性腔体包括非磁性内筒与非磁性压盖，其中-所述的非磁性内筒轴线垂直设置，且一端开口，开口处通过螺钉固定安装一个轴向非 磁性压盖压紧垂直质量块，并且在非磁性内筒的侧壁上设有一幵孔，在开孔处通过螺钉固 定安装一个側向非磁性压盖压紧水平质量块，组成非磁性腔体；并在垂直质量块和水平质 量块、检测装置与非磁性腔体之间产生保持设定的预紧压力；或者，所述的非磁性内筒轴线水平设置，且一端开口，开口处通过螺钉固定安装一个轴向非 磁性压盖压紧水平质量块，并且在非磁性内筒的侧壁上设有一开孔，在开孔处通过螺钉固 定安装一个侧向非磁性压盖压紧垂直质量块，组成非磁性腔体；并在垂直质量块和水平质 量块、检测装置与非磁性腔体之间产生保持设定的预紧压力；或者，所述的非磁性内筒轴线垂直设置，且两端开口，两端分别通过螺钉固定安装一个轴向 非磁性压盖压紧垂直质量块，并且在非磁性内筒的侧壁上设有一开孔，在开孔处通过螺钉 固定安装一个侧向非磁性压盖压紧水平质量块，组成非磁性腔体；并在垂直质量块和水平 质量块、检测装置与非磁性腔体之间产生保持设定的预紧压力；或者，所述的非磁性内筒轴线水平设置，且两端开口，两端分别通过螺钉固定安装一个轴向 非磁性压盖压紧水平质量块，并且在非磁性内筒的侧壁上设有一开孔，在开孔处通过螺钉 固定安装一个侧向非磁性压盖压紧垂直质量块，组成非磁性腔体；并在垂直质量块和水平 质量块、检测装置与非磁性腔体之间产生保持设定的预紧压力。所述的非磁性腔体为圆柱体或棱柱体，外壁沿轴向方向设置有周向凹槽，用于安装励 磁线圈；或者还包括，所述的垂直质量块和水平质量块端面处设置有定位凸台，所述的非磁性腔体内部端面 处设置有相对应的同轴的沉孔，垂直质量块和水平质量块通过非磁性腔体内部沉孔实现周 向定位；或者还包括，所述的非磁性内筒与非磁性压盖之间还设置有非磁性密封圈。 所述的磁性流体包括磁流体、磁性复合流体或磁流变体中的至少一种。 所述的二维磁性流体加速度传感器，还包括外壳体，所述的非磁性腔体、磁性流体、 垂直质量块、水平质量块、检测装置或磁场控制装置设置于外壳体内腔中，外壳体具体包 括外套筒、外端盖，外套筒与外端盖通过螺栓固定，所述的外端盖上设有安装支脚和/或安 装孔，或者；所述的外壳体与非磁性腔体间设有隔离套，用于隔离磁场控制装置与外部磁场的联 系，抑制外界磁场干扰。由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的一种二维磁性流体加速度传感 器包括非磁性腔体、垂直质量块、水平质量块、检测装置与磁性流体，其中非磁性腔体是由非磁性材料构成的密闭容器；垂直质量块沿垂直方向设于非磁性腔体中部，上下两端面 与非磁性腔体的接触面间设有检测装置，并在垂直质量块、检测装置与非磁性腔体之间保 持设定的预紧压力；水平质量块沿水平方向设于非磁性腔体中部，左右两端面与非磁性腔 体的接触面间设有检测装置，并在水平质量块、检测装置与非磁性腔体之间保持设定的预 紧压力；且在非磁性腔体与垂直质量块和水平质量块形成的空腔中充满磁性流体；检测装 置用于检测垂直质量块和水平质量块与非磁性腔体之间压力的变化，输出加速度检测结果 信号。具体可将一垂直质量块、 一水平质量块和四块压电元件放置于一非磁性材料组成的满 磁性流体的非磁性腔体的内部，通过轴向非磁性压盖的周向定位作用，使垂直质量块与非 磁性腔体保持同轴，通过侧向非磁性压盖的定位作用，使水平质量块与非磁性腔体轴线保 持垂直，在每个质量块上设置定位轴肩，用于定位压电元件，水平质量块中部开圆柱通 孔，作为垂直质量块的装配孔，在装配孔上预留装配尺寸和工作尺寸，非磁性压盖除了起 到定位的作用，还提供了预紧力，当非磁性压盖锁紧的时候，产生的预紧力将压电元件和 质量块压紧，使压电元件和质量块在压电元件的接触面紧密接触；当存在外界加速度时， 质量块由于惯性作用，将对压电元件产生拉伸或者压縮的效果，通过检测压电元件的输出 信号，即可确定质量块的位移量，从而确定外界加速度的值，同时，质量块还将受到磁性 流体的阻尼力作用，通过控制磁性流体的阻尼力，可以控制质量块的位移量，从而实现检 测量程范围的改变。本发明结构上新颖，避免了传统的悬臂梁结构，引入了交错式双质量块结构和压电元 件，水平质量块的中部设置圆柱通孔，垂直质量块贯穿通过水平质量块的中部通孔，通过 预留工作尺寸，使得垂直质量块能独立在竖直方向移动而不会与水平质量块发生干涉，压 电元件通过质量块上的定位轴肩进行定位，通过非磁性压盖提供的预紧力，使质量块和压 电元件紧密接触， 一方面增强了所述加速度传感器的灵敏度，另一方面有效增加了加速度 传感器的刚度；当所述的加速度传感器承受水平加速度时，水平质量块由于惯性而发生水 平位移量，作为与水平质量块相接触的压电元件的输入量，使得输入的水平加速度在压电 元件上有了相应的输出量；当所述的加速度传感器承受竖直加速度时，垂直质量块由于惯 性作用而发生竖直位移量，作为与垂直质量块相接触的压电元件的输入量，使得输入的竖 直加速度在压电元件上有了相应的输出量；由于垂直质量块与水平质量块不会发生干涉， 因此，所述的加速度传感器可以独立检测二維方向的输入加速度；水平质量块在除了中部之外的柱面外壁上均设置多凹槽结构，垂直质量块整体外壁设置多凹槽结构，增大了质量 块与磁性流体的有效接触面积，确保质量块在工作方向上感受磁性流体的阻尼力，控制质 量块在工作方向的位移量；在质量块的两个端面上设置压电元件，当输入水平加速度时， 水平质量块的一端压电元件受压、另一端压电元件被放松，当输入竖直加速度时，垂直质 量块的一端压电元件受压、另一端压电元件被放松，这种差动检测方式可有效消除各种千 扰，提高了质量块位移量检测的准确度；另外本发明中利用磁性流体粘度可控性特点，通 过对励磁线圈电流进行改变，改变施加在磁性流体上的磁场强度，达到控制磁性流体粘度 的目的，从而可以达到对加速度传感器量程的控制，实现大量程的特点。具有检测方向二 维性、大量程、量程可控性、高灵敏度、高可靠性、智能性、工作寿命长等特点。
图1为本发明所述的二维磁性流体加速度传感器的立体爆炸示意图； 图2为本发明所述的二维磁性流体加速度传感器的结构示意图；图3为本发明所述的二维磁性流体加速度传感器的局部装配图。
具体实施方式
本发明所述的一种二维磁性流体加速度传感器包括非磁性腔体、垂直质量块、水平 质量块、检测装置与磁性流体，其中非磁性腔体是由非磁性材料构成的密闭容器；垂直质 量块沿垂直方向设于非磁性腔体中部，上下两端面与非磁性腔体的接触面间设有检测装 置，并在垂直质量块、检测装置与非磁性腔体之间保持设定的预紧压力；水平质量块沿水 平方向设于非磁性腔体中部，左右两端面与非磁性腔体的接触面间设有检测装置，并在水 平质量块、检测装置与非磁性腔体之间保持设定的预紧压力；且在非磁性腔体与垂直质量 块和水平质量块形成的空腔中充满磁性流体；检测装置用于检测垂直质量块和水平质量块 与非磁性腔体之间压力的变化，输出加速度检测结果信号。具体可将一垂直质量块、 一水平质量块和四块压电元件放置于一非磁性材料组成的满 磁性流体的非磁性腔体的内部，通过非磁性压盖的定位孔的定位作用，使垂直质量块与非 磁性腔体保持同轴、水平质量块的轴线与非磁性腔体的轴线垂直，水平质量块的中部柱面 开圆柱通孔，作为垂直质量块的装配孔，垂直质量块垂直通过水平质量块上的装配孔，并 通过非磁性内筒底部的定位孔进行定位，装配孔预留装配尺寸和工作尺寸，从而垂直质量块与水平质量块移动时不会发生干涉，两者可独立检测各自工作方向的输入加速度，实现 二维方向的加速度测量；压电元件通过质量块上的定位轴肩进行定位，非磁性压盖除了对 质量块起到定位的作用，还提供了必要的预紧力，当非磁性压盖锁紧的时候，产生的预紧 力将压电元件和质量块压紧，使压电元件和质量块紧密接触，用于增大所述加速度传感器 的刚度，还能增大加速度传感器的测量灵敏度；当存在外界加速度时，质量块由于惯性作 用，对与之紧密接触的压电元件产生拉伸或者压缩的效果当输入水平加速度时，水平质 量块的一端压电元件受压、另一端压电元件被放松，当输入竖直加速度时，垂直质量块的 一端压电元件受压、另一端压电元件被放松，这种差动检测方式可有效消除各种干扰，通 过检测对应压电元件的输出信号，可确定质量块的位移量和方向，从而确定外界的二维加 速度的大小和方向，同时，水平质量块在除了中部之外的柱面外壁上均设置多凹槽结构， 垂直质量块整体外壁设置多凹槽结构，可有效增加质量块与磁性流体的有效接触面积，可 以确保各个质量块在各自工作方向感受磁性流体的阻尼力，控制各个质量块在各自工作方 向的位移量；通过控制励磁线圈的输入电流，可控制励磁线圈的磁场，励磁线圈的磁场可 改变磁性流体的粘度，磁性流体粘度的改变将改变磁性流体对质量块的阻尼力，从而可控 制质量块的位移量，实现加速度传感器大量程检测，还可动态控制量程范围大小。本发明的具体实施方式
的结构如图1与图2所示，所述的加速度传感器最基本的结构包 括非磁性腔体、磁性流体14、垂直质量块13、水平质量块12与检测装置，其中非磁性腔体为非磁性材料构成的密闭容器，内部充满磁性流体14，非磁性腔体包括非磁性内筒11、轴向非磁性压盖3与侧向非磁性压盖10。本例中的非磁性内筒11在轴向的一 端开方形口，在侧面一端开一圆柱口，轴向开口处通过第一螺钉17安装轴向非磁性压盖 3，侧面开口处通过第二螺钉18安装侧向非磁性压盖10，锁紧后组成密闭的非磁性腔体， 内部充满磁性流体。有时在加工工艺允许的情况下，非磁性内筒11可以是两端开口，开口 处各安装一个轴向非磁性压盖3和外端盖1组成非磁性腔体，内部充满磁性流体14;同时， 为了更好地实现非磁性腔体的密闭(主要是磁性流体的密封)，所述的非磁性内筒11与轴 向非磁性压盖3、侧向非磁性压盖10之间均设置非磁性密封圈6。本例中的非磁性腔体外壁沿轴向方向设置有周向凹槽，也就是非磁性内筒11的外壁沿 轴向方向设置有周向凹槽，用于安装励磁线圈9，在非磁性内筒11的端面沿轴向方向预留 壁厚，用于固定轴向非磁性压盖3，为了更好地防止外磁场干扰，在轴向非磁性压盖3与非 磁性内筒11的端面之间设置非磁性垫圈2。本例中的非磁性腔体为方柱形，也就是非磁性内筒11的形状为方柱形，中间开方形空 腔体用于装盛磁性流体14，其中一端面处预留安装壁厚，用于固定轴向非磁性压盖3，安 装端面超出方柱外壁的空间用于缠绕励磁线圈9和安装非磁性套筒8，在非磁性内筒11的底 部设置定位孔，用于定位垂直质量块13，在非磁性内筒11的一个侧面处设置圆柱通孔，与 之平行相对的另一个侧面上设置同轴定位孔，用于定位水平质量块12;当然，非磁性内筒 11也可以是棱柱形，棱柱筒的一端开口，中间开棱柱形空腔体用于装盛磁性流体14，端面 沿轴向方向处预留壁厚，用于固定轴向非磁性压盖3，安装端面超出棱柱外壁的空间用于缠 绕励磁线圈9和安装非磁性套筒8，非磁性内筒11底部设置定位孔，用于定位垂直质量块 13,棱柱筒的一个侧面开孔，孔口安装一个侧向非磁性压盖10，与开孔侧面相平行的另一 个侧面预留同轴定位孔，用于定位水平质量块12。磁性流体14为磁流体、磁性复合流体或磁流变体等具备磁性的流体中的任何一种或是 其中任何几种的组合。所述加速度传感器的非磁性内筒11中充满磁性流体14,水平质量块 12和垂直质量块13设置于磁性流体14中，受到磁性流体14的阻尼力作用。改变磁性流体 14的粘度，可以改变磁性流体14对水平质量块12和垂直质量块13的阻尼力大小，从而改变 水平质量块12和垂直质量块在各自工作方向的位移量。所述的检测装置包括一块或者多块压电片通过串连方式或者并联方式组成的压电元件 4，压电元件4设于垂直质量块13和水平质量块12与非磁性腔体之间，用于检测垂直质量块 13和水平质量块12的位移量变化，输出可供后续检测电路检测的信号。压电元件4由石英晶体、压电陶瓷、压电薄膜或其他新型压电材料等具备压电效应的 材料构成。本例中的压电元件4为圆柱薄片形，中心开通孔，通过质量块的定位轴肩进行定 位，保证与质量块的受力区域根据轴线对称；当然，不排除压电元件4为方形、棱形等其他 可替换的形状。在性能足以得到保证的时候，可考虑将压电元件4粘结在质量块的定位轴肩 端面上，简化安装过程。当锁紧非磁性压盖3时，压电元件4受到预紧力的作用而与水平质 量块12或垂直质量块13在接触端面上紧密接触，保证压电元件4能够正常感应质量块的位 移量。水平质量块12与垂直质量块13为高比重材料制成， 一般要求比重为14-19克/立方厘 米，水平质量块12与垂直质量块13可以为金属如由钨合金、铜钨合金等高比重合金构成。 水平质量块12与垂直质量块13也可以为非金属，只要满足上述比重范围即可。且所述的平 质量块12与垂直质量块13是圆柱体或棱柱体，且在水平质量块12与垂直质量块13周向设置有多道凹槽或叶片，用于增加与磁性流体的有效接触面积。水平质量块12为钨合金、铜钨合金等高比重合金构成，水平质量块12两端设置有定 位轴肩，用于定位压电元件4，两端设置定位轴(也称定位凸台)，通过非磁性内筒11底 部的定位孔(沉孔)和轴向非磁性压盖3上的定位孔(沉孔)进行定位，本例中的水平质量 块12为圆柱体，在轴向的中部柱面上开圆柱通孔，通孔轴线与水平质量块12的轴线垂直相 交，作为垂直质量块13的装配孔，圆柱通孔处预留装配尺寸和工作尺寸，从而垂直质量块 与水平质量块移动时不会发生运动干涉；当然，水平质量块12也可以是方柱体、棱柱体等 结构，可以实现同样的功能。当锁紧轴向非磁性压盖3时，产生的预紧力使得水平质量块 12和压电元件4紧密接触，可以增大所述加速度传感器的水平检测方向的灵敏度，同时由 于压电元件4的材料特性，能够增大所述加速度传感器的刚度；当存在外界水平加速度时， 水平质量块12由于自身惯性的作用，输出相应的位移量，由于压电元件4与水平质量块12 紧密接触，水平质量块12的位移量变成为压电元件4的输入量；水平质量块12在除了中部 之外的柱面外壁上均设置多凹槽结构，用于增加水平质量块12与磁性流体14的有效接触面 积，可以在水平工作方向感受磁性流体14的阻尼力，当改变磁性流体14的粘度时，水平质 量块12受到磁性流体14的阻尼力将发生变化，从而其输出位移量也发生变化相同的水平 加速度输入时，若增大磁性流体14的粘度，水平质量块12受到磁性流体14的阻尼力将相对 增大，输出位移量相对减小，此时所述的加速度传感器适合测量数值比较大的水平输入加 速度；若减小磁性流体14的粘度，水平质量块12受到磁性流体14的阻尼力将相对减小，水 平质量块12的输出位移量相对增大，此时所述的加速度传感器适合测量数值比较小的水平 输入加速度。因此，通过控制磁性流体14的粘度，可以控制所述加速度传感器检测水平加 速度的量程范围，同时，通过大幅度增大磁性流体14的粘度，所述加速度传感器可实现水 平加速度的大量程测量。垂直质量块13为钨合金、铜钨合金等高比重合金构成，垂直质量块13两端设置有 定位轴肩，用于定位压电元件4，两端设置定位轴(也称定位凸台)，通过非磁性内筒11 侧面的定位孔(沉孔)和轴向非磁性压盖3上的定位孔(沉孔)进行定位，本例中的垂直质 量块13为圆柱体，其周向尺寸满足水平质量块12上装配孔的要求，两者装配好之后，水平 质量块12有足够的水平工作尺寸，确保水平质量块12和垂直质量块13独立运动而不发生运 动干涉；当然，垂直质量块13也可以是方柱体、棱柱体等结构。当锁紧侧向非磁性压盖3 时，产生的预紧力使得垂直质量块13和压电元件4紧密接触，可以增大所述加速度传感器的竖直检测方向的灵敏度；当存在外界竖直加速度时，垂直质量块13由于自身惯性的作用，输出相应的位移量，由于压电元件4与垂直质量块13紧密接触，垂直质量块13的位移 量变成为压电元件4的输入量；垂直质量块13在柱面外壁上设置多凹槽结构，用于增加垂 直质量块13与磁性流体14的有效接触面积，可以在竖直工作方向感受磁性流体14的阻尼 力，当改变磁性流体14的粘度时，垂直质量块13受到磁性流体14的阻尼力将发生变化，从 而其输出位移量也发生变化相同的竖直加速度输入时，若增大磁性流体14的粘度，垂直 质量块13受到磁性流体14的阻尼力将相对增大，输出位移量相对减小，此时所述的加速度 传感器适合测量数值比较大的竖直输入加速度；若减小磁性流体14的粘度，垂直质量块13 受到磁性流体14的阻尼力将相对减小，垂直质量块13的输出位移量相对增大，此时所述的 加速度传感器适合测量数值比较小的竖直输入加速度。因此，通过控制磁性流体14的粘 度，可以控制所述加速度传感器检测竖直加速度的量程范围，同时，通过大幅度增大磁性 流体14的粘度，所述加速度传感器可实现竖直加速度的大量程测量。为了更好地完成测量工作，在本例的基础上所述的加速度传感器还包括磁场控制装 置，用于改变磁性流体的粘度，控制垂直质量块和水平质量块轴向的位移量，磁场控制装 置具体包括励磁线圈9，励磁线圈9缠绕于非磁性腔体的外部，通过输入电流产生均匀磁 场，改变磁性流体的粘度，控制垂直质量块13和水平质量块12轴向的位移量。励磁线圈9设置于非磁性内筒11和非磁性套筒8之间，线圈缠绕在非磁性内筒11的凹 槽之上，保持与非磁性内筒11同轴；也可以设置同轴线圈固定套于非磁性内筒11上，励磁 线圈9缠绕在线圈固定套中。励磁线圈9用于在非磁性内筒11的内部产生均匀磁场，改变励 磁线圈9的通电电流，可以改变非磁性内筒11内部的磁场增大励磁线圈9的通电电流，将 增大非磁性内筒11内部的磁场；减小励磁线圈9的通电电流，将减小非磁性内筒11内部的 磁场。非磁性套筒8、非磁性垫圈2和5、轴向非磁性压盖3、侧向非磁性压盖10用于隔绝励 磁线圈9产生的磁场和外界磁场之间的联系，防止外磁场干扰。所述的加速度传感器还包括外壳体，所述的非磁性腔体、磁性流体14、垂直质量块13 和水平质量块12、检测装置或磁场控制装置设置于外壳体内腔中，外壳体具体包括外套筒 7、外端盖1，外套筒7与外端盖1通过第三螺钉14固定，所述的外端盖1上设有安装支脚15 和/或安装孔16。另外，所述的外壳体与非磁性腔体间设有隔离套，用于隔离磁场控制装置与外部磁场 的联系，抑制外界磁场干扰。隔离套包括非磁性套筒8与非磁性垫圈5。所述的加速度传感器还包括检测控制装置，用于根据检测装置输出的加速度检测结果 信号，控制励磁线圈的输入电流，从而控制励磁线圈的内部磁场。本发明所述的加速度传感器的工作原理如下如图1与图2所示，在非磁性内筒11中充满了磁性流体14，在磁性流体14里，设置了 水平质量块12和垂直质量块13，装配时，首先将水平质量块12安装在非磁性内筒11的侧向 开孔处，并通过另一侧面上的定位孔定位，锁紧侧向非磁性压盖10，使得水平质量块12与 压电元件4紧密接触，然后将垂直质量块13装配于水平质量块12上的装配孔，并且通过非 磁性内筒11底部的定位孔定位，锁紧轴向非磁性压盖3，使得垂直质量块13与压电元件4紧 密接触，由于水平质量块12上的装配孔己预留工作尺寸，从而使得水平质量块12和垂直质 量块13之间可独立运动而不发生运动干涉，由于水平质量块12和垂直质量块13在周向还设 置了多凹槽结构，增加质量块与磁性流体14的有效接触面积，使得它们分别在各自的工作 方向受到磁性流体14的阻尼力作用，由于轴向非磁性压盖3、侧向非磁性压盖10与非磁性 内筒11之间设置了密封圈6，使得磁性流体14不会溢出；在非磁性内筒11的外壁沿轴向方 向设有轴向凹槽，励磁线圈9设置于周向凹槽内，用于提供均匀的磁场，励磁线圈9外部设 置了非磁性套筒8、轴向非磁性压盖3设置了非磁性垫圈2、外端盖设置了非磁性垫圈5，用 于隔绝励磁线圈9的磁场和外界磁场的联系，防止外磁场干扰。当存在外界加速度时，质量块由于自身惯性的作用，输出相应的位移量，由于压电元 件4与质量块紧密接触，质量块的位移量便成为压电元件4的输入量当竖直加速度输入 时，垂直质量块13由于惯性作用而在竖直方向产生位移量，此时位于其一个端面的压电元 件4被压縮，位于另外一个端面的压电元件4被放松，两块压电元件4获得的输入位移量符 号相反，压电元件4输出相应的信号值，由于这两块压电元件信号的符号相反，可通过差动 连接的方式将两者的信号连接，然后进行检测，这种差动检测方式可以消除各种干扰，通 过检测压电元件4的输出信号，可确定所述加速度传感器输入的竖直加速度，此时，即使水 平质量块12在竖直方向有微小位移，但由于该位移与压电元件4的接触面平行，与之接触 的压电元件4也不会有信号输出；当水平加速度输入时，水平质量块12由于惯性作用而在 水平方向产生位移量，此时位于其一个端面的压电元件4被压縮，位于另外一个端面的压电 元件4被放松，通过检测压电元件4的输出信号，可确定所述加速度传感器输入的水平加速 度，此时，即使垂直质量块13在水平方向有微小位移，但由于该位移与压电元件4的接触 面平行，与之接触的压电元件4也不会有信号输出。同时，由于水平质量块12的装配孔已预留了工作尺寸，使得水平质量块12和垂直质量块13可独立在各自的工作方向运动，实现二维方向的加速度独立检测。通过控制励磁线圈9的通电电流，改变产生的磁场大小，能改变磁性流体14的粘度， 由于水平质量块12和垂直质量块13都在各自的工作方向受到磁性流体14的阻尼力作用，因 此可改变两质量块受到的阻尼力作用，进而改变水平质量块12和垂直质量块13在各自工作 方向的位移量。在相同的外界加速度输入时，改变励磁线圈9的通电电流，改变磁性流体 14的粘度，即可改变两质量块的位移量，从而实现所属加速度传感器的量程可控性，同 时，由于设置了水平质量块12和垂直质量块13，独立检测各自工作方向的加速度输入，而 且水平质量块12和垂直质量块13的外壁均设置了多凹槽结构，可独立在各自工作方向感受 磁性流体14的阻尼力，因此可实现所属加速度传感器在二维方向的量程可控性；若大幅度 提高磁性流体14的粘度，在相同的外界加速度输入时，质量块的位移量将会降低。因此， 可以在二维方向实现大量程加速度的测量。若进一步将压电元件4的输出量以反馈的形式输入到励磁线圈9的控制电路，控制电路 可以自动根据压电元件4的输出量来调整励磁线圈9的通电电流，则可实现所述加速度传感 器的智能性。本例所述加速度传感器结构中不再釆用传统的悬臂梁工作方式，转而引入了压电元件 作为弹性元件，提高了所述加速度传感器的测量灵敏度，在工作过程中弹性元件不再出现 弯曲、扭转等物理变形，也提高了加速度传感器的工作寿命和可靠性。因此本发明具有如下优点和有益效果1、 本发明结构上新颖，避免了传统的悬臂梁结构，改变了质量块的工作原理，是对 现有加速度传感器原理上的创新；2、 本发明中采用了双质量块结构，改变了传统一维压电式加速度传感器中采取的单 一质量块与压电元件接触面相接触的工作原理，水平质量块和垂直质量块独立检测各自工 作方向的输入加速度，达到检测二维方向输入加速度的目的，从而实现了检测方向的二维 性；3、 本发明中采用磁性流体粘度可控性特点，通过控制励磁线圈的通电电流，改变施 加在磁性流体上的磁场强度，达到控制磁性流体粘度的目的，从而实现了加速度传感器量程可控性；4、 本发明引入多凹槽质量块和压电元件，通过提高磁性流体的粘度，可以实现大量 程输入加速度的检测；5、 本发明中采取了压电元件输出信号的差动连接，能够有效消除各种干扰，提高了 检测准确度；6、 本发明消除了弹性元件在运动过程中产生弯曲、扭转的弹性形变，提高了所述加 速度传感器的工作可靠性；以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都 应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为 准。
权利要求
1. 一种二维磁性流体加速度传感器，其特征在于，包括非磁性腔体、垂直质量块、水平质量块、检测装置与磁性流体，其中非磁性腔体由非磁性材料构成的密闭容器；垂直质量块沿垂直方向设于非磁性腔体中部，上下两端面与非磁性腔体的接触面间设有检测装置，并在垂直质量块、检测装置与非磁性腔体之间保持设定的预紧压力；水平质量块沿水平方向设于非磁性腔体中部，左右两端面与非磁性腔体的接触面间设有检测装置，并在水平质量块、检测装置与非磁性腔体之间保持设定的预紧压力；且在非磁性腔体与垂直质量块和水平质量块形成的空腔中充满磁性流体；检测装置用于检测垂直质量块和水平质量块与非磁性腔体之间压力的变化，输出加速度检测结果信号。
2、 根据权利要求1所述的二维磁性流体加速度传感器，其特征在于，还包括磁场控制 装置，用于改变磁性流体的粘度，控制垂直质量块和水平质量块轴向的位移量，具体包 括励磁线圈缠绕于非磁性腔体的外部，通过输入电流产生均匀磁场，改变磁性流体的 粘度，控制垂直质量块和水平质量块轴向的位移量。
3、 根据权利要求2所述的二维磁性流体加速度传感器，其特征在于，还包括检测控制 装置，用于根据检测装置输出的加速度检测结果信号，控制励磁线圈的输入电流，从而控 制励磁线圈的内部磁场。
4、 根据权利要求1或2所述的二维磁性流体加速度传感器，其特征在于，所述的检测 装置包括一块或者多块压电片通过串连方式或者并联方式组成的压电元件，压电元件设于 垂直质量块和水平质量块与非磁性腔体之间，用于检测垂直质量块和水平质量块的位移量 变化，输出可供后续检测电路检测的信号。
5、 根据权利要求1或2所述的二维磁性流体加速度传感器，其特征在于，所述的垂直 质量块或水平质量块以高比重材料制成；且所述的垂直质量块或水平质量块是圆柱体或棱柱体，且在垂直质量块或水平质量块周向设置有多道凹槽或叶片，用于增加与磁性流体的 有效接触面积。
6、 根据权利要求5所述的二维磁性流体加速度传感器，其特征在于，所述的垂直质量块中部设有水平方向的水平通孔，水平质量块从水平通孔中穿过；或者，所述的水平质量块中部设有垂直方向的垂直通孔，垂直质量块从垂直通孔中穿过。
7、 根据权利要求1或2所述的二维磁性流体加速度传感器，其特征在于，所述的非磁性腔体包括非磁性内筒与非磁性压盖，其中所述的非磁性内筒轴线垂直设置，且一端开口，开口处通过螺钉固定安装一个轴向非 磁性压盖压紧垂直质量块，并且在非磁性内筒的侧壁上设有一开孔，在开孔处通过螺钉固 定安装一个侧向非磁性压盖压紧水平质量块，组成非磁性腔体；并在垂直质量块和水平质 量块、检测装置与非磁性腔体之间产生保持设定的预紧压力；或者，所述的非磁性内筒轴线水平设置，且一端开口，开口处通过螺钉固定安装一个轴向非 磁性压盖压紧水平质量块，并且在非磁性内筒的侧壁上设有一开孔，在开孔处通过螺钉固 定安装一个側向非磁性压盖压紧垂直质量块，组成非磁性腔体；并在垂直质量块和水平质 量块、检测装置与非磁性腔体之间产生保持设定的预紧压力；或者，所述的非磁性内筒轴线垂直设置，且两端开口，两端分别通过螺钉固定安装一个轴向 非磁性压盖压紧垂直质量块，并且在非磁性内筒的侧壁上设有一开孔，在开孔处通过螺钉 固定安装一个侧向非磁性压盖压紧水平质量块，组成非磁性腔体；并在垂直质量块和水平 质量块、检测装置与非磁性腔体之间产生保持设定的预紧压力；或者，所述的非磁性内筒轴线水平设置，且两端开口，两端分别通过螺钉固定安装一个轴向 非磁性压盖压紧水平质量块，并且在非磁性内筒的侧壁上设有一开孔，在开孔处通过螺钉 固定安装一个侧向非磁性压盖压紧垂直质量块，组成非磁性腔体；并在垂直质量块和水平 质量块、检测装置与非磁性腔体之间产生保持设定的预紧压力。
8、 根据权利要求7所述的二维磁性流体加速度传感器，其特征在于，所述的非磁性腔 体为圆柱体或棱柱体，外壁沿轴向方向设置有周向凹槽，用于安装励磁线圈；或者还包 括，所述的垂直质量块和水平质量块端面处设置有定位凸台，所述的非磁性腔体内部端面 处设置有相对应的同轴的沉孔，垂直质量块和水平质量块通过非磁性腔体内部沉孔实现周 向定位；或者还包括，所述的非磁性内筒与非磁性压盖之间还设置有非磁性密封圈。
9、 根据权利要求1或2所述的二维磁性流体加速度传感器，其特征在于，所述的磁性 流体包括磁流体、磁性复合流体或磁流变体中的至少一种。
10、 根据权利要求1或2所述的二维磁性流体加速度传感器，其特征在于，还包括外壳体，所述的非磁性腔体、磁性流体、垂直质量块、水平质量块、检测装置或磁场控制装置 设置于外壳体内腔中，外壳体具体包括外套筒、外端盖，外套筒与外端盖通过螺栓固定， 所述的外端盖上设有安装支脚和/或安装孔，或者；所述的外壳体与非磁性腔体间设有隔离套，用于隔离磁场控制装置与外部磁场的联 系，抑制外界磁场千扰。
全文摘要
本发明所述的一种二维磁性流体加速度传感器包括非磁性腔体、垂直质量块、水平质量块、检测装置与磁性流体，其中非磁性腔体是由非磁性材料构成的密闭容器；垂直质量块沿垂直方向设于非磁性腔体中部，上下两端面与非磁性腔体的接触面间设有检测装置，并在垂直质量块、检测装置与非磁性腔体之间保持设定的预紧压力；水平质量块沿水平方向设于非磁性腔体中部，左右两端面与非磁性腔体的接触面间设有检测装置，并在水平质量块、检测装置与非磁性腔体之间保持设定的预紧压力；且在非磁性腔体与垂直质量块和水平质量块形成的空腔中充满磁性流体；检测装置用于检测垂直质量块和水平质量块与非磁性腔体之间压力的变化，输出加速度检测结果信号。可独立检测方向平行于任何一质量块轴线的加速度。具有检测方向二维性、大量程、量程可控性、高灵敏度、智能性、高可靠性、工作寿命长等特点。
文档编号G01P15/08GK101246182SQ200710063990
公开日2008年8月20日 申请日期2007年2月15日 优先权日2007年2月15日
发明者刘桂雄, 晨 徐, 东 曹, 邱东勇 申请人:华南理工大学