本发明涉及一种压力发生器，主要涉及一种磁性液体正弦压力发生器，作为可控正弦压力源的发生装置。
背景技术：
正弦压力发生器广泛地应用在各工业领域。装置输出正弦压力信号可用于对压力传感器的性能参数(如灵敏度、精度等)进行校订，对各种压电材料动态参数进行测定，以及提供稳定可控的正弦压力信号。
目前现有的正弦压力发生器主要有活塞型、转盘型、出口调制型、激波管及驻波管式、压电叠堆式这几类等。通常是利用正弦变化的机械力提供激励，对压力发生器中的气体进行正弦规律压缩，又或是对压力发生器给予机械振动使发生器内部的固体或液体产生谐振，从而产生正弦压力信号，其频率较高，需要外加机械振动源，成本较大且不易控制。针对不同测量范围的要求，不同固有频率的压力传感器需要选用适合其特征的压力源和校准方式去校准，才能够保证可靠性。
目前磁性液体正弦压力发生器还在实验阶段，现有的一种磁性液体正弦压力发生器，将磁性液体置于U型管中，底部的永磁体的磁场力使其固定于管底部的中间，强迫磁性液体按径向充满试管底部，以激励线圈提供交变磁场，磁性液体受到交变的磁场力，往复运动推动压缩管道空气，使其产生按正弦变化的压力。其产生的正弦压力信号较微弱，抗干扰能力差且需要外加压力输出装置。
技术实现要素：
本发明的目的为针对现有技术的不足，提供一种触头式磁性液体正弦压力发生器。该压力发生器采用锥形螺线管线圈，通过将密度略小于磁性液体的非磁性材料触头浮在磁性液体中作为压力输出器件，并在壳体底部中央内置软磁磁芯，实现了以磁性液体特有的一阶浮力原理为核心，不需要外加机械振动激励源，克服了现有正弦压力发生器结构复杂，激励源控制成本大等问题。本发明通过改变外加电源所通入的正弦电流的来控制磁场变化，从而控制输出正弦压力的频率与幅值大小，以固体材料作为压力输出触头抗干扰能力强，具有结构简单、成本低廉，易于控制等优点。
本发明的技术方案为：
一种触头式磁性液体正弦压力发生器，该压力发生器的组成包括压力输出触头、壳体顶盖、梯形圆台空心外壳、锥形螺线管线圈、水平底座、软磁磁芯和煤油基磁性液体；
所述梯形圆台空心外壳为PVC材料的梯形圆台空心薄筒，外壳锥度为16～18°；顶部为开口，底部为壳体底板，壳体底板的中心开有圆孔；外壳内部的中间，设置有一个密闭的磁性液体分隔板，将外壳内部分隔为上下两个腔室，上腔室内装有煤油基磁性液体；
梯形圆台空心外壳内部的上腔室内的煤油基磁性液体内漂浮着压力输出触头；压力输出触头分为上下两部分组成：锥度60°的触头下部圆台，以及触头上部圆柱体；
所述的梯形圆台空心外壳固定在水平底座上，水平底座的中部设置有凸起的圆筒，圆筒的内壁设置有内螺纹，凸起的圆筒穿过梯形圆台空心外壳中的壳体底板伸入到下腔室内；圆筒高1～1.5cm，软磁磁芯通过螺纹旋入凸起的圆筒中，固定在下腔室内，软磁磁芯的顶端与磁性液体分隔板之间间隙为0～2mm；
所述的梯形圆台空心外壳的顶部安装有可拆卸的壳体顶盖；壳体顶盖为边缘带有向下外沿的圆盘，顶盖主体部分中央设置有螺纹塞，螺旋塞的直径与梯形圆台空心外壳顶部外沿匹配，确保旋入并密封；壳体顶盖的中心开有圆形通孔，压力输出触头的触头上部圆柱体的直径与圆形通孔匹配，并通过圆形通孔穿过壳体顶盖，触头上部圆柱体与顶盖通孔之间留有1～2mm的间隙；
所述的锥形螺线管线圈是铜芯漆包线，沿锥形空心壳体外部自下而上单层紧密绕制至距离壳体上部开口外沿处0.5～1.5cm的位置，总共绕制4～7层而成的锥形螺线管线圈，其额定电流为3A。
所述的软磁磁芯由相对磁导率为2500～3500的聚磁合金材料制成。
所述的软磁磁芯具体为软磁铁氧体或坡莫合金。
所述的煤油基磁性液体是煤油基Fe3O4磁性液体，按照体积比Fe3O4：煤油＝8：92配制；四氧化三铁为纳米颗粒，直径的范围在2～20nm。
所述压力输出触头是由ABS树脂制成，密度为1.04～1.06g/cm3。
本发明的实质性特点为：
具体体现在：
1，通电螺线管线圈的采用锥形的设计结构进行绕制，可有效提高梯形圆台空心外壳内部空间梯度磁场分布的均匀性，从而使得输入电信号与输出的压力信号之间有较好的线性度；且梯形圆台空心外壳下大上小的结构利于工作时放置的稳定性；
2，与传统通过外部施加机械振动使装置达到固有谐振频率来产生正弦压力信号的发生器，或利用外加机械控制的方式(如周期性改变容腔出口面积的出口调制型，按正弦规律压缩气腔气体的活塞型等)产生正弦压力信号的发生器相比，本发明改进了控制方法，采用通过调节输入低频交流电流来控制输出正弦压力；与压电叠堆式正弦压力发生器利用正弦电压激励压电叠堆使其液压管道内液体产生谐振，从而输出液体的压力信号波的方式相比，本发明采用了直接在螺线管线圈内通入低频正弦电流的控制方式，不需达到与介质共振的谐振频率，降低了工作频率，且输出信号为固体压力信号。
3.在磁性液体的应用领域内，目前尚未有将其一阶浮力原理的特性作为压力源信号产生的核心原理的相关装置。本课题组曾设计出一种U型管式的磁性液体正弦压力发生装置，是将磁性液体注入U型管底部，利用磁性液体在激励线圈产生的交变磁场中受到交变磁场力，该磁场力推动管道内磁性液体往复运动压缩管道空气，使其产生正弦变化的压力。与该装置相比，本发明是利用磁性液体一阶浮力原理，将密度略小于磁性液体的非磁性材料触头浮在磁性液体中作为压力输出器件，通过对锥形螺线管线圈中通入低频交变电流产生交变磁场以改变磁性液体的表观密度，从而使磁性液体对浸在其中的非磁性材料物体产生交变的一阶浮力，通过触头将浮力对外输出为竖直向上的压力。
4，触头器件下部圆台底面大上部柱体底面小的结构设计，有效增大了触头浸在磁性液体中的受力面积以及确保了工作时的触头上下浮动时的平稳性。
5.壳体底部中央内置软磁磁芯的结构设计，能够有效汇聚磁力线于装置中心轴线处，大大提高了锥形螺线管线圈通电时在磁性液体中的产生的磁通密度以及磁场梯度的变化幅度，增强输出压力信号的量级。
本发明的有益效果：
1、本发明克服了目前较常见的传统机械压力发生器需要外加正弦机械振动来产生谐振从而输出压力信号的方式，仅依靠可控电流源的输入电流来控制压力发生器输出正弦压力，频率可控性高，输出压力信号的频率由输入电流频率控制，且输出压力的幅值与电流幅值的线性关系较好。
2、本装置压力源激励方式新颖，解决了现有压力发生器机械震动控制难度大、装置结构复杂、体积较大、压力发生成本较高的问题，绕开了需要外部提供机械力控制的相关问题。
3、目前国内外对超低频动态压力函数发生装置0.01～20Hz的报道还很少，本发明由于磁性液体惯性粘度等性能参数，输出的压力信号频率低，适用于工作频率极低的场合，工作频率在0.1～100Hz，克服了以往机械谐振压力发生装置因其固有谐振频率高而输出频率高的特点，采用固态触头直接对外输出压力信号不需二次转换，输出波形稳定抗干扰能力强。
4、本发明结构简单，仅需由压力输出触头、壳体顶盖、梯形圆台空心外壳、锥形螺线管线圈、水平底座、软磁磁芯几部分装配组合即可，体积小(梯形圆台空心外壳高度6cm,圆盘底座直径11cm)，成本低廉重量轻(主体外壳由轻质塑料制成，填充磁性液体体积约200ml)，本装置总质量不到1kg，操作简易，仅需在线圈输入端通入控制电流即可。
附图说明
图1为本发明磁性液体正弦压力发生器的整体外观结构示意图；
图2为本发明磁性液体正弦压力发生器的整体剖面结构示意图；
图3为本发明磁性液体正弦压力发生器的填充磁性液体后的整体竖直剖面结构示意图；
图4为本发明磁性液体正弦压力发生器的压力输出触头的结构示意图；
图5为本发明磁性液体正弦压力发生器的壳体顶盖的结构示意图；
图6为本发明磁性液体正弦压力发生器的梯形圆台空心外壳的剖面结构示意图；
图7为本发明磁性液体正弦压力发生器的锥形螺线管线圈绕制结构示意图；
图8为本发明磁性液体正弦压力发生器的下部水平底座的结构示意图；
图9为本发明磁性液体正弦压力发生器的软磁磁芯的结构示意图；
图10为本发明磁性液体正弦压力发生器中磁性液体内部沿中心轴线上的磁通密度变化曲线图；
图中，1.(ABS树脂)压力输出触头，2.壳体顶盖，3.梯形圆台空心外壳，4.锥形螺线管线圈，5.水平底座，6.软磁磁芯，7.煤油基磁性液体，1-1.触头上部圆柱体，1-2.触头下部圆台，2-1.顶盖中心圆形通孔，2-2.顶盖主体部分，3-1.液面高度刻度线，3-2.磁性液体分隔板，3-3.壳体底板，3-4.梯形圆台空心外壳主体部分，4.锥形螺线管线圈，5-1.凸起的圆筒，5-2.水平底座主体，6-1.软磁磁芯主体，6-2.软磁磁芯下部螺纹。
具体实施方案
本发明所述的触头式磁性液体正弦压力发生器的组成，包括(ABS树脂)压力输出触头1、壳体顶盖2、梯形圆台空心外壳3、锥形螺线管线圈4、水平底座5、软磁磁芯6和煤油基磁性液体7；
所述梯形圆台空心外壳3为PVC材料的梯形圆台状空心薄筒，其竖直截面为梯形，外壳锥度约为16～18°；顶部为开口，底部为壳体底板3-3，壳体底板3-3中心开有圆形通孔；外壳内部的中间，密闭的设置有一个磁性液体分隔板3-2，将外壳内部分隔为上下两个腔室，上腔室内装有煤油基磁性液体7；
所述的煤油基磁性液体7是煤油基Fe3O4磁性液体，按照体积比Fe3O4：煤油＝8：92配制；四氧化三铁为纳米颗粒，直径的范围在2～20nm；
所述的梯形圆台空心外壳3固定在水平底座5上，水平底座5的中部设置有凸起的圆筒5-1，圆筒内壁设置有内螺纹，凸起的圆筒5-1穿过梯形圆台空心外壳3中的壳体底板3-3伸入到下腔室内；凸起的圆筒5-1高1～1.5cm，内壁上设置有螺纹，软磁磁芯6通过螺纹旋入凸起的圆筒5-1内，固定在下腔室，且软磁磁芯6的高度与空心外壳下腔室的高度基本相等，装配好后确保软磁磁芯6与磁性液体分隔板3-2之间间隙为0～2mm；
所述的软磁磁芯6由相对磁导率为2500～3500的聚磁合金材料制成，优选为软磁铁氧体或坡莫合金。
梯形圆台空心外壳3内部的上腔室内的煤油基磁性液体7内漂浮着压力输出触头1；压力输出触头1分为上下两部分组成：锥度60°的触头下部圆台1-2，以及上面的触头上部圆柱体1-1；
梯形圆台空心外壳3的顶部安装有可拆卸的壳体顶盖2；壳体顶盖2为边缘带有向下外沿的圆盘，顶盖主体部分2-2中央设置有螺纹塞，螺旋塞的直径与梯形圆台空心外壳3顶部外沿匹配，确保旋入并密封；壳体顶盖2的中心开有圆形通孔，压力输出触头1的触头上部圆柱体1-1的直径与顶盖中心圆形通孔2-1匹配，并通过圆形通孔穿过壳体顶盖，触头上部圆柱体1-1与顶盖中心圆形通孔2-1之间留有1～2mm左右间隙；
所述的锥形螺线管线圈4是以铜芯漆包线，沿锥形空心壳体外部自下而上紧密绕制至距离壳体上部开口外沿处约1cm的位置，总共绕制4～7层而成的锥形螺线管线圈，其额定电流为3A。
以下结合实施例及附图对本发明做进一步详述。
实施例1
如图1所示，本发明磁性液体正弦压力发生器的整体外观结构，包括(ABS树脂)压力输出触头1，壳体顶盖2，梯形圆台空心外壳3，锥形螺线管线圈4，水平底座5；将所述铜芯漆包线压紧缠绕在梯形圆台空心外壳3主体部分外表面，制成锥形螺线管线圈4。
如图2所示，本发明磁性液体正弦压力发生器的整体剖面结构，将梯形圆台空心外壳3放置于水平底座5上，水平底座5中央凸起的圆筒5-1与梯形圆台空心外壳3的壳体底板3-3中心的圆形通孔良好配合。内置软磁磁芯6旋紧固定于水平底座5中央凸起的圆筒5-1中，并使壳体顶盖2与梯形圆台空心外壳3装配良好，使触头上部圆柱体1-1与顶盖中心圆形通孔2-1之间良好匹配并留有1～2mm的间隙。
如图3所示，本发明磁性液体正弦压力发生器的填充磁性液体后的整体竖直剖面结构，梯形圆台空心外壳3上腔中盛放煤油基磁性液体7，因ABS树脂压力输出触头1材料密度略小于磁性液体7，浸没在磁性液体中呈漂浮状态。图中所述的磁性液体7是煤油基Fe3O4磁性液体，按照体积比Fe3O4：煤油＝8：92配制；四氧化三铁为纳米颗粒，直径的范围在2～20nm，密度约为1.768g/cm3，粘度为3.25mPa·s，饱和磁化强度为381.5Gs。磁性液体的高度约3cm，液面达到梯形圆台空心外壳3内壁的液面高度刻度线3-1即可。
如图4所示，本发明磁性液体正弦压力发生器的压力输出触头的结构；所述压力输出触头1是由ABS树脂制成，密度约为1.04～1.06g/cm3，在-25～60℃的环境下表现正常，抗酸、碱、盐的腐蚀能力较强，有很好的成型性。触头分为上下两部分组成：即底面圆直径48mm，锥度60°，高1cm的触头下部圆台1-2；以及底面圆直径1cm,高2cm的触头上部圆柱体1-1；压力输出触头总高度约为3cm。
如图5所示，本发明磁性液体正弦压力发生器的壳体顶盖的结构；所述壳体顶盖2为梯形圆台空心外壳3上部可拆卸的顶盖，顶盖主体部分2-2中央为一定厚度的螺纹塞以确保装置的密封性，其中心制有抛光的顶盖中心圆形通孔2-1,直径为1.1cm(略大于压力输出触头上部圆柱体1-1的直径即可)。
如图6所示，本发明磁性液体正弦压力发生器的梯形圆台空心外壳的剖面结构，所述梯形圆台空心外壳3为硬质PVC材料制成的梯形圆台空心薄筒，其壳壁厚度约为1mm，制成上下表面均为圆形的梯形圆台空心外壳，上底面圆直径约5cm,下底面圆直径约9cm，外壳锥度约为16～18°，梯形圆台空心外壳3的总高度为6cm，且上部开口底部密封，壳体底板3-3中心的圆形通孔的与水平底座中央凸起的圆筒5-1相配合；在空心外壳一半高度处(距壳体底部约3cm处)制有厚度1mm的磁性液体分隔板3-2，分隔板上部用来盛放煤油基磁性液体7，空心壳体内壁上距顶部1cm处刻有液面高度刻度线3-1。
如图7所示，本发明磁性液体正弦压力发生器的锥形螺线管线圈的整体结构，在梯形圆台空心外壳主体部分3-4外部紧密压制缠绕线径约1.2mm的铜芯漆包线，制成图示中的锥形螺线管线圈4。所述锥形螺线管线圈4是以铜芯直径约1mm的，单层匝数以800/m绕制的质密的铜芯漆包线，沿梯形圆台空心外壳3外部自下而上绕制6层每层绕制约50匝，总匝数约为300匝的螺线管。根据国标规定1平方毫米铜芯线允许长期负载电流为6A～8A，为留有安全裕度，额定工作电流不超过4A。
如图8所示，本发明磁性液体正弦压力发生器的下部水平底座的结构,所述水平底座中央制有突出的高度为1～1.5cm内壁刻有螺纹的凸起的圆筒5-1与软磁磁芯下部螺纹6-2相配合固定，凸起的圆筒5-1内壁螺纹用于加大摩擦使软磁磁芯6固定牢固。
如图9所示，本发明磁性液体正弦压力发生器的软磁磁芯结构,所述软磁磁芯6由相对磁导率约3000的Ni含量36％的36坡莫合金聚磁合金材料制成，也可选应用于制作电磁铁或交流电机磁芯的软磁材料制成，如软磁铁氧体之类的软磁材料。其几何尺寸为：底面圆直径为2cm，高度与梯形圆台空心外壳下腔体的高度基本相等，约为3cm。底部制有高1cm的软磁磁芯下部螺纹6-2用以与水平底座凸起的圆筒5-1内部相旋紧装配固定。装配后使磁芯顶部尽可能与磁性液体分隔板3-2接触，确保间隙不超过2mm。
如图10所示，本发明磁性液体正弦压力发生器中磁性液体内部沿中心轴线上的磁通密度变化曲线；在壳体下腔安置软磁磁芯6显著提高了煤油基磁性液体7中的磁通密度及磁场梯度的大小，使得磁性液体底部接近于饱和磁通密度，提高了磁性液体一阶浮力的输出转换效率，使其输出正弦压力信号与输入电流信号之间呈良好的线性度。
本发明设计机理为：当梯度磁场作用于磁性液体时，磁性液体的表观密度随磁场而变化，呈现出各层表观密度不相等的特性。磁性液体在磁场作用下产生的一阶磁浮力可将密度比其大的非磁性物体悬浮起来，当外加正弦规律变化的磁场时，磁性液体的一阶浮力也随之发生正弦规律改变，产生对外输出的正弦压力。
根据右手螺旋定律可知，在螺线管线圈中通入电流时将产生轴向的磁场，锥形螺线管线圈通电时上方的磁场强度是沿轴向逐渐减小的，产生沿轴向上的均匀梯度磁场。将上腔内盛有磁性液体的梯形圆台空心外壳外部缠绕的锥形螺线管线圈中通入频率范围为在0.1～100Hz的低频交流电时，锥形螺线管内将产生均匀正弦规律变化的梯度磁场，磁性液体在梯度磁场作用下对浸在其中的非磁性材料压力输出触头产生一阶磁浮力，浸在磁性液体中的压力输出触头受到磁性液体提供的竖直向上的磁浮力，浮力随交流电呈正弦规律周期性变化波动，通过压力输出触头上表面对外输出竖直向上的正弦压力信号，调节电源电流及频率可改变输出压力的大小及频率。
因此，本发明提出了一种新型触头式磁性液体正弦压力发生器。该装置以磁性液体特有的一阶浮力原理为核心，不需要外加机械振动激励源，克服了现有正弦压力发生器结构复杂，激励源控制成本大等问题。
所述磁性液体正弦压力发生器的具体装配方法及步骤：
一.在梯形圆台空心外壳3的主体部分3-4处紧密压制缠绕线径1.2mm的铜芯漆包线，制成图示中的锥形螺线管线圈4。
二.将水平底座5放置于水平桌面上，将软磁磁芯下部螺纹6-2旋紧固定于水平底座5中央凸起的圆筒5-1处，固定软磁磁芯6于水平底座5底部中央轴线处。
三.将梯形圆台空心外壳3放置于水平底座5上部，底座中央凸起的圆筒5-1与梯形圆台空心外壳3的中心含圆形通孔的壳体底板3-3良好配合，打开壳体顶盖2，将所述煤油基磁性液体7由梯形圆台空心外壳3上方注入至磁性液体分隔板3-2上腔空间，直至达到液面高度刻度线3-1处。
四.将压力输出触头1轻放置于梯形圆台空心外壳3内填充的磁性液体7中，因其密度略小于磁性液体呈漂浮状态，调整触头上部圆柱体1-1在梯形圆台空心外壳3的中心轴线处，盖好壳体顶盖2并使得触头上部圆柱体1-1从顶盖中心圆形通孔2-1中伸出，作为压力信号的输出。
五.所述磁性液体正弦压力发生器需要配备一个低频交流电流源发生器，使用时将螺线管线圈两端外接电流源作为电源输入信号。该电流源需满足频率范围在0.1～20Hz，输出电流大小在0～10A范围内满足无梯度调节。
其中梯形圆台空心外壳3与水平底座5可直接套入安装的装配方式，可以根据不同场合要求来更换磁导率不同的软磁磁芯6，且不影响壳体外围锥形螺线管线圈4的分布缠绕固定，装配方式简洁便利，操作简单。
所述的磁性液体正弦压力发生器的应用方法，其特征为包括以下步骤：
一.将已装配好的磁性液体压力发生器放置于水平面上，打开梯形圆台空心外壳的壳体顶盖，检查壳体内注入的磁性液体体积，并确保磁性液体液面达到壳体内标注的液面高度刻度线处；
二.用镊子将触头夹起并放置于磁性液体中央，使触头漂浮在磁性液体表面，调整触头位置使其位于磁性液体表面的正中央，盖上壳体顶盖，调整位置使触头从顶盖中心圆形通孔处露出，并将壳体顶盖固定盖好；
三.将该装置底部的螺线管线圈的两接头端接入低频交流电流源发生器的输入端，打开电流源，缓慢增大电流，控制螺线管中通入电流源输入的可调电流以控制输出的正弦压力的幅值及频率。
本发明未述之处适用于现有技术。