一种磁性液体水平倾角传感器

本技术属于机械工程领域，涉及一种倾角传感器，尤其涉及使用磁性液体的倾角传感器。

背景技术：

1、在实际生产生活中，人们经常需要测量某个平面是否处于水平、垂直，或者测量相对于水平面的夹角，并且需要高精度、数字化的快速响应。磁性液体又称磁流体或铁磁流体，是一种较为稳定的胶体溶液，由悬浮在基体液体中、被表面活性剂包裹着的磁性颗粒组成，具有液体的流动性，也能与外界磁场产生相互作用。与传统的倾角传感器相比，磁性液体倾角传感器具有许多优势，比如响应时间短，灵敏度高，这是由于磁性液体具有超顺磁性，可以快速反映磁场的变化，从而感测角度的变化；又比如抗震动抗冲击的性能，因为可以不依靠机械力来传递位置信息，在抗震方面优于基于“机械摆”的传统倾角传感器。磁性液体的悬浮特性也可以加快响应，减少磨损，提高寿命。并且在合适的测量区间内，输出信号与水平倾斜角度的变化量具有良好的线性关系，磁性液体自身的耐高低温性能也使传感器能在较宽的温度范围内稳定精确地运行。

2、现有的一种磁性液体倾角传感器，其基础构型具有一个线性管道、一个环绕在管道外位于中间的初级线圈和两个环绕在管道外位于两侧的次级线圈，管道中注入了一半的磁性液体。在传感器处于水平状态时，磁性液体在管道中是均匀的。而当产生沿轴线方向的倾斜时，在两侧线圈内部的磁性液体的量会有所不同，两个次级线圈从而输出不同的电压。这种形式的传感器会受到液体液面的影响，难以适应振动等干扰。另一种磁性液体倾角传感器则在管道中充满磁性液体，采用磁性液体的二阶浮力原理悬浮一段磁铁，借助倾斜时磁铁的移动影响两侧线圈的输出，这种形式的传感器会由于磁性液体中的颗粒向磁铁周围聚集导致流动性变差，影响整体结构的精度和灵敏度，同时由于磁铁本身作为悬浮的质量块，容易受到外界的铁磁性物质与磁场的干扰。

技术实现思路

1、为了改善上述问题，本实用新型设计了一种磁性液体水平倾角传感器。其技术方案如下：

2、一种磁性液体水平倾角传感器，其特征在于，该装置可分为五个部分，包括磁性液体测量元件、差动线圈组与测量电路、线圈与永磁体支架、水平底座和永磁体。

3、磁性液体测量元件包括圆柱形容器、惯性质量块和磁性液体。所述圆柱形容器具有较高长径比，如内径4mm，长40mm，安置在线圈与永磁体支架里，其内部装有惯性质量块并充满着磁性液体。所述圆柱形容器内部于其轴线上安置一支撑杆，如直径约1mm。所述惯性质量块采用非磁性物质，由三部分组成，即中段与两个相同的侧段。中段与两侧段均为圆柱形，半径略小于所述圆柱形容器，轴线上开有略大于支撑杆的孔(所述杆径的1.05～1.1倍)。中段长度约为所述圆柱形容器的1/3，整体质量块总长度约为所述圆柱形容器的2/3，如半径为3.3mm，中段长13.2mm，侧段长6.6mm。所述中段质量块的表面有着一定厚度的软磁材料镀层，如采用0.03mm厚的牌号为1j79的铁镍合金。所述镀层可以不包括所述孔的表面。软磁材料的磁导率相对较低，其镀层在一定程度上缓解了综合磁场力的非线性度，并有效的提高了线圈电感。

4、永磁体包括一号永磁体和二号永磁体，为圆柱形，大小形状完全相同，采用轴向充磁，其半径与所述磁性液体测量元件的磁性液体容器的内径相等。所述永磁体应采用具有较高的剩磁的磁铁，如牌号为n35的磁铁。所述永磁体在所述圆柱形容器的轴向产生了由中心向两侧逐渐增强的磁场，在惯性质量块沿所述圆柱形容器轴向两侧移动时综合的磁场力可以提供回复力。

5、差动线圈组与测量电路包括一号线圈、二号线圈与微控处理器。所述一号线圈与二号线圈缠绕在圆柱形容器外部，与处理器互相串联，一号线圈与二号线圈匝数相同，且匝数不应较低，如均为400匝。所述测量电路基于电桥电路，其电源采用交流输入，具有一定频率，如1000hz。所述一号线圈与二号线圈的缠绕位置关于圆柱形容器的中心对称，且相应匝数具有一定间距和分布范围。在所述匝数与电源频率下，其间距约为5mm，缠绕范围各为6.6mm。基于差动线圈组的测量电路可以有效的检测整体质量块的所处位置，并在所述线圈分布下具有良好的输出。

6、线圈与永磁体支架为所述磁性液体测量元件中圆柱形容器的外部支架，设置有将所述永磁体分别固定在圆柱形容器的两端的空间，设置有将一号线圈与二号线圈缠绕在圆柱形容器外部所述位置的空间。在固定永磁体的位置，所述支架的厚度远小于永磁体本身的尺寸，使永磁体与磁性液体液柱尽量靠近。支架可以与水平底座相连以固定在平面上。

7、基于磁性液体一阶浮力的特性，可以为结构外侧安置磁屏蔽外壳以减小外界磁场的干扰，如铁制外壳。如需配置外壳，侧段质量块的长度应略为减小。

8、与现有装置相比，本实用新型以磁性液体的一阶浮力特性为主，有益效果为：

9、1.传感器中的测量元件充满磁性液体，不需要基于液面平稳来进行测量，有效的避免了振动等干扰对测量带来的影响，更适应实际环境；而面对剧烈晃动和冲撞等情况时，惯性质量块即使离开工作区间，也可以在扰动消失后借助磁性液体的特征浮力返回工作区间。相比采用二阶浮力，本实用新型采用的一阶浮力原理使得所使用的永磁体可以在外侧固定，而惯性质量块不必采用磁性材料，不会因为碰撞导致碎裂或磁性下降，抗振性能更好。

10、2.同时由于采用一阶浮力原理使得悬浮在磁性液体中的惯性质量块不必采用磁性材料，避免了磁粘效应带来的影响，如磁性液体聚集在惯性质量块周围导致的摩擦增大、流动困难、灵敏度下降等。

11、3.在所述惯性质量块中段表面采用的软磁材料镀层，其与外侧永磁体的作用抵消了一部分磁性液体一阶浮力，使得综合的磁场力在一定程度上有着更好的线性度；并且有效的增强了线圈电感，相比不采用软磁材料镀层的情况，使电路输出信号得到了大幅提高，达到能够有效读取分析的数量级。这里软磁材料采用了铁镍合金1j79。

技术特征：

1.一种磁性液体水平倾角传感器，其特征在于，包括磁性液体测量元件、差动线圈组与测量电路、线圈与永磁体支架、水平底座和永磁体；所述磁性液体测量元件包括磁性液体容器、磁性液体、组合质量块，所述磁性液体容器主体为圆柱形容器，其内部于轴线上安置一支撑杆；所述组合质量块由侧段质量块与中段质量块组成，均为圆柱形，半径相同，轴线上开有孔径为所述支撑杆1.05至1.1倍的孔，两块侧段质量块沿轴向拼接在中段质量块的两侧，组成合并的整体质量块；所述组合质量块沿支撑杆放入所述磁性液体容器，磁性液体注入所述磁性液体容器，并进行密封，完成密封的所述磁性液体容器置入线圈与永磁体支架内部并固定。

2.如权利要求1所述的一种磁性液体水平倾角传感器，其特征在于，所述永磁体为牌号n35的磁铁；两块所述永磁体分别置入线圈与永磁体支架的两端并固定；两组线圈缠绕在线圈与永磁体支架侧面，并与微控处理器相连接；所述线圈与永磁体支架固定在待测平面上。

3.如权利要求1所述的一种磁性液体水平倾角传感器，其特征在于：所述侧段质量块、中段质量块采用非磁性材料；所述中段质量块长度为侧段质量块的两倍，中段质量块长度为所述圆柱形容器的1/3，整体质量块总长度为所述圆柱形容器的2/3；中段质量块外表面有软磁材料镀层。

技术总结
一种磁性液体水平倾角传感器，属于机械工程领域。该装置包括：永磁体1(两块)，磁性液体2，线圈3(两组)，侧段惯性质量块4(两块)，中段惯性质量块5，软磁材料镀层6，圆柱形磁性液体容器7，支撑杆8，线圈与永磁体支架9与其壳盖、密封装置10。当外界倾角变化时，组合的整体质量块将移动并在新的位置达到平衡，此时磁性液体与整体质量块上的软磁材料在容器内的分布改变让两组线圈的电感不再相同，使电桥电路产生输出，并会随着整体质量块偏移平衡位置的距离增大而增大，可以通过监测此电压值的变化来分析倾角变化。本发明不依靠液面稳定进行输出，具有更好的抗震动能力，并借助镀层改善了借助一阶浮力的构型的受力情况与输出量级。

技术研发人员：张宏业,刘文钊,刘晋浩,徐学锋
受保护的技术使用者：北京林业大学
技术研发日：20220523
技术公布日：2024/1/13