磁性液体微压差传感器的理论及实验研究

摘要

磁性液体作为一种新型功能材料，不仅有液体材料的流动性，还有固体材料的磁性，运用其独特性能，将新型磁性液体材料应用于微压差传感器技术是一个崭新的思路，处于探索阶段，但关键是能提升传感器的性能，而且能应用于失重等恶劣环境下。由于粘度是磁性液体新型应用的关键物理性质之一，所以本文先运用磁流变仪设备对磁性液体的流变学进行实验研究，分析其粘温特性、磁粘效应和粘度随转速的变化规律。
　　针对应用于航天领域相关设备的检测，所以，本文创新了一种新型的霍尔式空气腔磁性液体微压差传感器，该传感器具有灵敏度更高，线性度更好，体积小等优点。从密闭空气腔的简单模型中，以理想气体方程为基本理论，并通过理论分析、计算推导、CAXA和PRO/E建模、ANSYS仿真分析、加工制作等设计，最终得到传感器的样件。然后，搭建实验平台，对霍尔式空气腔磁性液体微压差传感器的静态特性进行实验研究，并标定其主要的性能指标，分析其静态特性的主要影响因素。本文主要研究了:
　　(1)磁性液体的粘度随磁场强度的增大而增大，随转速的增大而减小，以及在室温下，随温度的升高而呈下降的趋势，但变化不大。
　　(2)用ANSYS软件仿真计算，确定了传感器线性度最佳的位移范围±△x为±4mm，及两永磁体的最佳间距（即保持架的长度）L=15mm和磁通密度最大值Bmax=0.078T。
　　(3)对霍尔式空气腔磁性液体微压差传感器进行了结构设计。
　　(4)实验研究了传感器的输入输出特性，分析了保持架的长度越短，传感器的灵敏度越高;空气腔的体积越大，传感器的量程越小。
　　(5)实验研究了该霍尔式空气腔磁性液体微压差传感器性能的最优指标:灵敏度Sen=2.07×10-3V/Pa、线性度eL=3.74％、迟滞性误差eH=1.16％、重复性误差eR=1.71％和零漂为1.06％。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 磁性液体的简介

1．1．1 磁性液体

1．1．2 磁性液体的发展及研究现状

1．2 微压差传感器技术

1．2．1 徽压差传感器的类型

1．2．2 微压差传感器的应用

1．3 磁性液体传感器的研究现状

1．3．1 磁性液体传感器的发展

1．3．2 磁性液体传感器的类型

1．4 本文主要研究内容

2 磁性液体微压差传感器的基础理论

2．1 磁性液体的物理特性

2．2 磁性液体的浮力原理

2．3 磁性液体的伯努利方程

2．4 传感器的一般特性

2．4．1 传感器的静态特性及主要性能指标

2．4．2 传感器的动态特性及动态性能指标

2．5 霍尔效应

2．6 本章小结

3 磁性液体粘度特性的研究

3．1 磁性液体粘度特性的理论分析

3．2 磁流变仪

3．3 磁性液体磁粘效应的实验分析

3．3．1 恒定直流磁场对磁性液体粘度的影响

3．3．2 转速对磁性液体粘度的影响

3．4 磁性液体粘温特性的实验分析

3．5 本章小结

4 霍尔式空气腔磁性液体微压差传感器的设计

4．1 传感器的基本工作原理

4．2 传感器的检测方式

4．2．1 电感检测方式

4．2．2 霍尔检测方式

4．3 传感器的三维模型

4．4 传感器的二维模型

4．5 传感器结构零件的选型

4．5．1 磁性液体的选择

4．5．2 永磁体的选择

4．5．3 霍尔元件的选择

4．5．4 软管接头、培头和O型密封固以及螺丝

4．6 传感器结构样件的加工及装配

4．7 本章小结

5 磁性液体微压差传感器磁场的有限元分析

5．1 霍尔元件检测位置的磁场有跟元仿真

5．2 磁场有限元仿真结果分析

5．3 本章小结

6 磁性液体微压差传感器的实验研究

6．1 传感器静态特性实验研究

6．1．1 静态实验台

6．1．2 不同结构的磁性液体微压差传感器

6．2 静态实验结果

6．2．1 保持架长度L=15mm的传感器的输入输出关系

6．2．2 保持架长度L=20mm的传感器的输入输出关系

6．2．3 保持架长度L=25mm的传感器的输入输出关系

6．3 静态实验结果分析

6．3．1 不同长度保持架的传感器输出特性

6．3．2 不同体积空气腔的传感器输出特性

6．3．3 不同磁性液体的传感器输出特性

6．3．4 磁性液体微压差传感器静态特性的主要性能指标

6．4 本章小结

7 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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