水平磁性液体微压差传感器的理论及实验研究

摘要

磁性液体是一种兼具固体材料的磁性和液体材料的流动性的新型纳米功能材料，其在磁场梯度作用下的表面不稳定性和独有的二阶浮力使得其在传感器领域有着广阔的应用前景。目前我国的高精密微压差传感器的制造水平和工艺与国外(10-3Pa量级)差距很大，这一问题亟需通过采用新材料、新工艺、新结构的方式解决。
　　本文以煤油基、机油基、水基、酯基磁性液体为基础，利用磁性液体的二阶浮力原理，提出了一种电感式水平磁性液体微压差传感器的模型。在理论方面，推导了该模型中复合磁芯永久磁铁与回复力磁铁之间的回复力公式，给出了复合磁芯的下沉公式，得出了水平磁性液体微压差传感器的耐压能力与复合磁芯和透明亚克力管之间单边间隙的数学关系，计算了复合磁芯的位移与线圈电感变化之间的函数关系，推出了水平磁性液体微压差传感器静态测量时的输入输出特性和动态测量时的二阶系统传递函数;在结构设计方面，针对水平磁性液体微压差传感器的敏感元件和转换元件，提出了不同的设计模型，通过理论分析、仿真研究和实验测量等手段确定了最终各元件的参数;在仿真方面，利用ANSYS有限元分析软件对永久磁铁间的回复力、复合磁芯在透明亚克力管中的下沉距离以及磁性液体环的耐压值进行了仿真分析，同时运用MATLAB软件对水平磁性液体微压差传感器的尺寸参数进行了优化设计，对二阶水平磁性液体微压差传感器系统在阶跃压强作用下的动态输出特性进行了仿真分析;在实验方面，给出了永久磁铁之间回复力的线性拟合公式，确定了水平磁性液体微压差传感器的最终量程范围，深入研究了水平磁性液体微压差传感器静态测量时的输入输出关系，并探究了该传感器的线性度、灵敏度、精度、分辨率、迟滞、重复性和稳定性，同时对不同基载液（即不同粘度）的磁性液体对水平磁性液体微压差传感器动态输出特性的影响进行了实验研究，并将实验结果与仿真结果相比较，分析了理论值和实验值存在差异的原因。得出的创新性结论如下:
　　(1)设计了一种新型的水平磁性液体微压差传感器，该传感器的量程范围±1000Pa，精度ΔXmax=10Pa，线性度ef=2.5％、灵敏度S=0.1mV/Pa、分辨率0.6％F.S.，迟滞δH=±1.25％;
　　(2)水平磁性液体微压差传感器的量程范围主要由以下两方面因素共同决定:一是磁性液体密封环的密封耐压能力;二是永久磁铁回复力的线性区间所允许的复合磁芯位移量。水平磁性液体微压差传感器最终的量程范围由二者中较小者决定;
　　(3)基于二阶浮力原理，根据仿真结果给出了复合磁芯吸附磁性液体后在透明亚克力管中下沉距离的经验公式，公式表明复合磁芯的下沉距离与磁芯重量、磁性液体饱和磁化强度有关，这为研究水平磁性液体微压差传感器中磁性液体密封环的耐压能力提供了理论依据;
　　(4)磁性液体粘度对水平磁性液体微压差传感器静态性能的影响可以忽略不计，但对水平磁性液体微压差传感器的上升时间、超调量、振荡次数、稳定时间等动态参数的影响较大;
　　(5)基于所设计的水平磁性液体微压差传感器，提出了静态测量时的非线性规划模型，并进行了仿真分析和实验研究，实验值和理论值基本一致。并给出了理想状态下的水平磁性液体微压差传感器的尺寸参数最优值;
　　(6)水平磁性液体微压差传感器中的复合磁芯可以视为质量块，永久磁铁之间的回复力可以视为弹簧项，磁性液体与透明亚克力管之间的牛顿内摩擦力可以视为阻尼项，由此可知水平磁性液体微压差传感器可以等效成二阶动态系统。以此为基础推导了水平磁性液体微压差传感器的传递函数，分析了各参数对水平磁性液体微压差传感器动态性能的影响，为今后水平磁性液体微压差传感器应用于动态测量时的参数设计提供了理论依据。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究的背景及意义

1．1．1 压差传感器的应用前景

1．1．2 微压差传感器的类型

1．1．3 传感器的发展方向和途径

1．2 研究内容

1．3 磁性液体简介及研究现状

1．3．1 磁性液体简介

1．3．2 磁性液体研究现状

1．4 磁性液体传感器的国内外研究现状

1．5 本章小结

2 水平磁性液体微压差传感器的理论基础

2．1 水平磁性液体微压差传感器模型

2．2 圆柱形永久磁铁磁场分布及回复力理论推导

2．2．1 圆柱形永久磁铁磁场分布

2．2．2 圆柱形空心永久磁铁与实心磁铁间回复力

2．3 浮力原理计算复合磁芯下沉距离的函数表达式

2．4 电感变化与微压差的关系

2．5 磁性液体与壁面之间的磁粘效应

2．6 磁性液体密封环的耐压公式

2．7 水平磁性液体微压差传感器的静态特性输入输出关系

2．8 水平磁性液体微压差传感器的动态响应传递函数

2．9 水平磁性液体微压差传感器的性能指标

2．9．1 水平磁性液体微压差传感器的静态性能指标

2．9．2 水平磁性液体微压差传感器的动态性能指标

2．10 水平磁性液体微压差传感器系统误差的分析处理

2．11 本章小结

3 水平磁性液体微压差传感器的设计及仿真分析

3．1 水平磁性液体微压差传感器的结构及参数设计

3．1．1 水平磁性液体微压差传感器的方案选择

3．1．2 水平磁性液体微压差传感器各部件的选型及设计

3．2 水平磁性液体微压差传感器回复力仿真分析

3．3 复合磁芯稳定位置仿真分析

3．4 水平磁性液体微压差传感器耐压能力仿真分析

3．5 水平磁性液体微压差传感器的尺寸优化

3．6 基于MATLAB的二阶系统动态响应分析

3．7 本章小结

4 水平磁性液体微压差传感器的实验研究

4．1 水平磁性液体微压差传感器实验台搭建

4．2 水平磁性液体微压差传感器电感的实验研究

4．2．1 实验方案

4．2．2 实验过程

4．2．3 实验结果

4．2．4 实验分析

4．3 水平磁性液体微压差传感器回复力的实验研究

4．3．1 实验方案

4．3．2 实验过程

4．3．3 实验结果

4．3．4 实验分析

4．4 水平磁性液体微压差传感器量程范围的实验研究

4．4．1 实验方案

4．4．3 实验结果

4．4．4 实验分析

4．5 水平磁性液体微压差传感器的静态特性实验研究

4．5．1 实验方案

4．5．2 实验过程

4．5．3 实验结果

4．5．4 实验分析

4．6 水平磁性液体微压差传感器的动态特性实验研究

4．6．1 实验方案

4．6．2 实验过程

4．6．3 实验结果

4．6．4 实验分析

4．7 水平磁性液体微压差传感器的优越性

4．8 本章小结

5 结论

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集