水平磁性液體微壓差傳感器的理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、磁性液體是一種兼具固體材料的磁性和液體材料的流動性的新型納米功能材料，其在磁場梯度作用下的表面不穩(wěn)定性和獨(dú)有的二階浮力使得其在傳感器領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前我國的高精密微壓差傳感器的制造水平和工藝與國外(10-3Pa量級)差距很大，這一問題亟需通過采用新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)的方式解決。
　　本文以煤油基、機(jī)油基、水基、酯基磁性液體為基礎(chǔ)，利用磁性液體的二階浮力原理，提出了一種電感式水平磁性液體微壓差傳感器的模型。在理論方面，推

2、導(dǎo)了該模型中復(fù)合磁芯永久磁鐵與回復(fù)力磁鐵之間的回復(fù)力公式，給出了復(fù)合磁芯的下沉公式，得出了水平磁性液體微壓差傳感器的耐壓能力與復(fù)合磁芯和透明亞克力管之間單邊間隙的數(shù)學(xué)關(guān)系，計(jì)算了復(fù)合磁芯的位移與線圈電感變化之間的函數(shù)關(guān)系，推出了水平磁性液體微壓差傳感器靜態(tài)測量時(shí)的輸入輸出特性和動態(tài)測量時(shí)的二階系統(tǒng)傳遞函數(shù);在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，針對水平磁性液體微壓差傳感器的敏感元件和轉(zhuǎn)換元件，提出了不同的設(shè)計(jì)模型，通過理論分析、仿真研究和實(shí)驗(yàn)測量等手段確定了

3、最終各元件的參數(shù);在仿真方面，利用ANSYS有限元分析軟件對永久磁鐵間的回復(fù)力、復(fù)合磁芯在透明亞克力管中的下沉距離以及磁性液體環(huán)的耐壓值進(jìn)行了仿真分析，同時(shí)運(yùn)用MATLAB軟件對水平磁性液體微壓差傳感器的尺寸參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對二階水平磁性液體微壓差傳感器系統(tǒng)在階躍壓強(qiáng)作用下的動態(tài)輸出特性進(jìn)行了仿真分析;在實(shí)驗(yàn)方面，給出了永久磁鐵之間回復(fù)力的線性擬合公式，確定了水平磁性液體微壓差傳感器的最終量程范圍，深入研究了水平磁性液體微壓差傳感器

4、靜態(tài)測量時(shí)的輸入輸出關(guān)系，并探究了該傳感器的線性度、靈敏度、精度、分辨率、遲滯、重復(fù)性和穩(wěn)定性，同時(shí)對不同基載液（即不同粘度）的磁性液體對水平磁性液體微壓差傳感器動態(tài)輸出特性的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相比較，分析了理論值和實(shí)驗(yàn)值存在差異的原因。得出的創(chuàng)新性結(jié)論如下:
　　(1)設(shè)計(jì)了一種新型的水平磁性液體微壓差傳感器，該傳感器的量程范圍±1000Pa，精度ΔXmax=10Pa，線性度ef=2.5％、靈敏度S=0.

5、1mV/Pa、分辨率0.6％F.S.，遲滯δH=±1.25％;
　　(2)水平磁性液體微壓差傳感器的量程范圍主要由以下兩方面因素共同決定:一是磁性液體密封環(huán)的密封耐壓能力;二是永久磁鐵回復(fù)力的線性區(qū)間所允許的復(fù)合磁芯位移量。水平磁性液體微壓差傳感器最終的量程范圍由二者中較小者決定;
　　(3)基于二階浮力原理，根據(jù)仿真結(jié)果給出了復(fù)合磁芯吸附磁性液體后在透明亞克力管中下沉距離的經(jīng)驗(yàn)公式，公式表明復(fù)合磁芯的下沉距離與磁芯重量、磁

6、性液體飽和磁化強(qiáng)度有關(guān)，這為研究水平磁性液體微壓差傳感器中磁性液體密封環(huán)的耐壓能力提供了理論依據(jù);
　　(4)磁性液體粘度對水平磁性液體微壓差傳感器靜態(tài)性能的影響可以忽略不計(jì)，但對水平磁性液體微壓差傳感器的上升時(shí)間、超調(diào)量、振蕩次數(shù)、穩(wěn)定時(shí)間等動態(tài)參數(shù)的影響較大;
　　(5)基于所設(shè)計(jì)的水平磁性液體微壓差傳感器，提出了靜態(tài)測量時(shí)的非線性規(guī)劃模型，并進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)值和理論值基本一致。并給出了理想狀態(tài)下的水平磁性