差动式磁性液体微压差传感器数学模型计算及试验验证

将兼具有固体铁磁性和流体流动特性的一种新型功能材料——磁性液体应用于微压差传感器的研究。在对磁性液体的磁学模型和磁学特性研究的基础上,通过对试验用磁性液体的磁化强度的测试和磁化曲线的绘制,分析磁性液体微压差传感器的工作原理,建立互感式磁性液体压差传感器的数学模型,计算U形管两臂上通电线圈的电感及互感系数,通过模拟试验得到灵敏度与试验中各参数之间的关系,并绘出灵敏度与U形管径大小之间的关系曲线,推导出差动式压差传感器的压力差输入与感应电势输出之间的关系,并通过试验验证输入与输出之间的线性关系。磁性液体液柱半径rm越小,螺线管直径越小,传感器灵敏度越高;磁性液体的磁导率越大,传感器灵敏度越高。将理论计算和试验对比得出理论值与试验值的一致性。在误差允许的范围内,设计方案可行。     

新型磁性液体微压差传感器的设计及耐压分析

传感器是磁性液体的重要应用领域之一。为弥补现有磁性液体微压差传感器的不足,设计了一种新型的磁性液体微压差传感器,该传感器的复合磁芯由磁导率高的1Cr13和永久磁铁构成,磁性液体被吸附在永久磁铁的端部形成环状起到润滑和密封的作用,敏感元件采用1Cr13,转换元件采用对称线圈。当磁芯进入线圈后,使得线圈电感发生变化,电桥电路输出明显的电压信号。在此基础上,提出了回复力的线性程度和磁性液体环的耐压能力决定了磁性液体微压差传感器的量程范围,并通过理论推导、仿真分析和实验研究的手段证明了磁性液体环的密封耐压能力能够满足磁性液体微压差传感器的测量要求。该传感器体积小、成本低、便于安装,具有很强的实用价值。     

基于微纳光纤Sagnac环结构的光学电流传感器的响应特性研究

磁流体具有固体物质磁性及液体流动性的特性,且无本征矫顽力,无剩磁,磁场响应速度快,灵敏度高,将微纳光纤Sagnac环特殊的光传输性能与磁流体独特的磁光特性相结合,提出了一种基于磁流体包覆微纳光纤Sagnac环的全光纤电流传感器.理论推导了传感器的电流传感机理,设计了传感器的封装方法,并对传感器的温度特性和传感特性进行了...     

磁性液体触觉传感器的设计及特性研究

磁性液体兼具液体材料的流动性和固体材料的磁性,能够在重力场和磁场的作用下长期稳定存在。磁性液体具有独特的一阶浮力特性,在磁场梯度的作用下能够悬浮起比自身密度大的非磁性物体。基于磁性液体的一阶浮力特性,设计了一种新型的磁性液体触觉传感器。当接触压力作用在悬浮触棒的非磁性触点时,悬浮触棒的移动将引起霍尔元件处的磁场变化,进而输出电压信号。该结构能够进行接触压力、表面轮廓和微小位移的同时测量。该触觉传感器体积小,相比于传统的硅片式触觉传感装置成本更低。磁性液体相比于固体材料来说,能够在系统中起到缓冲吸能的作用,进而提高了传感器系统的耐冲击性。在0~0.09 N的接触压力测量范围内,测量精度能够达到10-2 N量级,灵敏度3.34 V/N,线性度误差3.4%,迟滞误差1.4%,分辨率1.1%F.S.。     

新型磁性液体惯性传感器的理论与实验研究

磁性液体是一种兼具流动性和磁响应特性的新型功能材料,在密封、传感器、阻尼减振等工程领域有着广泛的应用。提出了一种新型磁性液体惯性传感器,可用于测量物体的倾角或加速度。该传感器利用壳体内腔的圆锥角结构来提供所需的回复力。理论分析得出影响传感器回复力的因素包括磁性液体的体积和饱和磁化强度、圆锥角的大小以及永磁体所产生的磁场强度。实验证明磁性液体体积不同不仅会影响回复力的大小,还会影响传感器的线性度、灵敏度等性能指标,且存在一个最优值。此外,通过在惯性质量圆柱永磁体中加入铁芯的方法可有效提高传感器的灵敏度。     

基于磁流耦合效应的传感结构优化分析

磁流体是一种新型兼有磁性物体和流体特性的纳米功能材料,磁性体浸入磁流体具有近似真空中的零重力条件下自悬浮能力。基于该惯性传感原理研制的新型传感器,在传感结构上可以避免直接的机械接触,减少机械阻碍或摩擦。在传感结构中,磁流耦合效应对传感性能影响显著,通过分析固壁界面效应、评价阻尼影响因素,实现运动块位移减少是传感结构优化关键因素。基于经典流体动力学理论,视磁流体为非极性流体,联解耦合效应下磁流体力学方程。对理论方程进行分步建模,建立不同域积分变量,对不同结构传感运动块进行磁流阻力分析数值计算。数值计算及实验结果表明,在磁性控制下粘度对流阻影响幅度较大,多槽结构在减少极端压差的同时能够补偿流阻损失,可以实现增阻减少位移效果。     

霍尔式磁性液体微压差传感器的设计及特性研究

磁性液体作为一种重要的功能材料,在传感器领域的应用日渐广泛。本文基于霍尔元件设计了一种霍尔式磁性液体微压差传感器,该传感器以透明玻璃管为载体,内部圆柱状永久磁铁的端部吸附有磁性液体,磁性液体形成环状起到润滑和密封的作用,使得永久磁铁在竖直方向运动时的摩擦发生在固体和液体之间,底部磁环用来提供回复力,转换元件采用霍尔元件。当永久磁铁在透明玻璃管内移动时,霍尔元件处的磁场发生变化,进而系统输出电压信号。最终优化后的传感器直径10 mm,长度80 mm,当采用3 mm磁环和50 mm永久磁铁组合时,在0～1 000 Pa的测量范围内,测量精度为1 Pa,线性度误差5.8%,迟滞误差5.3%,重复性误差2.9%,该传感器体积小、成本低,具有很强的实用价值。     

一种高灵敏度磁性液体倾角传感器的研究

磁性液体独特的二阶悬浮力可以替代固体弹性元件为倾角传感器的惯性元件提供一个柔性弹性力,能够极大提高倾角传感器的抗冲击性能,已经在石油勘探行业成功应用。为进一步提高磁性液体倾角传感器的灵敏度,基于磁性液体的二阶悬浮特性提出了一种新的结构和检测方法,对传感器中两个永磁体间磁场的空间分布进行了理论计算和仿真,并通过试验对比分析了在选定不同参数条件下传感器的静态性能,最终得到当侧向间隙为3 mm,磁性液体注入量为1.4 g时,传感器量程为0°～50°,线性度误差为1.004 7%,灵敏度为2.3 mV/°,分辨率为0.023°,重复性误差为3.18%,工作性能最佳,且该传感器性价比高,壳体用材环保,具有很好的实用价值。     

磁性液体微压差传感器校准信号源的研究

提出了一种新颖的低频(0.1～100Hz)磁性液体正弦压力信号源,可用于微压差传感器校准实验,该信号源能够产生与激励电流频率相同的正弦微差压.利用单自由度受迫振动原理分析了输入电信号和输出压力信号之间的函数关系.采用有限元方法(FEM)分析了磁性液体正弦压力信号源内的磁场分布并计算了磁性液体所受磁场力.最后搭建了测试信号源性能的实验平台,并给出了实验结果,由此计算了系统的固有频率及阻尼比等特征参量.实验结果显示与理论分析一致.     

多层Au-Pd核壳纳米颗粒膜增敏的光纤氢气传感器

高灵敏度、快速响应的光纤氢气传感技术是未来氢气传感技术的发展方向,对保障氢能系统安全具有重要意义。针对纳米尺度的钯基氢敏材料难以与光器件耦合的问题,本文采用水相合成及离心沉积方法制备具有快速氢气响应特性的Au-Pd核壳纳米颗粒膜,搭建了含有Au-Pd核壳纳米颗粒氢敏膜阵列的透射式传感系统,实现了光信号与多层纳米颗粒膜阵列的耦合,通过提高敏感材料对光信号的调制能力增强了传感器的灵敏度。实验研究表明,本文制备的AuPd核壳纳米颗粒膜粒径为48nm,Pd层厚度约为4nm。该敏感薄膜对4%浓度氢气的响应时间小于3s,且在循环测试中显示了良好的重复性和稳定性。通过3片薄膜阵列传感,在不影响传感器响应速度的同时将传感器灵敏度提升至最高,为单片膜的2.7倍。该研究为开发高性能光纤氢气传感器提供了重要指导。     

两点封装的光纤布拉格加速度传感器设计

提出了一种双半孔梁光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器实现加速度信号测量的方法.首先,建立了两点封装FBG的加速度传感模型,理论分析了加速度与位移敏感点的线性响应.其次,从理论上分析了两点封装方案中FBG的自振特性,讨论了封装光纤的长度和预应力对光纤自振频率的影响.最后,依据FBG的自振特性设计了FBG加速度传感器,并通过实验研究了FBG加速度传感器的线性响应和幅频响应特性.实验结果表明:提出的传感器在10～250 Hz具有较好的平坦区,加速度响应灵敏度为41.2pm/G;加速度与波长具有较好的线性关系,线性度为99.8％.同时,该加速度传感器具有较强的方向抗干扰性,轴向交叉灵敏度小于4.8％.     

一种六维腕力传感器动态响应的研究

十字梁腕力传感器广泛应用于机器人系统。腕力传感器的响应特性决定了传感应变片的粘贴和传感器的标定方法，也影响机器人系统的动态特性。针对十字梁六维腕力传感器的结构特点，以Lagrange方程为基础，建立六维腕力传感器的动力学模型，研究腕力传感器在力（力矩）作用下的响应特性以及传感器参数对传感器响应的影响。     

用于常温液体物性参数综合测试仪的单片机测控系统

研究和开发常温液体物性参数综合测试技术,对于液体产品质量评价及其生产过程控制具有重要意义。为此,介绍了一种用于液体黏度、密度、表面张力测定的单片机测控系统,该系统主要由微压差传感器、称重传感器、温度传感器、扭矩传感器、模拟信号放大器、单片机及其扩展电路和微型空压机组成,与相关机械装置相配合,可完成液体物性参数综合快速检测,且测试结果的准确性和重复性较好。文中介绍了系统硬件设计和软件设计方法。     

空间环境下磁性液体润滑/密封初探

磁性液体(磁流体/磁流变液)作为一种新型磁控智能材料,兼顾液体的流动性及固体磁性材料的磁响应特性,在外磁场作用下可实现二者间的可逆性转换。磁性液体润滑密封因其零泄漏、自修复等优良特性受到广泛关注,特别是近年来在航天装备中的应用研究。为探讨磁性液体在航天装备中的应用,从恶劣的宇宙环境出发,分析地外空间装备研发所面临的严峻环境挑战,对高真空、高辐射、高低温热循环三大主要问题进行针对性分析,探讨磁性液体用于航天装备润滑/密封的可行性,总结相关磁性液体极端工况润滑/密封技术的进展和局限性,并提出未来研究中亟待解决的重要科学问题。     

应用磁性纳米材料的电感式油液金属磨粒检测传感器

为了增加电感式油液污染物检测传感器的稳定性,提升对铁磁性和非铁磁性污染物的检测精度,设计了一种内置磁性纳米材料的电感式油液污染物检测传感器,螺线管线圈内部填充的磁性纳米粒子层可以提升检测区域磁场强度,增强磁化涡流效应。模型材料制作300μm的微通道穿过螺线管线圈和磁性纳米材料组成的传感单元,当污染物通过传感单元时,利用电感检测原理可以区分铁磁性和非铁磁性污染物。同时采用有无磁性纳米粒子层的两种传感器进行多组对比实验。实验结果表明,磁性纳米粒材料的电感式油液检测传感器具有更高的检测信噪比以及更低的检测下限,对于20～70μm的铁磁性颗粒检测信噪比提升了20%～25%,对于80～130μm的非铁磁性颗粒的检测信噪比提升了16%～20%。该方法基于微流控检测技术,具有体积小、检测信噪比高等优点,同时为液压油污染物快速检测提供了技术支持,对液压系统的故障诊断与寿命预测具有重要意义。     

油膜压力测量传感器动力学特性研究

用有限元分析软件ANSYS对一种改进的测量油膜压力的传感器进行了动力学分析,包括固有振动特性分析、谐响应特性分析和瞬态响应特性分析。通过固有振动特性分析,得到振动系统的前4阶固有频率;通过谐响应分析,得到传感器在承受随时间按正弦规律变化的载荷时的稳态响应;通过瞬态响应特性分析,得到传感器在承受实际的油膜载荷作用下的响应特性。分析表明,传感器具有较高的一阶固有频率和良好的动态响应特性。     

工程化光纤光栅液体压力传感器的研制

液体压力是流体压力管道结构的重要荷载,传统的液体压力传感装置无法满足长期监测对其稳定性与耐久性的要求.基于双光纤光栅感知原理,针对某重点工程项目的环境条件,设计开发出了一种满足工程应用需求的液体压力传感装置,给出了详细的理论分析,并通过大量的标定试验分析了该装置的传感特性,理论与实验数据吻合很好,相差小于3％.根据随机抽取的100个传感器的标定数据,采用统计分析方法得到了该类传感器的各性能指标:测量范围0～2.5 MPa,分辨率＜0.4％F·S,迟滞＜2.4％F·S,重复性＜2.3％F·S,线性度＜2.1％F·S,总精度＜4％F·S,结果表明该传感器具有温度自补偿、线性度和重复性好、精度较高等优点,适合压力管道结构液体压力测试,具有良好的应用前景满足实际工程需要.     

基于压电纤维传感器的Lamb波传播方向识别

利用压电纤维对Lamb波传感的良好方向性,将3根压电纤维按0°,45°和90°布置并固化在聚合物基体中,制成压电纤维传感器用于检测Lamb波传播方向。理论推导了窄带激励下压电纤维对Lamb波的方向传感响应特性,通过压电耦合仿真分析和实验测试研究了不同频率下压电纤维的方向传感特性,提出了一种基于误差函数的主应变方向估计方法,分析对比了直角三角形(0°,45°,90°)、Y形(0°,120°,240°)和等边三角形(0°,60°,120°)3种压电纤维布置方案下主应变方向识别结果。研究结果表明,压电纤维传感器具有良好的Lamb波传播方向检测性能,可为无需Lamb波波速的缺陷识别方法提供传感技术支持。     

一种温度补偿式光纤氢气检测技术

基于非本征法布里-珀罗光纤传感检测技术,分析研究了氢敏薄膜特性,实现了氢气传感单元设计及制作,简要介绍了传感器结构、制作方法、镀膜工艺及设备.通过分析氢气浓度与法布里-珀罗腔长变化间的关系,建立了光纤法布里-珀罗氢气传感理论模型.为增强系统工程实用性,着重研究了传感器温度与氢气浓度交叉敏感问题,并利用温度补偿技术消除环境温度干扰.介绍了温度补偿原理并构建实验设备,最后通过氢气浓度响应实验及温度特性实验,证明理论公式推导结果与实验数据吻合较好,且氢气传感器温度敏感性降低.此设计具有一定工程实用价值.     

基于Lamb波的压电陶瓷/环氧树脂复合材料传感器制备及应用

风力机叶片、飞机机翼等结构均为大面积曲面板类结构,基于Lamb波的结构健康检测技术对细微损伤比较敏感,是目前最具应用前景的技术之一。传统的Lamb波传感器大都采用PZT陶瓷制成,质地脆且硬度大,不能适应于曲面结构检测。将PZT陶瓷粉末与环氧树脂复合制备了一种新型柔性0-3型压电复合材料,研究了质量比、极化电场、极化温度和极化时间等因素对压电复合材料性能参数的影响,开展了多因素正交实验来确定材料制备的最优极化工艺参数。实验研究了该压电复合材料制成的传感器对Lamb波的传感响应特性,与现有的MFC、PVDF和传统压电片等传感元件的响应特性进行了对比分析。将制备的传感器应用于翼型曲面板,利用椭圆定位方法进行损伤检测。研究结果表明,PZT陶瓷/环氧树脂压电复合材料传感器具有良好的传感响应特性,能够很好地贴合于曲面板表面,与只能部分耦合于曲面板的传统压电片相比,采集的Lamb波信号更加准确,从而为曲面板类结构健康监测提供一种新型的柔性压电传感技术。