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。     

大间隙磁性液体与迷宫交替式组合密封的数值及试验研究

为了提高大间隙磁性液体密封的耐压能力,在多级磁源磁性液体密封的基础上提出一种新型的磁性液体与迷宫交替式组合密封结构并设计一种普通的具有二级磁源的磁性液体与迷宫交替式组合密封结构。试验研究0.3 mm到0.7 mm间隙下具有机油基、煤油基和酯基磁性液体的交替式组合密封耐压能力,数值模拟该交替式组合密封中密封间隙内的磁场强度,由磁性液体密封耐压理论计算出该交替式组合密封中磁性液体密封的理论耐压值,对交替式组合密封的试验结果与该交替式组合密封中磁性液体密封的理论耐压值进行比较和分析。结果表明,与多级磁源磁性液体密封相比,该交替式组合密封显示良好的密封能力;当密封间隙大于0.4 mm时,该交替式组合密封的耐压能力随着间隙的增大而减小。     

夹芯磁路下大轴径磁性液体密封性能研究

大直径轴的径向跳动使得磁性液体密封间隙大幅增加,严重削弱了磁性液体密封耐压性能。针对大直径大间隙轴密封耐压能力减弱问题,设计一种具有夹芯磁路的磁性液体密封结构。采用数值模拟的方法研究夹芯磁路下磁性液体密封结构的磁场特性与密封性能,分析夹芯磁路密封结构中密封间隙磁场分布特征,对磁性液体密封经典结构与该新型结构的理论耐压值进行比较和分析。结果表明：与经典磁性液体密封结构相比,该夹芯磁路新型密封耐压能力平均提高约20%,其中在大间隙下耐压能力提升效果更明显;相比于经典磁性液体密封结构,夹芯密封结构的内永磁体使得通过轴的近表面磁力线数量更多;且夹芯密封结构具有更大的磁通密度差值,因而具有更强的聚磁能力。     

磁性液体往复运动密封耐压公式的理论研究

为了正确得出和验证磁性液体往复运动密封耐压公式,研究了磁性液体往复运动密封中磁性液体的运动机理,利用有限元法分析了密封件的磁场分布及静止耐压能力。利用磁性液体动力学的Navier-Stokes方程与电磁学中的麦克斯韦方程联立推导了磁性液体往复运动密封的耐压公式。在往复运动密封试验台上验证了转速、行程等参数对密封耐压能力的影响。     

大间隙磁性液体静密封研究

为满足航空、航天、冶金等领域大间隙静密封要求,建立磁性液体静密封试验台,设计出磁性液体静密封试验件。在试验台上对磁性液体静密封进行深入研究,通过试验得出磁性液体静密封耐压、磁性液体注入量与密封间隙、密封温度和磁性液体磁化强度的关系。从理论上,计算试验件密封间隙中磁场分布,推导出磁性液体静密封耐压和温度关系的解析表达式,计算磁性液体静密封在不同间隙,不同饱和磁化强度下的最大耐压能力。理论分析和试验表明,在大间隙下磁性液体静密封能够满足一定耐压要求,具有实用价值。     

基于纳米磁性液体的托辊密封与润滑设计及仿真

针对托辊通常采用的迷宫密封和唇形密封存在的不可靠、寿命短等问题,提出基于纳米磁性液体的托辊密封与润滑方案。通过设计托辊内外磁性液体密封件,选用兼顾密封与润滑性能的纳米磁性液体,形成可靠液体密封的同时对轴承进行润滑。利用ANSYS有限元软件分析磁性液体密封结构的磁场强度分布规律,计算密封间隙处磁感应强度和磁性液体密封的耐压能力。仿真结果表明,托辊的磁性液体密封结构设计合理,密封耐压能力满足使用要求。     

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。     

磁性液体大间隙旋转密封装置的设计及实验研究

针对大型船舶装备中大功率电机冷却蒸发介质的密封问题,设计一种五级九齿大间隙磁性液体与磁性润滑脂组合旋转密封装置,该装置适用于大型船舶高横摇性、高腐蚀性的环境场合。通过耐压公式的理论推导,得到密封耐压能力随磁性液体的饱和磁化强度、磁性润滑脂的屈服应力和密封间隙内磁场梯度的增大而增大的结论。采用ANSYS对该装置间隙内的磁场分布进行有限元分析。在密封实验台上对该装置进行密封耐压实验,结果表明:在最大间隙0.7 mm时,其单级耐压能力仍能达到18 kPa,密封能力随转速的递增保持稳定。理论和实验表明,设计的该密封适合具有腐蚀性环境下的大功率电机或其他高振动装备的大间隙密封场合。     

大功率电机磁性液体组合旋转密封的理论及实验研究

设计某装备中大功率电机用的牛顿型磁性液体与磁性润滑脂组合旋转密封。理论上推导2种磁性液体组合旋转密封时的耐压公式和摩擦功耗公式,表明耐压能力主要与密封级数、磁场强度、磁性液体饱和磁化强度及磁性润滑脂屈服应力有关,磁性润滑脂的黏性损耗与转速的(2n+1)(其中n为磁性润滑脂的流动指数)次方成正比。设计适用于大功率电机密封用的大间隙磁性液体及磁性润滑脂组合旋转密封结构,并在密封实验台上进行磁性液体密封耐压实验及磁性润滑脂旋转密封温度测试实验。验证理论分析的正确性及大功率电机磁性液体与磁性润滑脂组合旋转密封方式的可行性。     

磁性液体密封耐压与启动力矩的影响因素研究

由于驱动电机的功率和力矩的限制,一些动密封场合对启动力矩有着明确的要求,相较于传统的密封导致启动力矩较大,磁性液体密封在启动力矩方面有更大的优势。但是在不同的环境中,磁性液体密封的启动力矩波动较大,无法达到某些极端密封场合对耐压和力矩的双重要求,从而限制了磁性液体密封在该类密封场合的应用。以温度为切入点,就磁性液体密封的耐压能力和启动力矩进行理论和实验研究,得到温度与磁性液体密封耐压能力和启动力矩的关系。结果表明：磁性液体密封的间隙越小,耐压能力越大;温度越低,最大耐压值越大,-40℃时最大耐压值为80℃时的5倍;启动力矩随压力的增加而逐渐减小;温度越低,启动力矩越大,-40℃时的启动力矩接近20℃时的5倍,并且在低温磁液用量对密封启动力矩的有明显影响。     

磁流体加速度传感器的研究与设计

介绍了加速度传感器的应用和磁流体的特性，给出一种磁流体加速度传感器的结构，分析了磁流体加速度传感器的原理，该加速度传感器以磁流体的粘性力作为粘性阻尼，不需要移动的机械装置，克服了普通传感器触点的磨损难题，可以提高传感器的使用寿命和抗过载能力。传感器中采用环形永磁铁，通过对两种充磁方式的永磁铁的磁场和磁场力分析，选取辐射状充磁的永磁铁。最后设计外围电路将输出结果通过LED显示。     

磁致伸缩压力传感器设计及其输出特性

研究了铁镓合金(Galfenol)的磁致伸缩特性,提出一种基于Galfenol的新型磁致伸缩压力传感器,以实现机器人的触觉力精确感知。该传感器利用磁致伸缩逆效应将压力转换为电压信号,从而完成对压力的精确测量。设计、制作了磁致伸缩压力传感器,采用双永磁体回形磁路优化了压力传感器的磁场。对传感器进行了理论分析与实验研究,讨论了偏置条件、外压力等因素对输出电压峰值的影响。实验结果表明,在偏置磁场为4.8kA/m、施加的压力为2.5Hz、6N时,传感器的输出电压峰值达16mV,且输出电压峰值与压力呈较好的线性关系。研制的传感器具有结构简单、线性度好、反应速度快等特点,可以满足机器人触觉感知的需求,也可应用于其他领域的压力测量。     

外加磁场对磁流体润滑油膜轴承的影响

为了研究磁流体润滑油膜轴承内磁场的分布情况,分别通过永磁铁、螺线管及亥姆赫兹线圈对其施加3种不同形式的外磁场。通过磁场二维实体有限元模型的数值仿真,分析在3种模型下磁流体润滑油膜轴承的磁场分布特性,并比较磁场在油膜区的分布情况。结果表明,永磁铁模型的磁场主要分布在永磁铁、油膜、轴承座以及靠近磁铁的轧辊部分,螺线管模型的磁场主要分布在油膜、轴承座以及靠近磁铁的轧辊部分,亥姆霍兹线圈模型的磁场主要分布在线圈以及油膜的端部;3种模型在油膜区磁场分布沿轴向均呈现中间小、两端大的不均匀现象,且具有端部效应;永磁铁模型和螺线管模型在油膜区磁场沿径向分布均匀,亥姆霍兹线圈模型沿径向分布不均匀。     

胶囊机器人磁驱动力建模与测量

可吞式无线磁驱胶囊机器人在胃肠道内的诊疗效果与机器人受到的外部磁驱动力密切相关。本文建立了外部磁驱动力的理论模型,基于等效磁荷模型推导了两径向充磁环形永磁体相互作用的数学表达式,采用自适应递归式计算方法开展了数值计算。此外,发展了环形永磁体间磁力实时测量方法,并开发了磁力-间距同步测量仪器开展实验研究,且建立了3D环形永磁体有限元仿真模型。实验测量磁力-间距关系曲线与理论计算和有限元仿真结果吻合较好,误差小于4%,验证了理论模型和有限元仿真模型的准确性和可靠性。通过参数分析,揭示了胶囊机器人内置永磁体长度、厚度和体积对磁力的影响规律。研究结果为精准驱动胶囊机器人在胃肠道内运动奠定了理论基础。     

偏置磁场对磁致伸缩液位传感器检测电压的影响

为了提高磁致伸缩液位传感器的检测精度,研究了磁致伸缩液位传感器中产生偏置磁场的浮子磁铁的放置方式及其对检测电压的影响。利用ANSYS软件对浮子磁铁不同放置方式下形成的偏置磁场进行了有限元分析,分析显示:采用3块磁铁互成120°N极N极S极(NNS)放置或者采用圆环磁铁作为偏置磁场时检测效果比较理想。实验研究了磁致伸缩液位传感器的偏置磁场对检测电压的影响,并在浮子磁铁不同放置方式下进行多次实验。结果表明:偏置磁铁为3块磁铁互成120°NNS放置时或者为圆环磁铁时,检测电压的幅值达到50mV,比其它放置方式提高了近30mV。研究表明:磁致伸缩液位传感器应选择3块磁铁NNS放置或者选择圆环磁铁作为偏置磁场。     

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。     

Mechanical properties of ferrofluid applications: Centering effect and capacity of a seal

This paper presents three-dimensional study of a ferrofluid seal, its centering effect and its static capacity. Thus, a method based on a potential energy criterion has been put forward to study the seal shape. But such a use of ferrofluid seals is interesting only if the magnetic field created by the permanent magnets saturates totally the ferrofluid. Two cylindrical structures consisting of two and three outer ring permanent magnets with an inner non-magnetic cylinder are considered. The calculation of the magnetic pressure of the ferrofluid seal is analytically established.     

Mode-selective ultrasonic wave sensor and its characteristics

A magnetostrictive sensor is proposed that can selectively measure the specified mode among two kinds of elastic waves transmitted through a ferromagnetic shaft, and its various characteristics are examined by experiments. The magnetic circuit of the proposed sensor is configured by using permanent magnets and its mode selection is accomplished by only reversing the poles of the permanent magnets. By means of finite element analysis, the validity of the proposed sensor is verified. Prototype sensors are made and their sensitivity and linearity are investigated as basic characteristics. The results show the proposed sensors are able to measure the target mode waves with good sensitivity and linearity. By exciting undesirable modes of waves intentionally, it is verified that the sensor can measure the target modes and reject the undesirable wave modes considerably.     

基于磁敏元件的寄生式时栅传感器仿真分析

传统寄生式时栅位移传感器采用线圈传输电信号,不能保证线圈本身及绕线质量,导致寄生式时栅位移传感器体积大、灵敏度低、功耗大。根据寄生式时栅位移传感器的工作原理,选择一种基于磁敏元件代替绕制线圈的方法。用ANSOFT/Maxwell对磁钢和磁敏元件的气隙磁场、磁敏元件与被测齿轮之间的距离、磁钢大小和形状进行仿真,比较分析可知3mm×3mm×2mm的长方体磁钢在气隙为3mm的情况下能够满足磁敏元件的工作要求。