差动式磁性液体微压差传感器数学模型计算及试验验证.pdf

第 4 6卷第 1 2期 2 0 1 0 年6 月 机械工程学报 J OURNAL 0F MECHANI CAL ENGI NEERI NG V 01 46 J u n N O 12 2 0 1 0 DoI 1 O 3 90 1 J M E 2 01 0 1 2 1 61 差动式磁性液体微压差传感器 数学模型计算及试验验证木 郝瑞参李德才 北京交通大学机械与电子控制工程学 院北京 1 0 0 0 4 4 摘要 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 r m 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 关键词 磁性液体压差传感器 中图分类号 T P 2 1 2 M a t h e m a ti c M o de l a n d Ex p e r ime n t o f Pr e s s ur e Diffe r e nce S e ns o r wit h M a g n e ti c Fl u id HAO Ru ica n LI De ca i S ch o o l o f Me ch a n i ca l E l e ct r o n ic a n d C o n t r o l E n g in e e r i n g B e i j in g J ia o t o n g Un iv e r s i t y Be i j in g 1 0 0 0 4 4 Ab s t r a ct A n e w f u n ct io n a l ma t e r ia l ma g n e t i c fl u i d wh i ch p o s s e s s e s b o t h f e r r o ma gn e t i s m o f s o l i d a n d fl o w p r o p e r t i e s o f fl u i d i s a p p l ie d in the r e s e a r ch o f t h e p r e s s u r e d iffe r e n ce s e n s o r Ba s e d o n t h e r e s e a r ch o n t h e ma g n e t is m mo d e l an d p r o p e r t ie s o f ma gn e t ic fl u id t h e ma gn e t iz a ti o n in t e n s it y o f ma g n e t ic flu id in t h e e x p e r ime n t is t e s t e d an d the ma gn e t iz a t io n C U l V e is o b t a in e d T h e p r in cip l e o f t h e p s s ure d i ffe r e n ce s e n s o r with ma gn e t ic fl u i d i s a n a l y z e d a n d the ma t h e ma t ic mo d e l o f the mu ma l i n d u ct a n c e p r e s s u r e d iffe r e n ce s e n s o r wit h m a gn e t ic flu id is b u il t Th e in d u ct a n ce a n d mu t u a l in d u ct a n ce o f t h e co il s o n the t w o a l ms o f the U t u b e a r e ca l cu l a t e d Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n the s e n s it iv ity a n d t h e p a r a me t e r s u s e d i n t h e t e s t is a t t a i n e d b y s i mu l a t i o n e x p e r i me n t a n d the r e l a ti o n s h ip cu r v e b e t we e n th e s e n s it iv ity an d the a me t e r o f the U tube is d r a wn Th e r e l a t io n s h ip b e tw e e n t h e in p u t p r e s s u r e d iff e r e n ce a n d the e l e ct r ic p o t e n t ia l o f t h e co il s is d e r iv e d T h e o u t p u t e l e ct r ic p o t e n ti a l is p r o p o r t io n a l t o the in p u t p r e s s u r e d iffe r e n ce Th e s ma l l e r t h e r a d i u s o f the ma g n e t i c fl u id co r e r m a n d t h e d ia me t e r o f the co il are t h e h ig h e r the s e n s o r s e n s i tiv i ty wil l b e T h e g r e a t e r t h e ma gn e t i c p e r me a b i l ity o f the ma gn e t i c fl u i d i s t h e h i g h e r the s e n s o r s e n s i t iv ity wil l b e T h e t h e o r e t i ca l v a l u e is i n a gre e me n t wit h t h e e x p e r ime n tal v a l u e I n the a l l o wa b l e e rro r r a n g e t h e d e s ign e d s e n s o r C an wo r k we l 1 K e y wo r d s M a g n e t ic fl u id Pr e s s ur e d iffe r e n ce S e n s o r 0 前言 磁性液体是 目前存在的唯一的液态磁性材料 国家 自然科学基金 6 o 4 7 l 0 o 4 和北京市 自然科学基金 4 0 6 2 O 2 8 资助项 目 2 0 0 9 0 8 3 0收到初稿 2 0 1 0 0 3 2 4收到修改稿 由于磁性液体的电磁响应特性 可 由磁场控制 可 将其保持在任意位置 它是一种将磁性与液体的流 动性两者统一在一起 的具有特殊性能的新材料 可 以应用到机械 电子 船舶 航天 遥测 仪表 印刷和医疗等诸多领域 磁性液体压 差传感器 的基本 工作原理是应用 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 0 1 0 年 6月 郝瑞参等 差动式磁性液体微压差传感器数学模型计算及试验验证 1 6 5 之 寐 餐 丑 舞 输入压差 A p P a 图 8 理论计算与试验对 比图 上述设计 的磁性液体传感器 可应用于气压和 水压测量等多种场合 如管道侧漏等 5 结论 1 在一定范围内 磁性液体微压差传感器 的 输入与输出之间呈线性关系 2 磁性液体液柱半径 r m越小 螺线管直径越 小 输出与输入 的比值 越大 即灵敏度越高 3 螺线管的长度值越大 输出与输入比例系 数 越大 灵敏度越高 4 磁性液体的磁导率越大 输 出输入 比例系 数 就越大 注意选择适当参数 的磁性液体使磁性 液体磁导率尽可能在较大的范 围 5 理论与试验值在误差范围内相等 符合理 论与试验的一致性 方案可行 此外 磁性液体 的粘度对传感器性能的影响是 其 中很重要的一个环节 有待进一步深入研究 参考文献 BE RKOVS KY B M ME DVEDEV V F KRAKOV M S Ma g n e t ic fl u id s e n g i n e e r i n g a p p l i ca t i o n s M Ne w Y o r k Ox f o r d Un iv e r s it y P r e s s 1 9 9 3 P on N C S I BLI NI A J ORA T L I n flu e n ce o f t h e ma gn e t ic p e r me a b i l i ty o f ma t e ri a l s u s e d f o r t h e co n s t r u ct io n o f in d u ct iv e t r a n s d u ce r s wit h ma gn e t ic fl u i d J J o u r n a l o f Ma g n e t is m a n d Ma gne t i c Ma t e ri a l s 1 9 9 9 2 0 1 3 9 8 4 0 0 P OP A N C S I BLI NI A J OR AT L As p e ct s co n ce r n in g t h e d i me n s io n i n g o f t h e i n d u ct i v e t r a n s d u ce r s wi t h ma gne t i c fl u id s J J o u rna l o f Ma gne t i s m a n d Ma gne t ic Ma t e r ia l s 2 0 0 2 2 4 2 2 4 5 1 2 4 0 1 2 4 2 4 5 6 7 8 9 1 0 1 2 1 3 1 4 P OP A N C P OT ENCZ I BROS T EAN L e t a 1 S o me a p p l ica ti o n s o f in d u cti v e tran s d u ce r s wit h ma gn e t ic l i q u id s J S e n s o r s a n d Act u a t o rs A 1 9 9 7 5 9 1 1 9 7 2 00 P 0P A N C S ABA T A I D Nu m e ri ca l s imu l a t io n for e l e ct r ica l co il s o f in d u ct iv e tran s d u ce rs wit h ma gn e t ic l i q u id s J S e n s o r s a n d Act u a t o r s A 1 9 9 7 5 9 1 2 7 2 2 7 6 P OP A N C P OTE NCZ I ANT ON I e t a 1 M a gn e t ic l iq u id s e n s o r for v e r y l o w g a s fl o w r a t e wit h ma gn e t ic fl o w a d j u s t i n g p o s s ib i l i t y J S e n s o r s a n d A ctua t o rs A 1 9 9 7 5 9 1 3 0 7 3 1 0 COT AE C BAL T AG O OLARU R e t a 1 Th e s t u d y o f ma gne t i c f u id b a s e d s e n s o r J J o u r n a l o f Ma gn e ti s m and Ma gne t i c Ma t e ri a l s 1 9 9 9 2 0 1 3 9 4 3 9 7 P I S O M I Ap p l ica t io n s o f ma gn e t ic fl u id s f o r in e r t ia l s e n s o rs J J o u r n a l o f Ma gn e t is m a n d Ma gne t i c Ma t e ri a l s 1 9 9 9 2 0 1 3 8 0 3 8 4 O DE N BAC H S F e r r o fl u i d s M B e r l i n S p ri n g e r V e r l a g 2 00 2 李德才 磁性液体理论及应用 M 北京 科学出版社 2 00 3 L I De ca i T h e t h e o ry an d a p p l ica t io n o f ma gn e t ic fl u ids M B e i j i n g S ci e n ce P r e s s 2 0 0 3 CRAI NI C M S S CHLE TT Z A flo w t r a n s d u ce rforco l d wa t e r u s i n g f e r r o fl u i ds J J o u r n a l o f Ma gne t i s m and M agn e t ic M a t e r ia l s 200 4 26 8 8 1 9 P OP A N C S ABAT A I D ANT ON I e t a 1 M a gn e t ic fl u ids i n a e r o d y n a mic me a s u r i n g d e