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磁性液体悬浮特性及其在惯性传感器的应用研究

喻峻  
【摘要】:密度大于磁性液体的永磁体能在磁性液体中实现稳定的悬浮是磁性液体特有的性质之一,研究这种现象的理论叫做磁性液体第二类悬浮原理,磁性液体第二类悬浮特性具有重大的研究价值和广泛的应用领域。磁性液体惯性传感器是磁性液体第二类悬浮特性的最重要应用之一,其具有结构简单、可靠性高和使用寿命长等突出优点,具有重要的研究价值。本文针对永磁体在磁性液体中的自悬浮现象在磁性液体惯性传感器中的应用问题展开了研究,研究分两步进行,首先研究了磁性液体第二类悬浮特性(永磁体在磁性液体中的自悬浮),其次根据第二类悬浮特性的研究结果设计了磁性液体惯性传感器并用于倾斜角度的测量,主要研究工作如下:(1)在磁性液体第二类悬浮特性的理论研究方面:根据磁性液体应力张量推导得到了浸没于磁性液体中的永磁体在自身产生的磁场作用下受到的悬浮力计算公式,该公式聚焦于磁性液体和外部环境的边界面的压强;研究了磁性液体和空气的边界面产生的表面不稳定性和永磁体受到的磁性液体悬浮力的关系,建立了磁性液体表面不稳定性和永磁体受到的悬浮力之间的相互作用模型;对永磁体在磁性液体中受到的悬浮力的计算公式进行分析,得到了简化的悬浮力计算公式;研究了永磁体、非磁性材料和软磁材料构成的组合体在磁性液体中的自悬浮现象,得到了分析非磁性材料和软磁材料对悬浮力影响的方法。(2)在永磁体在磁性液体中的自悬浮现象的理论和实验研究方面:提出了2种研究永磁体在磁性液体中受到悬浮力的实验方案,论证了“自密封”效应对实验的影响,确定了实验的相关参数;实验研究了永磁体在磁性液体中受到的悬浮力与磁性液体的质量和永磁体悬浮高度的关系,提出并验证了磁性液体悬浮力阶段变化模型,验证了永磁体受到的悬浮力和磁性液体表面不稳定性之间的相互作用模型,研究了磁性液体内部的空气对悬浮力的影响;建立了研究非磁性棒造成的实验误差的模型,并用不同直径的非磁性棒验证了误差模型的正确性;提出了2种简易物理模型对永磁体在磁性液体中受到的悬浮力进行仿真计算,悬浮力的仿真计算结果和实验测量结果相符。(3)在永磁体、非磁性材料和软磁材料组成的组合体在磁性液体中的自悬浮现象的理论和实验研究方面:研究了沿轴向磁化的圆环永磁体和内芯在磁性液体中受到的悬浮力,论证了软磁内芯的数量和相对位置对悬浮力的影响;研究了圆柱永磁体和外壳在磁性液体中的受到的悬浮力,论证了软磁外壳的位置和永磁体的磁化方向对悬浮力的影响;研究了沿轴向磁化的圆环永磁体、内芯和外壳在磁性液体中的受到的悬浮力,论证了内芯和外壳对悬浮力的影响;软磁外壳和软磁内芯可以减小组合体受到的悬浮力。以沿轴向磁化的圆柱永磁体和外壳为例,研究并论证了容器半径对永磁体和外壳受到的磁性液体悬浮力的影响。(4)在磁性液体惯性传感器的模型设计方面:阐述了磁性液体惯性传感器的工作原理,理论分析表明惯性质量的磁效应和涡流效应都能影响惯性传感器的输出特性;推导了线圈电感计算公式,分析了惯性质量和磁性液体对线圈电感的影响;研究了不同结构的惯性质量对线圈电感的影响,确定了惯性质量的设计准则,结果表明惯性质量中的软磁材料应远离永磁体的磁极;研究了惯性质量的轴向长度和软磁侧面外壳外直径对线圈电感的影响,增加永磁体的轴向长度和软磁侧面外壳的外直径能增大惯性质量对线圈电感的影响程度;磁性液体对线圈电感的影响程度取决于惯性质量,磁性液体最大能减少线圈电感约2%的变化率。(5)在磁性液体惯性传感器实验研究方面:研究了不同的惯性质量受到的磁性液体悬浮力,选择圆环永磁体、内芯和外壳组成的组合体作为惯性质量用于倾斜角度的测量,研究了惯性质量的轴向长度和软磁侧面外壳的外直径对悬浮力的影响,研究表明增加惯性质量的长度能略微增大回复力,软磁侧面外壳的外直径对悬浮力的影响可以忽略;研究了信号源频率和线圈串联方式对传感器输出电压的影响,确定了信号源频率和线圈的串联方式;研究了惯性质量尺寸和涡流效应对传感器输出电压的影响,结果表明增加惯性质量的长度和直径能增大传感器的输出电压,惯性质量的涡流效应对输出电压的影响远小于磁效应;研究了磁性液体惯性传感器用于静态加速度(倾斜角度)测量的性能,传感器的输出电压和静态加速度之间的线性度较好,当加速度的范围为0~8.66m/s~2时,线性度为5.16%,传感器的迟滞和重复性误差小于1%,灵敏度为0.03V/ms~(-2),灵敏度提高了约100倍。图118幅,表13个,参考文献135篇。


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