CN1766647A - 磁流体部分填满空腔的磁流体加速度计 - Google Patents

Abstract

传感器包括外壳和外壳中的磁流体，该磁流体不完全充满外壳。惯性体与磁流体接触。惯性体相对于磁流体的位移是外壳上的加速度的指示。该加速度包括线性加速度和/或角加速度。该惯性体可以是空气泡，或不相类似的液体。数个磁体安装在外壳上，其中磁流体定位到磁体和惯性体之间的液滴中。磁流体可以是每个磁体和惯性体之间的单个液滴，或者可以是每个磁体和惯性体之间的多个液滴。外壳中的剩余体积可以填满非磁性流体。

Description

磁流体部分填满空腔的磁流体加速度计

技术领域

本发明涉及磁流体加速度计传感器(magnetofluidic accelerationsensor)。

背景技术

一般地，在例如2004年5月3日提交的美国专利申请No.10/836,624，2004年5月3日提交的美国专利申请No.10/836,186，2003年5月21日提交的美国专利申请No.10/422,170，2002年8月1日提交的美国专利申请No.10/209,197(现在的美国专利No.6,731,268)，2000年2月24日提交的美国专利申请No.09/511,831(现在的美国专利No.6,466,200)，和1999年11月3日提交的俄罗斯专利申请No.99122838中公开和描述了磁流体加速度计，该磁流体加速度计使用磁流原理和悬浮在磁流体中的惯性体，对加速度进行测量。这种加速度计通常包括充满磁流体的传感器罩壳(传感器外壳，或“容器”)。惯性体(惰性物体)悬浮在该磁流体中。该加速度计通常包括在磁流体中产生磁场的数个驱动线圈(功率线圈)，和测量磁场中因惯性体的相对移动而产生的变化的数个测量线圈。

当功率线圈通电并产生磁场时，磁流体试图将其自身尽可能靠近功率线圈定位。这有效地导致惯性体悬浮在外壳的大致几何中央。当向加速度计(或者向加速度计所安装的装置)施加力，从而引起角加速度或线性加速度时，惯性体试图保持在位置处。因此，惯性体“挤压”在磁流体上，使磁流体扰动并改变磁流体内部的磁场分布。磁场分布中的这种变化由测量线圈检测，然后用电子仪器转换成线性加速度和角加速度的值。在知道线性加速度和角加速度值的情况下，然后可能通过简单的数学运算计算线性速度和角速度，并且如果需要的话，计算出线性位置和角位置。换句话说，加速度计提供了关于六个自由度的信息----三个线性自由度(x，y，z)和三个角度(或者旋转)自由度(关于x，y，z轴的角加速度ω_x’，ω_y’，ω_z’)。

一般地，加速度计的准确特性高度依靠外壳的几何形状，惯性体，磁体的设置，磁流体的属性等。对于设计者，希望尽可能宽范围的传感器参数。这种参数包括例如动态范围，敏感性，响应时间，外形尺寸，成本，偏差，对环境因素的敏感性，等等。影响传感器性能的其中一个因素是流体动力学阻抗，它由试图克服磁流体移动的惯性体产生。一般地，磁流体为较粘性的流体，并且惯性体与磁流体接触的面积越大，流体动力学阻抗越大。因此，较高的流体动力学阻抗导致较低的频率响应。

因此，现有技术中需要减小磁流体加速度计中的流体动力学阻抗的方法。

发明内容

本发明涉及磁流体加速度计，其中磁流体部分填满空腔，该磁流体加速度计基本上避免了与现有加速度计相关的一个或多个问题。

更为特别的是，在本发明的示例性实施例中，传感器包括外壳和位于外壳中的磁流体，该磁流体不完全填满外壳。惯性体与该磁流体接触。惯性体相对于磁流体的位移是外壳上的加速度的指示。该加速度包括线性加速度和/或角加速度。该惯性体可以是空气泡或者不相类似的液体。数个磁体安装在外壳上，其中磁流体定位在磁体和惯性体之间的液滴中。该磁流体可以是每个磁体和惯性体之间的单个液滴，或者是每个磁体和惯性体之间的多个液滴。外壳中的剩余体积可以填满非磁性流体。

另一方面，传感器包括基本环绕惯性体设置在液滴中的磁流体。与磁流体不同的第二流体一般设置在磁流体和惯性体之间。惯性体相对于磁流体的位移是传感器上加速度的指示。

另一方面，传感器包括惯性体，和将惯性体保持悬浮的磁流体的数个液滴。数个磁极将磁流体的液滴保持与惯性体接触。惯性体相对于磁流体的位移是传感器上加速度的指示。

另一方面，用于测量加速度的方法包括使用磁流体的液滴将惯性体悬浮；响应于施加到惯性体上的力对惯性体的位置进行测量；及以该位移为基础计算加速度。

另一方面，用于测量加速度的方法包括使用磁流体的液滴将惯性体悬浮；在磁流体中产生磁场；调整磁场，以抵消惯性体由于加速度而相对于磁流体的液滴在位置上的变化；及以该调整幅度为基础计算加速度。

本发明的其它特征和优点将在下面的描述中阐明，并且有一部分在描述中将会非常清楚，或者可以从本发明的实现中获知。通过在所述描述和权利要求以及附图中特别指出的结构，将实现和获得本发明的优点。

应当理解，前述的概述和下面的详细描述是示例性和解释性的，并希望提供本发明的更多解释作为权利要求。

附图说明

附图对本发明的实施例进行了说明，并与说明书共同起到解释发明原理的作用，这些附图提供了对发明的进一步理解，合并到本说明书中并构成了它的一部分。在附图中：

附图1说明了本发明的组装的磁流体加速度传感器(assembledmagneto fluidic acceleration sensor)的等比例三维视图。

附图2说明了该传感器的侧视图，拆掉了其中一个驱动磁装置(drive magnet assembly)。

附图3说明了部分剖开的视图，示出了驱动磁线圈和传感线圈的设置。

附图4说明了该传感器的分解侧视图。

附图5从不同的观察角度说明了附图4的传感器的三维等比例视图。

附图6说明了本发明的一个实施例，该实施例将单个液滴的磁流体用于每个驱动磁装置。

附图7说明了备选实施例，其中多个液滴的磁流体用于每个驱动磁装置。

具体实施方式

现在将对本发明的实施例进行详细描述，其例子在附图中进行了说明。

附图1至5说明了本发明的磁流体加速度传感器的示例性实施例。磁流体传感器的基本工作原理在美国专利No.6,466,200中进行了描述，在此将其合并进来以供参考。该传感器的性能通常通过一系列非线性偏微分方程进行了描述，参见美国临时专利申请No.60/614,415，本申请对该临时申请要求优先权。

尤其是，附图1说明了组装的加速度传感器的等比例三维视图。附图2说明了加速度传感器的侧视图，其中拆掉了一个驱动磁性外壳。表明了位于中央的惯性体(Inertial body)。

附图3说明了部分剖开的视图，示出了驱动磁线圈和传感线圈的设置。附图4说明了传感器的剖视侧视图，示出了外壳，外壳中的磁流体，和由该磁流体环绕的惯性体。附图5从不同观察角度说明了附图4中所示传感器的三维等比例视图。

进一步参照附图1，附图1中所示处于组装形式的加速度计102包括外壳104，和数个驱动磁装置106A-106E，每个驱动磁装置都使用相对应的线110A-110E连接到电源上。注意，在该视图中，只示出了五个驱动磁装置106，但是参见附图4，其中也说明了第六个驱动磁装置(由106F表示)。

附图2说明了附图1的传感器102，其中拆掉了一个驱动磁装置。在驱动磁装置106c拆掉的情况下，可以看到惯性体202位于外壳104的大致几何中心处。磁流体204填满外壳中的有效容积的剩余部分。注意，为了清楚起见，尽管这些大多数流体为黑色并具有“油性”感觉，但是并未在附图中将磁流体本身实际画出。

附图3说明了部分剖开的视图，示出了传感器102。为了清楚起见，只有某些部件在附图3中进行了标注。在附图3中示出的是四个驱动线圈(或驱动磁体)302A、302B、302E和302D，总称为驱动磁体302(其余的两个驱动磁体在该附图中未示出)。驱动磁体302有时也称之为悬浮磁体(suspension magnet)，功率磁体(power magnet)，或悬浮线圈(suspension coil)(如果使用电磁体的话)。

在一个实施例中，每个这种驱动磁装置106都具有由306和308(在附图3中为306A、308A、306B、308B、306E、308E、306E、308E)表示的两个传感线圈。传感线圈306、308有时也称之为“传感磁体”或“测量线圈”。进一步注意，为了测量线性加速度和角加速度，“立方体”的每一侧都需要两个传感线圈。如果只有单个传感线圈定位到“立方体”的每一侧的中央处，则将不可能测量角加速度。作为不是最佳的选择，立方体的每一侧可能只使用一个传感线圈，但是将它偏离中央设置。然而，在这种情况下，数学分析变得明显更加复杂。

附图4和5说明了传感器102的“分解”视图，从两个不同角度示出了同一结构。尤其是，附图4和5中所示的是其中一个驱动磁装置106D的分解视图。如该附图中所示，驱动磁装置106D包括罩壳402，后盖404，驱动线圈302D，两个传感线圈306D和308D，磁心406(每个传感线圈306D和308D都有一个)，和驱动磁心408。在备选实施例中，磁心406和408可以制造为单个的通用件(实际上，作为单个的“变压器铁心”)。

在本实施例中，传感线圈306D和308D位于驱动线圈302D内部，并且后盖404将驱动线圈302D与传感线圈306D和308D保持在驱动线圈装置106D中的位置上。

驱动磁体302用于将惯性体202保持悬浮在外壳104的大致几何中心处。传感线圈306、308测量外壳104中的磁通量变化。磁流体204试图流动到磁场最强的位置处。这导致了对惯性体202的排斥力，该惯性体通常为非磁性或部分磁性(即比磁流体204的磁性小)。

磁流体203为高磁性的，并对驱动磁体302具有吸引力。因此，通过试图尽可能地靠近驱动磁体302，磁流体有效地将惯性体202远离驱动磁体302“推出”或排斥。在所有驱动磁体302基本相同，或者所有驱动磁体302施加基本相同的力并且驱动磁体302关于惯性体202对称设置的情况下，惯性体202将倾向于位于外壳104的几何中心处。该效果可以认为是排斥磁力(尽管现实中惯性体202不会直接受到驱动磁体302影响，但是会通过磁流体204受到间接影响)。

磁流体204的一个例子是其中溶解有氧化铁(Fe₃O₄)的煤油。磁流体204为胶状悬浮体。该Fe₃O₄颗粒的通常直径为10至20纳米(或者更小)的数量级。该Fe₃O₄颗粒在形状上通常为球形，并且当施加磁场时起到磁偶极子的作用。

更为普遍的是，磁流体204能够使用其它铁磁金属，如钴、钆、镍、镝和铁，及它们的氧化物，例如Fe₃O₄、FeO₂、Fe₂O₃，以及磁性化合物，如锰锌酸铁(Zn_xMn_1-xFe₂O₄)、钴铁氧体，或其它铁磁性合金，氧化物和铁素体。同时，除了煤油之外，水或油也可以用作基液(base liquid)。

附图6说明了本发明的一个实施例。附图6以剖视图示出了附图1至5中所说明的传感器，其中数个液滴的磁流体用于悬浮惯性体202。为了清楚起见，附图6中只有某些元件进行了标注。如附图6中所示，单个液滴(在附图6中用620A、620D、620E和620B进行了标注，其中在该附图中示出了六个液滴中的四个)用于每个驱动磁装置106。同时，在附图6中为了清楚起见，惯性体202所位于的空腔或“空余空间”由622表示。除了液滴620和惯性体202之外，空腔622可以充满空气或某些其它气体。或者，空腔622的体积的剩余部分可以充满第二液体(未示出)。该第二液体最好是非磁性的，从而它不容易与磁流体混合。进一步注意，与磁流体不相类似的该第二液体可以自身用作惯性体，而不是附图中所示的“固态”惯性体202。同时，空气泡可以用作惯性体(换句话说，基本上去除附图6中所示的惯性体202，并且传感线圈检测液滴620的“晃动”。

也要注意，只有当驱动磁体302施加磁场时，液滴620才大致具有附图6中所示的形状。在缺少磁场的情况下，所有磁流体204将“注入(pool)”空腔622的其中一个角落。一般，最好使用永磁体作为驱动磁体302，或者使用永磁体和电磁体的组合作为驱动磁体302，尤其是用于组装目的，从而避免磁流体204的集中合成(pooling)的可能性，并确保液滴620形成所示情况。

也要注意，磁流体204可以是整个传感器102的较昂贵的部件。于是，从节约成本的角度希望减少传感器102中磁流体204的量。同时，如上所述，流体动力学阻抗取决于惯性体202和磁流体204之间的接触面积。如果磁流体204设置成液滴620的形式，磁流体204和惯性体202之间的接触面积减小，提高传感器102的频率特性。

附图7说明了本发明的另一实施例，其中对于每个驱动磁装置106使用了多个液滴，而不是单个液滴620。这些液滴在附图7中相应标注为626A、624A、626B、624B等等。尽管在附图7中示出了每个驱动磁装置106的两个液滴，但是根据所需要的特性，驱动磁体302的设置和驱动磁体302所产生的磁场分布，可以将更多个这种液滴用于每个驱动磁装置106，例如三个或四个。如附图6所示，空腔622中的剩余体积可以填满空气、气体、第二液体等等。

通过对本发明实施例的描述，本领域技术人员应当清楚，已经获得了所描述的方法和设备的某些优点。也应当认识到，在本发明的范围和精神之内可以作出各种修改，适应性变化及其备选实施例。本发明由所附权利要求进一步限定。

Claims (17)

1.一种传感器，包括：

外壳；

外壳中的磁流体，该磁流体不完全填满外壳；及

与该磁流体接触的惯性体，

其中惯性体相对于磁流体的位移是外壳上的加速度的指示。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，加速度包括线性加速度。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，加速度包括角加速度。

4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，该惯性体为空气泡。

5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，该惯性体为与磁流体不相类似的液体的液滴。

6.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括安装在外壳上的多个磁体，其中磁流体定位在磁体和惯性体之间的液滴中。

7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，磁流体包括每个磁体和惯性体之间的单个液滴。

8.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，磁流体包括每个磁体和惯性体之间的多个液滴。

9.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，外壳中的剩余体积充满非磁性流体。

10.一种传感器，包括：

设置在液滴中的基本环绕惯性体的磁流体；及

与磁流体不同的第二流体，该第二流体基本设置在磁流体和惯性体之间，

其中惯性体的位移是传感器的加速度的指示。

11.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，惯性体为空气泡。

12.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，惯性体为与磁流体不相类似的液体的液滴。

13.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，还包括外壳，和安装在外壳上的多个磁体，其中液滴位于磁体和惯性体之间。

14.如权利要求13所述的传感器，其特征在于，磁流体包括每个磁体和惯性体之间的单个液滴。

15.如权利要求13所述的传感器，其特征在于，磁流体包括位于每个磁体和惯性体之间的多个液滴。

16.一种传感器，包括：

惯性体；

保持惯性体悬浮的磁流体的多个液滴；及

将磁流体的液滴保持在位的多个磁极，

其中惯性体相对于磁流体的位移是传感器上的加速度的指示。

17.一种用于测量加速度的方法，包括：

采用磁流体的液滴使惯性体悬浮；

响应于施加到惯性体上的力，对惯性体的位置进行测量；及以该位移为基础计算加速度。

Images