專利名稱：基于磁流變脂(液)的智能傳感方法及其電容式傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁流變體電磁學(xué)特性檢測(cè)和磁流變體智能傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及磁流變(體)電容式智能傳感技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及磁流變脂(液)電容式智能傳感技術(shù)及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
電容式傳感器主要有變面積型，變間隙型和變介電常數(shù)型三種類型。在先技術(shù)具有溫度穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)(單成祥，傳感器的理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M]，國(guó)防工業(yè)出版社，1999 :3-30)。在先技術(shù)中的變介電常數(shù)型電容式傳感器通常在兩極板間不同區(qū)域充滿不同電解質(zhì)以改變介電常數(shù)實(shí)現(xiàn)其檢測(cè)目的，主要用于液面高度和片狀材料厚度測(cè)量(孫圣和，現(xiàn)代傳感器發(fā)展方向[J]，電子
測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009，23 :28-34)。但沒有通過調(diào)節(jié)磁場(chǎng)大小來改變介電常數(shù)的磁流變體電容式傳感器，變介電常數(shù)型電容式傳感器也不能對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換檢測(cè)。隨著電磁學(xué)的發(fā)展，磁場(chǎng)的檢測(cè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地球物理、空間技術(shù)、軍事工程、工業(yè)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、考古學(xué)諸多領(lǐng)域。因此，對(duì)智能磁流變體電容式傳感器研究具有重要意義。磁流變體主要包括磁流變液，磁流變脂兩種磁性介質(zhì)。它們主要由高磁導(dǎo)率、低滯性的微小軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成。在外加磁場(chǎng)的作用下，固態(tài)與液態(tài)之間可進(jìn)行快速轉(zhuǎn)化，并且這種變化是可控、連續(xù)、可逆的(M. A. Luque,M. P. P' erez~P/ erez,et al, Brain Research Bulletin. Sci. , 2008, 75 :480-484),已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、航空、精密加工、建筑、醫(yī)療等領(lǐng)域(Thomas H. Meedel，Patrick Chang, et al. [J],Developmental Biology. Sci. , 2007, 312 :644-645)。目前,磁流變體的電磁學(xué)特性還沒有應(yīng)用于電容式傳感器及其傳感技術(shù)領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
為了將磁流變體電磁學(xué)特性應(yīng)用于電容式傳感器及其智能傳感技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明提出一種新的磁流變體智能傳感技術(shù)，并設(shè)計(jì)出一種變介電常數(shù)型智能磁流變體電容式傳感器。這種電容式傳感器內(nèi)部的電解質(zhì)為磁性介質(zhì)——磁流變體，可以通過檢測(cè)電容值的改變獲得磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。本發(fā)明所測(cè)量的磁流變體電容范圍為0 幾干PF，檢測(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的范圍為0 7000Gs。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案本發(fā)明所采用的技術(shù)方案由磁流變體的變介電常數(shù)型電容器設(shè)計(jì)及磁流變體電容的測(cè)量電路兩部分構(gòu)成。為了解決上述問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種磁流變體的變介電常數(shù)型可變電容器(參照?qǐng)DI所示)，內(nèi)部盛載磁流變體。其特征在于具備該可變電容器包括極板，封裝兩部分組成。兩個(gè)極板相互平行，其中一個(gè)為定極板，另外一個(gè)為動(dòng)極板。通過旋轉(zhuǎn)動(dòng)極板，可以調(diào)節(jié)兩個(gè)極板間的距離，也可以固定動(dòng)極板。封裝采用螺紋式結(jié)構(gòu)，便于極板間距離的調(diào)節(jié)。所述的極板材料為鋁合金，鐵合金，或鈦合金，形狀為圓形，半圓形，方形，三角形以及其他不規(guī)則形狀。所述的封裝材料為聚甲基丙烯酸甲酯(有機(jī)玻璃)，聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯，并在封裝上設(shè)計(jì)螺紋。所述的磁流變體可以為磁流變液，或磁流變脂，也可是磁流體。本發(fā)明的磁流變體電容測(cè)量電路部分(參照?qǐng)D2所示)，由直流電壓源，直流電流源，裝有磁流變體的變介電常數(shù)型電容器，電子開關(guān)Kl、K2，運(yùn)算放大器，預(yù)放，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)幾部分組成。其特點(diǎn)在于具備電流源與待測(cè)的裝有磁流變體的可變電容器通過電子開關(guān)Kl、K2串聯(lián)構(gòu)成閉合回路，可變電容器的兩端連接到運(yùn)算放大器的輸入端，運(yùn)算放大器輸出端通過預(yù)放，A/D轉(zhuǎn) 換(模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換)接入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。當(dāng)Kl閉合時(shí)，直流電壓源給電容充電至Uc =Us。然后Kl斷開，K2閉合，電容在電流源的作用下放電，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)部分的內(nèi)部計(jì)數(shù)器同時(shí)開始工作。當(dāng)電流源對(duì)電容放電至Uc = 0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器結(jié)束計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值與電容放電時(shí)間成正比。電容電壓Uc與放電電流Io的關(guān)系為Uc=Us--^ll0Cit(I)令Uc = 0，則有C(B) = ^ = ^-(2)
Us Us式中N為計(jì)數(shù)器的讀數(shù)，Tc為計(jì)數(shù)脈沖的周期(是一個(gè)常數(shù))，Itl放電電流，t為放電時(shí)間，Us為電壓源輸出電壓，C(B)是磁流變電容的電容值。Uc為充電電壓。Us和Itl為定值時(shí)，C(B)與N成正比。B為外加磁場(chǎng)。所述的直流電壓源可以提供持續(xù)的穩(wěn)定電壓。所述的直流電流源采用精密型恒流管，可以提供連續(xù)的穩(wěn)定電流。所述的恒流管型號(hào)為2DHL050，或3CR3A，或3CR3B，或4DH7。所述的電子開關(guān)Kl、K2由三極管構(gòu)成。通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制其斷開和閉合。所述的預(yù)放，可以由三級(jí)管，場(chǎng)效應(yīng)管或者運(yùn)算放大器組成。所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以由單片機(jī)，DSP處理器，虛擬儀器或ARM處理器構(gòu)成。本發(fā)明所采用的方法根據(jù)上述檢測(cè)裝置，本發(fā)明進(jìn)一步提出一種基于磁流變體的智能傳感方法，該方法包括以下步驟(I)將電流源與待測(cè)的裝有磁流變體的變介電常數(shù)型電容式傳感器通過電子開關(guān)K1、K2串聯(lián)構(gòu)成閉合回路。(2)將變介電常數(shù)型電容器的兩端連接到運(yùn)算放大器的輸入端。(3)將運(yùn)算放大器輸出端接到預(yù)放的輸入端，預(yù)放的輸出端接到A/D轉(zhuǎn)換(模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換)的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換的輸出端接入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。(4)閉合電子開關(guān)K1，直流電壓源給電容充電至Uc = Us，然后斷開K1，閉合K2，電容在電流源的作用下放電，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器同時(shí)開始工作。
(5)變介電常數(shù)型電容器的電容大小為
權(quán)利要求
1.本發(fā)明設(shè)計(jì)一種智能磁流變體電容式傳感器，該發(fā)明包括基于磁流變體的變介電常數(shù)型電容器及測(cè)量電路兩部分。其特征為 所述的變介電常數(shù)型電容器，內(nèi)部盛滿磁流變體。
所述的變介電常數(shù)型電容器由定極板，動(dòng)極板，封裝三部分組成。
所述的測(cè)量電路由電流源，電壓源，電子開關(guān)，預(yù)放大，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)幾部分組成。能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)磁流變體電容大小的改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能磁流變體電容式傳感器，其特征是所述的可變電容器盛載磁流變體，電容器的密封采用螺旋式結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能磁流變體電容式傳感器，其特征是所述的封裝材料為聚甲基丙烯酸甲酯(有機(jī)玻璃)，聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯，并在封裝設(shè)計(jì)螺紋。動(dòng)極板通過螺紋可調(diào)節(jié)與定極板間的距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能磁流變體電容式傳感器，其特征是所述的極板材料為鋁合金，鐵合金，或鈦合金，形狀為圓形，半圓形，方形，三角形以及其他不規(guī)則形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能磁流變體電容式傳感器，其特征是所述的磁流變體為磁流變液，磁流變脂，或磁性液體。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能磁流變體電容式傳感器，其特征是所述的測(cè)量部分，電子開關(guān)通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以由單片機(jī)，DSP, ARM或者虛擬儀器組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能磁流變體電容式傳感器，其特征是所述的測(cè)量部分，被測(cè)電容只進(jìn)行一次充放電即可完成對(duì)被測(cè)電容的檢測(cè)。采用了電子技術(shù)中準(zhǔn)確度較高的時(shí)間檢測(cè)原理，克服了傳統(tǒng)檢測(cè)微弱信號(hào)電路中放大器的穩(wěn)定性不好、零點(diǎn)漂移大等缺點(diǎn)，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)精度和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。
8.令\根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能磁流變體電容式傳感器，其特征是所述的測(cè)量部分，被測(cè)磁流變電容大小為
9.I 1根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能磁流變體電容式傳感器，其特征是所述的技術(shù)方案，包括基于磁流變體介電常數(shù)型電容器的設(shè)計(jì)及磁流變體電容的檢測(cè)兩部分構(gòu)成。變介電常數(shù)型電容器用于盛載磁流變體，磁流變體電容的檢測(cè)系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)測(cè)量磁流變體電容的大小。
10.IONi艮據(jù)權(quán)利要求I所述的智能磁流變體電容式傳感器，其特征是所述的基于磁流變體電容特性的智能傳感方法，是通過磁流變體電容器的電容大小的改變與外加磁場(chǎng)關(guān)系來探測(cè)磁場(chǎng)的大小。
全文摘要
本發(fā)明提出一種磁流變體智能傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種智能磁流變體電容式傳感器，通過檢測(cè)電容值變化準(zhǔn)確地檢測(cè)磁場(chǎng)的變化情況。電容器中用到的不是傳統(tǒng)云母等電解質(zhì)，而是一種新型的智能材料——磁流變體(也可是磁流體)。將磁流變體放入本發(fā)明設(shè)計(jì)的磁流變體變介電常數(shù)型電容器中，然后對(duì)可變電容器進(jìn)行一次充放電，完成對(duì)被測(cè)電容的檢測(cè)。本發(fā)明采用了電子技術(shù)中準(zhǔn)確度較高的時(shí)間檢測(cè)原理，克服了傳統(tǒng)檢測(cè)微弱信號(hào)電路中放大器的穩(wěn)定性不好、零點(diǎn)漂移大等缺點(diǎn)，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)精度和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的智能磁流變體電容傳感器，可以準(zhǔn)確的檢測(cè)磁場(chǎng)的大小，檢測(cè)范圍在0-7000Gs。
文檔編號(hào)G01R27/26GK102654535SQ20111005063
公開日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2011年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月3日
發(fā)明者何國(guó)田, 冉迎春, 劉云杰, 張德勝, 戴鵬飛, 王松, 谷明信, 馬燕 申請(qǐng)人:重慶師范大學(xué)