專利名稱：二維磁性流體加速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及加速度傳感器的生產及應用領域，尤其涉及一種基于磁性流體的二維加速 度傳感器。
技術背景目前，在諸多的技術領域均常用到加速度傳感器，如汽車運動控制、建筑機械運動控 制、機械振動檢測、航天航空、家電產品性能檢測等等。 現有的加速度傳感器通常有以下幾種結構。一種加速度傳感器是采用懸臂梁結構，包含固定端設置在基板上作往復彈性變形運動 的懸臂梁，通過檢測懸臂梁位置的方式確定外界加速度大小。常用的檢測方式有設置一端 固定、另一端自由運動的懸臂梁，在懸臂梁的根部粘貼應變片，通過應變片檢測懸臂梁根 部的位移值，從而確定外界輸入加速度。另 一種加速度傳感器是將壓電元件設置于傳感器底部，在壓電元件上方設置質量塊， 質量塊與壓電元件在法向上緊密接觸，接觸面法線平行于所測加速度的方向，工作時質量 塊產生一定的位移量，使得與之相接觸的壓電元件產生輸出信號，通過檢測輸出信號，即 可檢測相應的輸入加速度。上述的加速度傳感器一旦安裝之后，只能檢測同一個方向的輸入加速度，而對于其他 方向的加速度則無法檢測，即其檢測方向具有一維性，同時， 一經制造后就不能改變加速 度傳感器內部的材料，這些都是它們的缺點。發明內容鑒于上述現有技術所存在的問題，本發明的目的是提供二維磁性流體加速度傳感器， 核心是基于磁性流體的雙質量塊壓電式加速度傳感器，具有檢測方向二維性、大量程、量 程可控性、高靈敏度、高可靠性、智能性、工作壽命長等特點。本發明的目的是通過以下技術方案實現的一種二維磁性流體加速度傳感器，包括非磁性腔體、垂直質量塊、水平質量塊、檢 測裝置與磁性流體，其中非磁性腔體由非磁性材料構成的密閉容器；垂直質量塊沿垂直方向設于非磁性腔體中部，上下兩端面與非磁性腔體的接觸面間 設有檢測裝置，并在垂直質量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間保持設定的預緊壓力；水平質量塊沿水平方向設于非磁性腔體中部，左右兩端面與非磁性腔體的接觸面間 設有檢測裝置，并在水平質量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間保持設定的預緊壓力；且在非磁性腔體與垂直質量塊和水平質量塊形成的空腔中充滿磁性流體；檢測裝置用于檢測垂直質量塊和水平質量塊與非磁性腔體之間壓力的變化，輸出加 速度檢測結果信號。所述的二維磁性流體加速度傳感器，還包括磁場控制裝置，用于改變磁性流體的粘 度，控制垂直質量塊和水平質量塊軸向的位移量，具體包括勵磁線圈纏繞于非磁性腔體的外部，通過輸入電流產生均勻磁場，改變磁性流體的 粘度，控制垂直質量塊和水平質量塊軸向的位移量。所述的二維磁性流體加速度傳感器，還包括檢測控制裝置，用于根據檢測裝置輸出的加 速度檢測結果信號，控制勵磁線圈的輸入電流，從而控制勵磁線圈的內部磁場。所述的檢測裝置包括一塊或者多塊壓電片通過串連方式或者并聯方式組成的壓電元 件，壓電元件設于垂直質量塊和水平質量塊與非磁性腔體之間，用于檢測垂直質量塊和水 平質量塊的位移量變化，輸出可供后續檢測電路檢測的信號。所述的垂直質量塊或水平質量塊以高比重材料制成；且所述的垂直質量塊或水平質量 塊是圓柱體或棱柱體，且在垂直質量塊或水平質量塊周向設置有多道凹槽或葉片，用于增 加與磁性流體的有效接觸面積。所述的垂直質量塊中部設有水平方向的水平通孔，水平質量塊從水平通孔中穿過；或者，所述的水平質量塊中部設有垂直方向的垂直通孔，垂直質量塊從垂直通孔中穿過。 所述的非磁性腔體包括非磁性內筒與非磁性壓蓋，其中-所述的非磁性內筒軸線垂直設置，且一端開口，開口處通過螺釘固定安裝一個軸向非 磁性壓蓋壓緊垂直質量塊，并且在非磁性內筒的側壁上設有一幵孔，在開孔處通過螺釘固 定安裝一個側向非磁性壓蓋壓緊水平質量塊，組成非磁性腔體；并在垂直質量塊和水平質 量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間產生保持設定的預緊壓力；或者，所述的非磁性內筒軸線水平設置，且一端開口，開口處通過螺釘固定安裝一個軸向非 磁性壓蓋壓緊水平質量塊，并且在非磁性內筒的側壁上設有一開孔，在開孔處通過螺釘固 定安裝一個側向非磁性壓蓋壓緊垂直質量塊，組成非磁性腔體；并在垂直質量塊和水平質 量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間產生保持設定的預緊壓力；或者，所述的非磁性內筒軸線垂直設置，且兩端開口，兩端分別通過螺釘固定安裝一個軸向 非磁性壓蓋壓緊垂直質量塊，并且在非磁性內筒的側壁上設有一開孔，在開孔處通過螺釘 固定安裝一個側向非磁性壓蓋壓緊水平質量塊，組成非磁性腔體；并在垂直質量塊和水平 質量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間產生保持設定的預緊壓力；或者，所述的非磁性內筒軸線水平設置，且兩端開口，兩端分別通過螺釘固定安裝一個軸向 非磁性壓蓋壓緊水平質量塊，并且在非磁性內筒的側壁上設有一開孔，在開孔處通過螺釘 固定安裝一個側向非磁性壓蓋壓緊垂直質量塊，組成非磁性腔體；并在垂直質量塊和水平 質量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間產生保持設定的預緊壓力。所述的非磁性腔體為圓柱體或棱柱體，外壁沿軸向方向設置有周向凹槽，用于安裝勵 磁線圈；或者還包括，所述的垂直質量塊和水平質量塊端面處設置有定位凸臺，所述的非磁性腔體內部端面 處設置有相對應的同軸的沉孔，垂直質量塊和水平質量塊通過非磁性腔體內部沉孔實現周 向定位；或者還包括，所述的非磁性內筒與非磁性壓蓋之間還設置有非磁性密封圈。 所述的磁性流體包括磁流體、磁性復合流體或磁流變體中的至少一種。 所述的二維磁性流體加速度傳感器，還包括外殼體，所述的非磁性腔體、磁性流體、 垂直質量塊、水平質量塊、檢測裝置或磁場控制裝置設置于外殼體內腔中，外殼體具體包 括外套筒、外端蓋，外套筒與外端蓋通過螺栓固定，所述的外端蓋上設有安裝支腳和/或安 裝孔，或者；所述的外殼體與非磁性腔體間設有隔離套，用于隔離磁場控制裝置與外部磁場的聯 系，抑制外界磁場干擾。由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明所述的一種二維磁性流體加速度傳感 器包括非磁性腔體、垂直質量塊、水平質量塊、檢測裝置與磁性流體，其中非磁性腔體是由非磁性材料構成的密閉容器；垂直質量塊沿垂直方向設于非磁性腔體中部，上下兩端面 與非磁性腔體的接觸面間設有檢測裝置，并在垂直質量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間保 持設定的預緊壓力；水平質量塊沿水平方向設于非磁性腔體中部，左右兩端面與非磁性腔 體的接觸面間設有檢測裝置，并在水平質量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間保持設定的預 緊壓力；且在非磁性腔體與垂直質量塊和水平質量塊形成的空腔中充滿磁性流體；檢測裝 置用于檢測垂直質量塊和水平質量塊與非磁性腔體之間壓力的變化，輸出加速度檢測結果 信號。具體可將一垂直質量塊、 一水平質量塊和四塊壓電元件放置于一非磁性材料組成的滿 磁性流體的非磁性腔體的內部，通過軸向非磁性壓蓋的周向定位作用，使垂直質量塊與非 磁性腔體保持同軸，通過側向非磁性壓蓋的定位作用，使水平質量塊與非磁性腔體軸線保 持垂直，在每個質量塊上設置定位軸肩，用于定位壓電元件，水平質量塊中部開圓柱通 孔，作為垂直質量塊的裝配孔，在裝配孔上預留裝配尺寸和工作尺寸，非磁性壓蓋除了起 到定位的作用，還提供了預緊力，當非磁性壓蓋鎖緊的時候，產生的預緊力將壓電元件和 質量塊壓緊，使壓電元件和質量塊在壓電元件的接觸面緊密接觸；當存在外界加速度時， 質量塊由于慣性作用，將對壓電元件產生拉伸或者壓縮的效果，通過檢測壓電元件的輸出 信號，即可確定質量塊的位移量，從而確定外界加速度的值，同時，質量塊還將受到磁性 流體的阻尼力作用，通過控制磁性流體的阻尼力，可以控制質量塊的位移量，從而實現檢 測量程范圍的改變。本發明結構上新穎，避免了傳統的懸臂梁結構，引入了交錯式雙質量塊結構和壓電元 件，水平質量塊的中部設置圓柱通孔，垂直質量塊貫穿通過水平質量塊的中部通孔，通過 預留工作尺寸，使得垂直質量塊能獨立在豎直方向移動而不會與水平質量塊發生干涉，壓 電元件通過質量塊上的定位軸肩進行定位，通過非磁性壓蓋提供的預緊力，使質量塊和壓 電元件緊密接觸， 一方面增強了所述加速度傳感器的靈敏度，另一方面有效增加了加速度 傳感器的剛度；當所述的加速度傳感器承受水平加速度時，水平質量塊由于慣性而發生水 平位移量，作為與水平質量塊相接觸的壓電元件的輸入量，使得輸入的水平加速度在壓電 元件上有了相應的輸出量；當所述的加速度傳感器承受豎直加速度時，垂直質量塊由于慣 性作用而發生豎直位移量，作為與垂直質量塊相接觸的壓電元件的輸入量，使得輸入的豎 直加速度在壓電元件上有了相應的輸出量；由于垂直質量塊與水平質量塊不會發生干涉， 因此，所述的加速度傳感器可以獨立檢測二維方向的輸入加速度；水平質量塊在除了中部之外的柱面外壁上均設置多凹槽結構，垂直質量塊整體外壁設置多凹槽結構，增大了質量 塊與磁性流體的有效接觸面積，確保質量塊在工作方向上感受磁性流體的阻尼力，控制質 量塊在工作方向的位移量；在質量塊的兩個端面上設置壓電元件，當輸入水平加速度時， 水平質量塊的一端壓電元件受壓、另一端壓電元件被放松，當輸入豎直加速度時，垂直質 量塊的一端壓電元件受壓、另一端壓電元件被放松，這種差動檢測方式可有效消除各種千 擾，提高了質量塊位移量檢測的準確度；另外本發明中利用磁性流體粘度可控性特點，通 過對勵磁線圈電流進行改變，改變施加在磁性流體上的磁場強度，達到控制磁性流體粘度 的目的，從而可以達到對加速度傳感器量程的控制，實現大量程的特點。具有檢測方向二 維性、大量程、量程可控性、高靈敏度、高可靠性、智能性、工作壽命長等特點。
圖1為本發明所述的二維磁性流體加速度傳感器的立體爆炸示意圖； 圖2為本發明所述的二維磁性流體加速度傳感器的結構示意圖；圖3為本發明所述的二維磁性流體加速度傳感器的局部裝配圖。
具體實施方式
本發明所述的一種二維磁性流體加速度傳感器包括非磁性腔體、垂直質量塊、水平 質量塊、檢測裝置與磁性流體，其中非磁性腔體是由非磁性材料構成的密閉容器；垂直質 量塊沿垂直方向設于非磁性腔體中部，上下兩端面與非磁性腔體的接觸面間設有檢測裝 置，并在垂直質量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間保持設定的預緊壓力；水平質量塊沿水 平方向設于非磁性腔體中部，左右兩端面與非磁性腔體的接觸面間設有檢測裝置，并在水 平質量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間保持設定的預緊壓力；且在非磁性腔體與垂直質量 塊和水平質量塊形成的空腔中充滿磁性流體；檢測裝置用于檢測垂直質量塊和水平質量塊 與非磁性腔體之間壓力的變化，輸出加速度檢測結果信號。具體可將一垂直質量塊、 一水平質量塊和四塊壓電元件放置于一非磁性材料組成的滿 磁性流體的非磁性腔體的內部，通過非磁性壓蓋的定位孔的定位作用，使垂直質量塊與非 磁性腔體保持同軸、水平質量塊的軸線與非磁性腔體的軸線垂直，水平質量塊的中部柱面 開圓柱通孔，作為垂直質量塊的裝配孔，垂直質量塊垂直通過水平質量塊上的裝配孔，并 通過非磁性內筒底部的定位孔進行定位，裝配孔預留裝配尺寸和工作尺寸，從而垂直質量塊與水平質量塊移動時不會發生干涉，兩者可獨立檢測各自工作方向的輸入加速度，實現 二維方向的加速度測量；壓電元件通過質量塊上的定位軸肩進行定位，非磁性壓蓋除了對 質量塊起到定位的作用，還提供了必要的預緊力，當非磁性壓蓋鎖緊的時候，產生的預緊 力將壓電元件和質量塊壓緊，使壓電元件和質量塊緊密接觸，用于增大所述加速度傳感器 的剛度，還能增大加速度傳感器的測量靈敏度；當存在外界加速度時，質量塊由于慣性作 用，對與之緊密接觸的壓電元件產生拉伸或者壓縮的效果當輸入水平加速度時，水平質 量塊的一端壓電元件受壓、另一端壓電元件被放松，當輸入豎直加速度時，垂直質量塊的 一端壓電元件受壓、另一端壓電元件被放松，這種差動檢測方式可有效消除各種干擾，通 過檢測對應壓電元件的輸出信號，可確定質量塊的位移量和方向，從而確定外界的二維加 速度的大小和方向，同時，水平質量塊在除了中部之外的柱面外壁上均設置多凹槽結構， 垂直質量塊整體外壁設置多凹槽結構，可有效增加質量塊與磁性流體的有效接觸面積，可 以確保各個質量塊在各自工作方向感受磁性流體的阻尼力，控制各個質量塊在各自工作方 向的位移量；通過控制勵磁線圈的輸入電流，可控制勵磁線圈的磁場，勵磁線圈的磁場可 改變磁性流體的粘度，磁性流體粘度的改變將改變磁性流體對質量塊的阻尼力，從而可控 制質量塊的位移量，實現加速度傳感器大量程檢測，還可動態控制量程范圍大小。本發明的具體實施方式
的結構如圖1與圖2所示，所述的加速度傳感器最基本的結構包 括非磁性腔體、磁性流體14、垂直質量塊13、水平質量塊12與檢測裝置，其中非磁性腔體為非磁性材料構成的密閉容器，內部充滿磁性流體14，非磁性腔體包括非磁性內筒11、軸向非磁性壓蓋3與側向非磁性壓蓋10。本例中的非磁性內筒11在軸向的一 端開方形口，在側面一端開一圓柱口，軸向開口處通過第一螺釘17安裝軸向非磁性壓蓋 3，側面開口處通過第二螺釘18安裝側向非磁性壓蓋10，鎖緊后組成密閉的非磁性腔體， 內部充滿磁性流體。有時在加工工藝允許的情況下，非磁性內筒11可以是兩端開口，開口 處各安裝一個軸向非磁性壓蓋3和外端蓋1組成非磁性腔體，內部充滿磁性流體14;同時， 為了更好地實現非磁性腔體的密閉(主要是磁性流體的密封)，所述的非磁性內筒11與軸 向非磁性壓蓋3、側向非磁性壓蓋10之間均設置非磁性密封圈6。本例中的非磁性腔體外壁沿軸向方向設置有周向凹槽，也就是非磁性內筒11的外壁沿 軸向方向設置有周向凹槽，用于安裝勵磁線圈9，在非磁性內筒11的端面沿軸向方向預留 壁厚，用于固定軸向非磁性壓蓋3，為了更好地防止外磁場干擾，在軸向非磁性壓蓋3與非 磁性內筒11的端面之間設置非磁性墊圈2。本例中的非磁性腔體為方柱形，也就是非磁性內筒11的形狀為方柱形，中間開方形空 腔體用于裝盛磁性流體14，其中一端面處預留安裝壁厚，用于固定軸向非磁性壓蓋3，安 裝端面超出方柱外壁的空間用于纏繞勵磁線圈9和安裝非磁性套筒8，在非磁性內筒11的底 部設置定位孔，用于定位垂直質量塊13，在非磁性內筒11的一個側面處設置圓柱通孔，與 之平行相對的另一個側面上設置同軸定位孔，用于定位水平質量塊12;當然，非磁性內筒 11也可以是棱柱形，棱柱筒的一端開口，中間開棱柱形空腔體用于裝盛磁性流體14，端面 沿軸向方向處預留壁厚，用于固定軸向非磁性壓蓋3，安裝端面超出棱柱外壁的空間用于纏 繞勵磁線圈9和安裝非磁性套筒8，非磁性內筒11底部設置定位孔，用于定位垂直質量塊 13,棱柱筒的一個側面開孔，孔口安裝一個側向非磁性壓蓋10，與開孔側面相平行的另一 個側面預留同軸定位孔，用于定位水平質量塊12。磁性流體14為磁流體、磁性復合流體或磁流變體等具備磁性的流體中的任何一種或是 其中任何幾種的組合。所述加速度傳感器的非磁性內筒11中充滿磁性流體14,水平質量塊 12和垂直質量塊13設置于磁性流體14中，受到磁性流體14的阻尼力作用。改變磁性流體 14的粘度，可以改變磁性流體14對水平質量塊12和垂直質量塊13的阻尼力大小，從而改變 水平質量塊12和垂直質量塊在各自工作方向的位移量。所述的檢測裝置包括一塊或者多塊壓電片通過串連方式或者并聯方式組成的壓電元件 4，壓電元件4設于垂直質量塊13和水平質量塊12與非磁性腔體之間，用于檢測垂直質量塊 13和水平質量塊12的位移量變化，輸出可供后續檢測電路檢測的信號。壓電元件4由石英晶體、壓電陶瓷、壓電薄膜或其他新型壓電材料等具備壓電效應的 材料構成。本例中的壓電元件4為圓柱薄片形，中心開通孔，通過質量塊的定位軸肩進行定 位，保證與質量塊的受力區域根據軸線對稱；當然，不排除壓電元件4為方形、棱形等其他 可替換的形狀。在性能足以得到保證的時候，可考慮將壓電元件4粘結在質量塊的定位軸肩 端面上，簡化安裝過程。當鎖緊非磁性壓蓋3時，壓電元件4受到預緊力的作用而與水平質 量塊12或垂直質量塊13在接觸端面上緊密接觸，保證壓電元件4能夠正常感應質量塊的位 移量。水平質量塊12與垂直質量塊13為高比重材料制成， 一般要求比重為14-19克/立方厘 米，水平質量塊12與垂直質量塊13可以為金屬如由鎢合金、銅鎢合金等高比重合金構成。 水平質量塊12與垂直質量塊13也可以為非金屬，只要滿足上述比重范圍即可。且所述的平 質量塊12與垂直質量塊13是圓柱體或棱柱體，且在水平質量塊12與垂直質量塊13周向設置有多道凹槽或葉片，用于增加與磁性流體的有效接觸面積。水平質量塊12為鎢合金、銅鎢合金等高比重合金構成，水平質量塊12兩端設置有定 位軸肩，用于定位壓電元件4，兩端設置定位軸(也稱定位凸臺)，通過非磁性內筒11底 部的定位孔(沉孔)和軸向非磁性壓蓋3上的定位孔(沉孔)進行定位，本例中的水平質量 塊12為圓柱體，在軸向的中部柱面上開圓柱通孔，通孔軸線與水平質量塊12的軸線垂直相 交，作為垂直質量塊13的裝配孔，圓柱通孔處預留裝配尺寸和工作尺寸，從而垂直質量塊 與水平質量塊移動時不會發生運動干涉；當然，水平質量塊12也可以是方柱體、棱柱體等 結構，可以實現同樣的功能。當鎖緊軸向非磁性壓蓋3時，產生的預緊力使得水平質量塊 12和壓電元件4緊密接觸，可以增大所述加速度傳感器的水平檢測方向的靈敏度，同時由 于壓電元件4的材料特性，能夠增大所述加速度傳感器的剛度；當存在外界水平加速度時， 水平質量塊12由于自身慣性的作用，輸出相應的位移量，由于壓電元件4與水平質量塊12 緊密接觸，水平質量塊12的位移量變成為壓電元件4的輸入量；水平質量塊12在除了中部 之外的柱面外壁上均設置多凹槽結構，用于增加水平質量塊12與磁性流體14的有效接觸面 積，可以在水平工作方向感受磁性流體14的阻尼力，當改變磁性流體14的粘度時，水平質 量塊12受到磁性流體14的阻尼力將發生變化，從而其輸出位移量也發生變化相同的水平 加速度輸入時，若增大磁性流體14的粘度，水平質量塊12受到磁性流體14的阻尼力將相對 增大，輸出位移量相對減小，此時所述的加速度傳感器適合測量數值比較大的水平輸入加 速度；若減小磁性流體14的粘度，水平質量塊12受到磁性流體14的阻尼力將相對減小，水 平質量塊12的輸出位移量相對增大，此時所述的加速度傳感器適合測量數值比較小的水平 輸入加速度。因此，通過控制磁性流體14的粘度，可以控制所述加速度傳感器檢測水平加 速度的量程范圍，同時，通過大幅度增大磁性流體14的粘度，所述加速度傳感器可實現水 平加速度的大量程測量。垂直質量塊13為鎢合金、銅鎢合金等高比重合金構成，垂直質量塊13兩端設置有 定位軸肩，用于定位壓電元件4，兩端設置定位軸(也稱定位凸臺)，通過非磁性內筒11 側面的定位孔(沉孔)和軸向非磁性壓蓋3上的定位孔(沉孔)進行定位，本例中的垂直質 量塊13為圓柱體，其周向尺寸滿足水平質量塊12上裝配孔的要求，兩者裝配好之后，水平 質量塊12有足夠的水平工作尺寸，確保水平質量塊12和垂直質量塊13獨立運動而不發生運 動干涉；當然，垂直質量塊13也可以是方柱體、棱柱體等結構。當鎖緊側向非磁性壓蓋3 時，產生的預緊力使得垂直質量塊13和壓電元件4緊密接觸，可以增大所述加速度傳感器的豎直檢測方向的靈敏度；當存在外界豎直加速度時，垂直質量塊13由于自身慣性的作用，輸出相應的位移量，由于壓電元件4與垂直質量塊13緊密接觸，垂直質量塊13的位移 量變成為壓電元件4的輸入量；垂直質量塊13在柱面外壁上設置多凹槽結構，用于增加垂 直質量塊13與磁性流體14的有效接觸面積，可以在豎直工作方向感受磁性流體14的阻尼 力，當改變磁性流體14的粘度時，垂直質量塊13受到磁性流體14的阻尼力將發生變化，從 而其輸出位移量也發生變化相同的豎直加速度輸入時，若增大磁性流體14的粘度，垂直 質量塊13受到磁性流體14的阻尼力將相對增大，輸出位移量相對減小，此時所述的加速度 傳感器適合測量數值比較大的豎直輸入加速度；若減小磁性流體14的粘度，垂直質量塊13 受到磁性流體14的阻尼力將相對減小，垂直質量塊13的輸出位移量相對增大，此時所述的 加速度傳感器適合測量數值比較小的豎直輸入加速度。因此，通過控制磁性流體14的粘 度，可以控制所述加速度傳感器檢測豎直加速度的量程范圍，同時，通過大幅度增大磁性 流體14的粘度，所述加速度傳感器可實現豎直加速度的大量程測量。為了更好地完成測量工作，在本例的基礎上所述的加速度傳感器還包括磁場控制裝 置，用于改變磁性流體的粘度，控制垂直質量塊和水平質量塊軸向的位移量，磁場控制裝 置具體包括勵磁線圈9，勵磁線圈9纏繞于非磁性腔體的外部，通過輸入電流產生均勻磁 場，改變磁性流體的粘度，控制垂直質量塊13和水平質量塊12軸向的位移量。勵磁線圈9設置于非磁性內筒11和非磁性套筒8之間，線圈纏繞在非磁性內筒11的凹 槽之上，保持與非磁性內筒11同軸；也可以設置同軸線圈固定套于非磁性內筒11上，勵磁 線圈9纏繞在線圈固定套中。勵磁線圈9用于在非磁性內筒11的內部產生均勻磁場，改變勵 磁線圈9的通電電流，可以改變非磁性內筒11內部的磁場增大勵磁線圈9的通電電流，將 增大非磁性內筒11內部的磁場；減小勵磁線圈9的通電電流，將減小非磁性內筒11內部的 磁場。非磁性套筒8、非磁性墊圈2和5、軸向非磁性壓蓋3、側向非磁性壓蓋10用于隔絕勵 磁線圈9產生的磁場和外界磁場之間的聯系，防止外磁場干擾。所述的加速度傳感器還包括外殼體，所述的非磁性腔體、磁性流體14、垂直質量塊13 和水平質量塊12、檢測裝置或磁場控制裝置設置于外殼體內腔中，外殼體具體包括外套筒 7、外端蓋1，外套筒7與外端蓋1通過第三螺釘14固定，所述的外端蓋1上設有安裝支腳15 和/或安裝孔16。另外，所述的外殼體與非磁性腔體間設有隔離套，用于隔離磁場控制裝置與外部磁場 的聯系，抑制外界磁場干擾。隔離套包括非磁性套筒8與非磁性墊圈5。所述的加速度傳感器還包括檢測控制裝置，用于根據檢測裝置輸出的加速度檢測結果 信號，控制勵磁線圈的輸入電流，從而控制勵磁線圈的內部磁場。本發明所述的加速度傳感器的工作原理如下如圖1與圖2所示，在非磁性內筒11中充滿了磁性流體14，在磁性流體14里，設置了 水平質量塊12和垂直質量塊13，裝配時，首先將水平質量塊12安裝在非磁性內筒11的側向 開孔處，并通過另一側面上的定位孔定位，鎖緊側向非磁性壓蓋10，使得水平質量塊12與 壓電元件4緊密接觸，然后將垂直質量塊13裝配于水平質量塊12上的裝配孔，并且通過非 磁性內筒11底部的定位孔定位，鎖緊軸向非磁性壓蓋3，使得垂直質量塊13與壓電元件4緊 密接觸，由于水平質量塊12上的裝配孔己預留工作尺寸，從而使得水平質量塊12和垂直質 量塊13之間可獨立運動而不發生運動干涉，由于水平質量塊12和垂直質量塊13在周向還設 置了多凹槽結構，增加質量塊與磁性流體14的有效接觸面積，使得它們分別在各自的工作 方向受到磁性流體14的阻尼力作用，由于軸向非磁性壓蓋3、側向非磁性壓蓋10與非磁性 內筒11之間設置了密封圈6，使得磁性流體14不會溢出；在非磁性內筒11的外壁沿軸向方 向設有軸向凹槽，勵磁線圈9設置于周向凹槽內，用于提供均勻的磁場，勵磁線圈9外部設 置了非磁性套筒8、軸向非磁性壓蓋3設置了非磁性墊圈2、外端蓋設置了非磁性墊圈5，用 于隔絕勵磁線圈9的磁場和外界磁場的聯系，防止外磁場干擾。當存在外界加速度時，質量塊由于自身慣性的作用，輸出相應的位移量，由于壓電元 件4與質量塊緊密接觸，質量塊的位移量便成為壓電元件4的輸入量當豎直加速度輸入 時，垂直質量塊13由于慣性作用而在豎直方向產生位移量，此時位于其一個端面的壓電元 件4被壓縮，位于另外一個端面的壓電元件4被放松，兩塊壓電元件4獲得的輸入位移量符 號相反，壓電元件4輸出相應的信號值，由于這兩塊壓電元件信號的符號相反，可通過差動 連接的方式將兩者的信號連接，然后進行檢測，這種差動檢測方式可以消除各種干擾，通 過檢測壓電元件4的輸出信號，可確定所述加速度傳感器輸入的豎直加速度，此時，即使水 平質量塊12在豎直方向有微小位移，但由于該位移與壓電元件4的接觸面平行，與之接觸 的壓電元件4也不會有信號輸出；當水平加速度輸入時，水平質量塊12由于慣性作用而在 水平方向產生位移量，此時位于其一個端面的壓電元件4被壓縮，位于另外一個端面的壓電 元件4被放松，通過檢測壓電元件4的輸出信號，可確定所述加速度傳感器輸入的水平加速 度，此時，即使垂直質量塊13在水平方向有微小位移，但由于該位移與壓電元件4的接觸 面平行，與之接觸的壓電元件4也不會有信號輸出。同時，由于水平質量塊12的裝配孔已預留了工作尺寸，使得水平質量塊12和垂直質量塊13可獨立在各自的工作方向運動，實現二維方向的加速度獨立檢測。通過控制勵磁線圈9的通電電流，改變產生的磁場大小，能改變磁性流體14的粘度， 由于水平質量塊12和垂直質量塊13都在各自的工作方向受到磁性流體14的阻尼力作用，因 此可改變兩質量塊受到的阻尼力作用，進而改變水平質量塊12和垂直質量塊13在各自工作 方向的位移量。在相同的外界加速度輸入時，改變勵磁線圈9的通電電流，改變磁性流體 14的粘度，即可改變兩質量塊的位移量，從而實現所屬加速度傳感器的量程可控性，同 時，由于設置了水平質量塊12和垂直質量塊13，獨立檢測各自工作方向的加速度輸入，而 且水平質量塊12和垂直質量塊13的外壁均設置了多凹槽結構，可獨立在各自工作方向感受 磁性流體14的阻尼力，因此可實現所屬加速度傳感器在二維方向的量程可控性；若大幅度 提高磁性流體14的粘度，在相同的外界加速度輸入時，質量塊的位移量將會降低。因此， 可以在二維方向實現大量程加速度的測量。若進一步將壓電元件4的輸出量以反饋的形式輸入到勵磁線圈9的控制電路，控制電路 可以自動根據壓電元件4的輸出量來調整勵磁線圈9的通電電流，則可實現所述加速度傳感 器的智能性。本例所述加速度傳感器結構中不再釆用傳統的懸臂梁工作方式，轉而引入了壓電元件 作為彈性元件，提高了所述加速度傳感器的測量靈敏度，在工作過程中彈性元件不再出現 彎曲、扭轉等物理變形，也提高了加速度傳感器的工作壽命和可靠性。因此本發明具有如下優點和有益效果1、 本發明結構上新穎，避免了傳統的懸臂梁結構，改變了質量塊的工作原理，是對 現有加速度傳感器原理上的創新；2、 本發明中采用了雙質量塊結構，改變了傳統一維壓電式加速度傳感器中采取的單 一質量塊與壓電元件接觸面相接觸的工作原理，水平質量塊和垂直質量塊獨立檢測各自工 作方向的輸入加速度，達到檢測二維方向輸入加速度的目的，從而實現了檢測方向的二維 性；3、 本發明中采用磁性流體粘度可控性特點，通過控制勵磁線圈的通電電流，改變施 加在磁性流體上的磁場強度，達到控制磁性流體粘度的目的，從而實現了加速度傳感器量程可控性；4、 本發明引入多凹槽質量塊和壓電元件，通過提高磁性流體的粘度，可以實現大量 程輸入加速度的檢測；5、 本發明中采取了壓電元件輸出信號的差動連接，能夠有效消除各種干擾，提高了 檢測準確度；6、 本發明消除了彈性元件在運動過程中產生彎曲、扭轉的彈性形變，提高了所述加 速度傳感器的工作可靠性；以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都 應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為 準。
權利要求
1. 一種二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，包括非磁性腔體、垂直質量塊、水平質量塊、檢測裝置與磁性流體，其中非磁性腔體由非磁性材料構成的密閉容器；垂直質量塊沿垂直方向設于非磁性腔體中部，上下兩端面與非磁性腔體的接觸面間設有檢測裝置，并在垂直質量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間保持設定的預緊壓力；水平質量塊沿水平方向設于非磁性腔體中部，左右兩端面與非磁性腔體的接觸面間設有檢測裝置，并在水平質量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間保持設定的預緊壓力；且在非磁性腔體與垂直質量塊和水平質量塊形成的空腔中充滿磁性流體；檢測裝置用于檢測垂直質量塊和水平質量塊與非磁性腔體之間壓力的變化，輸出加速度檢測結果信號。
2、 根據權利要求1所述的二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，還包括磁場控制 裝置，用于改變磁性流體的粘度，控制垂直質量塊和水平質量塊軸向的位移量，具體包 括勵磁線圈纏繞于非磁性腔體的外部，通過輸入電流產生均勻磁場，改變磁性流體的 粘度，控制垂直質量塊和水平質量塊軸向的位移量。
3、 根據權利要求2所述的二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，還包括檢測控制 裝置，用于根據檢測裝置輸出的加速度檢測結果信號，控制勵磁線圈的輸入電流，從而控 制勵磁線圈的內部磁場。
4、 根據權利要求1或2所述的二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，所述的檢測 裝置包括一塊或者多塊壓電片通過串連方式或者并聯方式組成的壓電元件，壓電元件設于 垂直質量塊和水平質量塊與非磁性腔體之間，用于檢測垂直質量塊和水平質量塊的位移量 變化，輸出可供后續檢測電路檢測的信號。
5、 根據權利要求1或2所述的二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，所述的垂直 質量塊或水平質量塊以高比重材料制成；且所述的垂直質量塊或水平質量塊是圓柱體或棱柱體，且在垂直質量塊或水平質量塊周向設置有多道凹槽或葉片，用于增加與磁性流體的 有效接觸面積。
6、 根據權利要求5所述的二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，所述的垂直質量塊中部設有水平方向的水平通孔，水平質量塊從水平通孔中穿過；或者，所述的水平質量塊中部設有垂直方向的垂直通孔，垂直質量塊從垂直通孔中穿過。
7、 根據權利要求1或2所述的二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，所述的非磁性腔體包括非磁性內筒與非磁性壓蓋，其中所述的非磁性內筒軸線垂直設置，且一端開口，開口處通過螺釘固定安裝一個軸向非 磁性壓蓋壓緊垂直質量塊，并且在非磁性內筒的側壁上設有一開孔，在開孔處通過螺釘固 定安裝一個側向非磁性壓蓋壓緊水平質量塊，組成非磁性腔體；并在垂直質量塊和水平質 量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間產生保持設定的預緊壓力；或者，所述的非磁性內筒軸線水平設置，且一端開口，開口處通過螺釘固定安裝一個軸向非 磁性壓蓋壓緊水平質量塊，并且在非磁性內筒的側壁上設有一開孔，在開孔處通過螺釘固 定安裝一個側向非磁性壓蓋壓緊垂直質量塊，組成非磁性腔體；并在垂直質量塊和水平質 量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間產生保持設定的預緊壓力；或者，所述的非磁性內筒軸線垂直設置，且兩端開口，兩端分別通過螺釘固定安裝一個軸向 非磁性壓蓋壓緊垂直質量塊，并且在非磁性內筒的側壁上設有一開孔，在開孔處通過螺釘 固定安裝一個側向非磁性壓蓋壓緊水平質量塊，組成非磁性腔體；并在垂直質量塊和水平 質量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間產生保持設定的預緊壓力；或者，所述的非磁性內筒軸線水平設置，且兩端開口，兩端分別通過螺釘固定安裝一個軸向 非磁性壓蓋壓緊水平質量塊，并且在非磁性內筒的側壁上設有一開孔，在開孔處通過螺釘 固定安裝一個側向非磁性壓蓋壓緊垂直質量塊，組成非磁性腔體；并在垂直質量塊和水平 質量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間產生保持設定的預緊壓力。
8、 根據權利要求7所述的二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，所述的非磁性腔 體為圓柱體或棱柱體，外壁沿軸向方向設置有周向凹槽，用于安裝勵磁線圈；或者還包 括，所述的垂直質量塊和水平質量塊端面處設置有定位凸臺，所述的非磁性腔體內部端面 處設置有相對應的同軸的沉孔，垂直質量塊和水平質量塊通過非磁性腔體內部沉孔實現周 向定位；或者還包括，所述的非磁性內筒與非磁性壓蓋之間還設置有非磁性密封圈。
9、 根據權利要求1或2所述的二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，所述的磁性 流體包括磁流體、磁性復合流體或磁流變體中的至少一種。
10、 根據權利要求1或2所述的二維磁性流體加速度傳感器，其特征在于，還包括外殼體，所述的非磁性腔體、磁性流體、垂直質量塊、水平質量塊、檢測裝置或磁場控制裝置 設置于外殼體內腔中，外殼體具體包括外套筒、外端蓋，外套筒與外端蓋通過螺栓固定， 所述的外端蓋上設有安裝支腳和/或安裝孔，或者；所述的外殼體與非磁性腔體間設有隔離套，用于隔離磁場控制裝置與外部磁場的聯 系，抑制外界磁場千擾。
全文摘要
本發明所述的一種二維磁性流體加速度傳感器包括非磁性腔體、垂直質量塊、水平質量塊、檢測裝置與磁性流體，其中非磁性腔體是由非磁性材料構成的密閉容器；垂直質量塊沿垂直方向設于非磁性腔體中部，上下兩端面與非磁性腔體的接觸面間設有檢測裝置，并在垂直質量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間保持設定的預緊壓力；水平質量塊沿水平方向設于非磁性腔體中部，左右兩端面與非磁性腔體的接觸面間設有檢測裝置，并在水平質量塊、檢測裝置與非磁性腔體之間保持設定的預緊壓力；且在非磁性腔體與垂直質量塊和水平質量塊形成的空腔中充滿磁性流體；檢測裝置用于檢測垂直質量塊和水平質量塊與非磁性腔體之間壓力的變化，輸出加速度檢測結果信號。可獨立檢測方向平行于任何一質量塊軸線的加速度。具有檢測方向二維性、大量程、量程可控性、高靈敏度、智能性、高可靠性、工作壽命長等特點。
文檔編號G01P15/08GK101246182SQ200710063990
公開日2008年8月20日 申請日期2007年2月15日 優先權日2007年2月15日
發明者劉桂雄, 晨 徐, 東 曹, 邱東勇 申請人:華南理工大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
