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專利名稱：用于測量材料的磁導率的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于推理估測的方法和裝置；更具體地，涉及用于確 定材料的磁導率的方法和裝置；并且最具體地，涉及利用這種測量控 制磁流變(MR)流體中的磁材料的濃度的方法和裝置。
背景技術：
MR流體是眾所周知的并且可以將其實際上定義為流體材料，該 流體材料的表觀粘度隨著流體暴露在磁場下而反增長。粘度的增加是 各向異性的，由于磁化粒子的纖維(fibrils)的形成，粘度在磁場的方 向上是最大的。該屬性在本領域中稱作"硬化"(stiffenening)，已經 在極高分辨率的成型、修整以及表面的拋光中獲得巨大的成功，特別 是光學元件，其中可以用高度精確和控制的方式來移除非常少量的材 料。在本技術領域中將該領域一般地稱作磁流變修整(MRF)。參見 例如美國專利號5，971，835; 6,746,310;以及6,893,322，它們的相關內容 以引用的方式并入本文中。
MRF技術中的問題是維持進入磁工作區中的MR流體的恒定磁 粒子濃度。通過從混合池抽取MR流體的傳輸系統向工作區供應MR 流體，使用過的MR流體從工作區傳送到混合池中用于混合和重使用。 典型地，由于蒸發，使用過的MR流體的載體(水)被消耗，并且使 用過的MR流體還被加熱，這兩個改變必須在可以重使用MR流體之 前校正。在沒有對由于蒸發而損失的水進行補充的情況下，在MRF 操作期間池中的MR流體的批量供應將逐漸增加粒子濃度。由于粒子濃度是控制從待修整基板上移除材料的速度的重要因素，因此這是不 受歡迎的操作條件。因此，在任意給定時間知道從池中供應的MR流 體中的粒子濃度并且向池中提供正確的水補充速度以替代由于使用中 蒸發導致的水損失是重要的，從而動態地將濃度保持恒定在目標值。
美國專利號5,554,932披露了一種用于測量樣品材料的飽和磁通 密度的系統。在圓柱形永久磁鐵的兩側對稱地設置第一和第二樣品支 架。環繞樣品支架放置線圈，并且旋轉該永久磁鐵。將由于磁材料不 在樣品支架中的一個中時在線圈中感生的信號施加至放大器/儀表，以 提供零(mill)信號。當將樣品放置在一個樣品支架中時，可以測量 飽和磁通密度。該披露的系統的缺點是機械設備是相對笨重的并且具 有關鍵的移動部件(永久磁鐵)。
美國專利號6,650,108披露了用于推理流動MR流體中的磁粒子 的濃度的系統。該系統是基于在阻抗測量中匯聚的電感測量，它具有 涉及高靈敏度電橋電路的相對復雜的技術。該披露的系統的缺點是分 辨率相對低。
于2007年3月2日提交的美國專利申請號11/681,258披露了簡 單、高分辨率裝置，該裝置用于連續地測量和監視混合池MR流體中 的磁粒子的濃度以在重使用池中MR流體用于修整之前允許受控制的 實時稀釋。該披露的系統的缺點是表觀濃度(磁導率)也是MR流體 的電導率的函數。
本領域需要的是簡單、高分辨率裝置，該裝置用于對輸出信號進 行混合池MR流體的流體電導率(fluid conductivity)的改變的連續補 償以在重使用池中MR流體用于修整之前允許進行受控制的實時稀 釋。
本發明的主要目標是在確定MR流體的粒子濃度時考慮到流體電 導率。

發明內容
在本發明的方法和裝置中簡要地描述了兩個電感共享相同的磁芯 部。優選地，將電感形成為主和次同心線圈。當向主線圈應用AC電壓時，在芯部中產生軸向的磁通，該磁通與芯部的磁導率的強度成正 比。接下來，由于互感效應，磁通在次線圈中感生AC電壓，該電壓 與源電壓同相。芯部的磁導率取決于樣品中的磁粒子的濃度(當"芯
部"是MR流體的樣品時)，并且因此可以從次電壓信號的幅度反計
算出磁粒子的濃度。
通過使用差分方法可以增加測量靈敏度和系統分辨率，該方法使 用兩個相同的線圈組或者線圈對，其中參考材料形成一個線圈組的磁
芯部，并且MR流體形成另一個線圈組的磁芯部。
由于液體導電芯部中的磁感生環形渦流生成與外部磁場相反的磁 場，可能影響該裝置的輸出信號。這種渦流的強度是MR流體的電導 率的函數，它可以隨著時間而改變，這是由于在MR流體的工作壽命 期間發生的化學過程(如氧化)。因此，當計算裝置的電壓輸出時必須 包括電導率項，并且必須在使用期間連續地測量MR流體的電導率。


通過閱讀下列描述以及附圖，本發明的前述和其它目的、特征以
及優點和它的當前優選實施例將變得更顯而易見，其中
圖I示出了用于測量磁導率的依照于本發明的系統的示例實施例
的示意圖，包括用于連續地測量電導率的設備在內；以及
圖2示出了MR流體修整機器中的示例實施例的應用的示意圖。
具體實施例方式
參見圖l，在依照于本發明的適用于測量磁芯部12的材料的磁導 率的系統10中，兩個電感(主線圈14和次線圈16)共享磁芯部12，該 磁芯部12是待測試的磁材料的樣品，如MR修整機器的池中的MR流 體。當向主線圈14應用AC電壓Vp時，在芯部12中依照于公式1產生軸 向磁通18:
<formula>formula see original document page 7</formula>其中P是芯部的磁導率，w是主線圈匝數，1是線圈長度，工P 是電流幅度，并且工p/^是均方根電流。
接下來，由于互感效應，依照于公式2，磁通18在次線圈16中感 生與源電壓同相的AC電壓Vs:
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中f是電流頻率，并且A是芯部i2的橫截面積。從公式l和 公式2，在次線圈16中生成的均方根電壓Vs由公式3給出
<formula>formula see original document page 8</formula>主線圈14作為與AC電壓源Vp相關的負載，并且次線圈作為與電 阻R2相關的源。同時，磁導率P取決于芯部12的磁性(magnetic
property)。接下來這些屬性取決于樣品中的磁粒子的濃度^ ，由公式 4給出
<formula>formula see original document page 8</formula>
當包括施加至主線圈的AC電壓在內的系統10的所有參數保持恒 定，磁芯部12中的磁粒子濃度的任何變化將遵循公式3而導致次線圈16 中的AC電壓Vs的正比改變。這樣做時，系統輸出信號遵循樣品磁粒子 濃度的變化。在一般情況中，可以如公式5所示來定義它
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中Jd, Jc2 ...是一些取決于系統幾何和系統電參數的恒定參數。 可以通過(預)設置不同的系統參數來操縱輸出信號的量級，如線圈 的匝數和幾何形狀、振蕩器的頻率和電壓、元件的阻抗、以及類似物。 系統10還可以包含溫度傳感器(圖中未示出)(如熱敏電阻)裝置以補 償由于溫度變化造成的電路阻抗的熱變化以及輸出信號中的改變，系統10還可以包括電子控制器，該電子控制器用于如圖2和下述所示處理
系統10的輸出、計算磁導率、并且控制池中的MR流體的補充。
同時，MR流體是微米大小的鐵和研磨粒子的水基懸浮液。為了 減緩粒子沉淀和腐蝕，該流體包含一些化學添加劑，該添加劑導致相 對高的流體pH值以及電導率。當在AC磁場中放置這種導電流體時， 導電材料中沿閉合環形路徑感生了渦流，該閉合環形路徑與引起感生 的外部磁場相垂直。該感生的渦流與引起感生的外部磁場中的變化相 反，并且作為結果，由該環形渦流產生的AC磁場可能減小較大的外部 AC磁場，并且因此減少該裝置的輸出信號。
此外，由于在MRF機器的流體壽命期間發生的化學過程(氧化)， 流體電導率可以隨著時間而變化，導致輸出信號的不穩定性以及隨后 在流體監視和材料移除速度上的誤差。
更甚的是，誤差的附加來源是流體電導率與鐵粒子的濃度的相關 性，它是本方法要測量的主要函數。
我們需要的是簡單、高分辨率設備，該設備用于對輸出信號進行 混合池MR流體的流體電導率的改變的連續補償，以在重使用池中MR
流體用于修整之前允許受控制的實時稀釋。
為此，連續地測量流體電導率。系統10包括設置在MR流體芯部 12中的兩個電極20、 22，該兩個電極20、 22位于主和次線圈14、 16的 相對端并且通過電阻R3與電壓源Ve (AC， IO,OOO赫茲以避免電極的極 化)連接。來自電阻R3的電壓與MR流體芯部12的電導率成正比，并 且可以在控制器中使用該電壓以計算和補償由于電導率的變化而導致 的電路阻抗中的電導率變化以及輸出信號中的改變。
在該情形中，可以將調整電導率輸出信號V^定義為公式5的變化，
其中添加電導率項
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中G是流體電導率。
次線圈中濃度和電壓Vs,之間的正確定量關系由使用已知磁粒子
濃度的樣品進行的校準來確定，該校準給出濃度的下列一般表達式<formula>formula see original document page 10</formula>
其中a和Jb是由校準定義的常量。
參見圖2，示出了依照于本發明的系統210的示例應用，該系統210 用于協助維持MR修整裝置200中的MR流體的磁粒子的恒定濃度。
正如用于MR修整裝置200的現有技術中眾所周知并且在并入的 引用文件中所更完整描述的，輪架230具有表面232 (最好是球型的)， 該表面232用于接收來自噴嘴236的處于非變硬狀態的MR流體的帶 234。表面232將帶234攜帶進入在表面232和待修整的間隔開的工件240 之間的工作區238。成形的磁極件(圖中未示出)在工作區238中產生 定向磁場，該定向磁場引起其中的MR流體變硬為接近堅硬的油灰 (putty)。變硬的MR流體還可以包含研磨劑(如氧化鈰)的非磁粒子， 當它通過工作區238時，以受控制的方式燒蝕(ablate)工件240的表面。 輪架表面232連續地向工作區238供應MR流體以及從工作區238移除 MR流體。刮刀242從輪架表面232移除使用過的不再變硬的MR流體， 并且將它經由抽氣泵244返回混合池246，其中將使用過的MR流體與 MR流體220的批量供應進行混合并且從此時由輸送泵248抽取混合的 MR流體220并且再一次經由非磁性管250供應給噴嘴236。
將互感傳感器219同心地放置在充滿流動的MR流體220的非磁性 管250的外面，該互感傳感器219配備有依照于本發朋的用于MR流體 電導率測量的裝置，并且如上所述由AC電源252來可控驅動。將來自 傳感器219的輸出信號254和255傳送給可編程控制器256，用依照于公 式1至7的算法和查找表來編程該可編程控制器256，并且該可編程控制 器256具有與目標濃度相對應的設定值，該可編程控制器256控制泵258 以受控制的流速向池246中分配補充水260，以補償當MR流體帶234在 使用期間暴露在輪架230上時從MR流體帶234中蒸發的水。在池246中 將補充水260與批量供應MR流體進行混合以將批量濃度稀釋為目標 值。從而，當從池246中抽取用于向工作區238供應時，將MR流體220 中的磁粒子濃度維持在目標濃度，提供了工件240的材料移除的穩定和 可預測速度。盡管已經通過不同具體實施例來描述本發明，應當理解可以在描 述的發明性概念的精神和范圍內進行大量的改動。因此，本發明預期 不受所述實施例的限制，而是將具有由附加權利要求的語言所定義的 全部范圍。
權利要求
1、一種用于確定材料的磁導率的系統，包括a)第一電感；b)第二電感；c)第一AC電壓源，與所述第一電感連接，以感生出環繞所述第一和第二電感以及所述材料的樣品的磁場；d)用于在所述第二電感中測量感生的AC電壓信號的裝置；以及e)第一和第二電極，浸入所述材料的所述樣品中并且與可變AC電壓源和電阻串聯，用于確定與材料的所述樣品的電導率成正比的電壓信號，將所述信號添加至所述第二電感的所述感生的AC電壓信號上，以提供經校正電導率后的感生的AC電壓信號指示所述樣品的磁導率。
2、 根據權利要求l所述的系統，其中所述第一電感是第一線圈， 所述第二電感是與所述第一線圈同軸的第二線圈，所述磁場在所述第 一和第二線圈中是軸向的，并且將所述材料的所述樣品設置在所述軸 向磁場中。
3、 根據權利要求2所述的系統，其中將所述第二線圈環繞所述第 一線圈纏繞。
4、 根據權利要求l所述的系統，其中所述材料是包括在液體載體 中散布的磁粒子的磁流變流體，并且其中所述磁導率與所述液體載體 中的磁粒子的濃度成正比。
5、 根據權利要求2所述的系統，其中所述系統是磁流變修整系統 的元件。
6、 一種用于確定材料的磁導率的方法，包括下列所述步驟a) 提供第一電感；b) 提供第二電感；c) 提供與所述第一電感連接的AC電壓源，以感生出環繞所述第 一和第二電感的磁場；d) 提供用于測量所述第二電感中的感生AC電壓的裝置；e) 提供用于測量所述材料的電導率的裝置；f) 將所述材料的樣品放置在所述磁場中；以及g) 確定所述感生的AC電壓經校正所述材料的電導率后的幅度， 其中所述感生的AC電壓經校正電導率后的幅度與所述材料的所述磁 導率成正比。
7、 根據權利要求6所述的方法，其中所述第一電感是第一線圈， 所述第二電感是與所述第一線圈同軸的第二線圈，所述磁場在所述第 一和第二線圈中是軸向的，并且將所述材料的所述樣品設置在所述軸 向磁場中。
8、 一種磁流變修整系統，包括a) 池，用于存儲批量供應的磁流變流體，當在所述系統中循環 使用磁流變流體時，所述池供應并且接收磁流變流體，其中所述磁流 變流體包括散布在載體流體中的磁粒子，并且其中在所述循環使用期 間所述載體流體中的所述粒子的濃度由于部分所述載體流體蒸發損失 而增加；b) 雙線圈互感傳感器，包括同軸纏繞的主線圈和次線圈，在所 述主線圈和次線圈內定義樣品空間，用于接收來自所述批量供應的所 述磁流變流體的樣品；c) 用于在所述主線圈上施加AC電壓的裝置；d) 用于發送來自所述次線圈的第一信號的裝置，所述第一信號 代表所述次線圈中感生的AC電壓的幅度，所述信號與所述樣品中的所 述載體流體中的所述磁粒子的所述濃度成正比；e) 用于確定所述磁流變流體的電導率并且用于發送指示所述電 導率的第二信號的裝置；f) 控制器裝置，對所述第一和第二信號做出響應并且具有已編程 裝置，所述己編程裝置用于處理所述第一和第二信號并且將作為結果 的信號與存儲的參考信號進行比較，所述參考信號指示散布在所述載 體流體中的所述磁粒子的目標濃度，并且所述已編程裝置用于計算補 充載體流體的流速，所述補充載體流體需要添加到所述池中以替代所 述蒸發損失，并從而將所述磁流變流體的所述批量供應維持在所述目標濃度上；以及g)分配裝置，對所述控制器裝置做出響應，用于以所述計算的 流速向所述批量供應分配所述補充載體流體。
全文摘要
本發明提供一種用于確定材料的磁導率的系統。兩個電感形成主和次同心線圈，共享公共的磁芯部空間。施加至所述主線圈的第一AC電壓在所述芯部中產生與所述材料的所述磁導率成正比的磁通。所述磁通在所述次線圈中感生AC電壓，所述AC電壓指示所述樣品的所述表觀磁導率。通過施加第二AC電壓和在所述材料中設置的第一和第二電極上串聯的電阻，對所述表觀磁導率進行電導率的校正。當所述材料是磁流變流體時，所述磁導率與所述樣品中的磁粒子的所述濃度成正比，并且可以從所述次電壓信號的所述幅度中反計算出所述磁導率。
文檔編號G01R33/12GK101622548SQ200880006869
公開日2010年1月6日 申請日期2008年2月27日 優先權日2007年3月2日
發明者威廉·科道斯基, 羅伯特·詹姆斯, 阿帕德·塞格拉斯 申請人:Qed國際科技公司