新型磁性液体水平传感器理论与实验研究

This program plans to do research of level angle measurement from a brand-new point of view and using a new materials. As magnetic liquid being a new functional material which having both fluid flow and magnetic property, we take it as sensitive materials of the level angle sensor. The priciple is that magnetic liuid can induce the slight change of electric potential difference that caused by the level angle of magnetic liquid, so it can be used to measure the level angle. There are two parts in our program from theory and experiment research: Theoretically, we will study properties of magnetic liquid which may influence the level angle sensor such as viscosity and magnetization，coupling induction effects of the electric and magnetic fields, calculation of coil inductance as magnetic liquid being magnetic coil cores；Experimently, we will design electronic circuits to select and amplificate signals and then conversion to voltage, prepare magnetic liquid based on diesel oil used in the sensor, test different technical properties of level angle sensor, and study influence factors of magnetic liquid on reliability,static and dynamic state property of the level angle sensor. The level angle measurements have important and special appliocations, and the presented magnetic fluid level angle sensor have many advantages such as simple structure, high sensity, quick responsity, and low cost etc. However, the research of magnetic liquid level angle sensor in this program will have a significant and broad theorical value and application prospects in the aviation, aerospace, railway, oil exploitation and other fields while other nomal level angle sensors unsuited.

本课题拟从一个新的角度、采用新型敏感材料进行水平传感器的研究，该传感器的特点是以磁性液体作为感测介质，利用其兼具磁性与流动性的特性，将磁性液体表面水平倾角的变化转换为感应电势差，从而感测水平倾斜角度。为此本课题拟进行磁性液体水平传感器的理论与实验研究：在理论上，研究1）与磁性液体水平传感器有关的磁性液体性能，如粘度和磁化强度；2）磁场和流场的耦合效应；3）磁性液体作为线圈磁芯时线圈电感的计算。实验方面，设计1）传感器的信号采集与放大电路；2）制备适用于磁性液体水平传感器的柴油基磁性液体；3）对磁性液体水平传感器的技术性能参数进行测试；4）探索磁性液体对水平传感器的可靠性、静态性能和动态性能的影响规律。该传感器灵敏度、线性度高，结构简单，体积小，耐冲击，寿命长，有广泛的应用前景和很高的学术价值, 特别是其具有一般水平传感器所不具有的性能，在一些特殊场合如军事用途、勘探行业等有独特的应用。

本课题主要研究内容分为以下两大部分，分年度同时进行：.一、磁性液体的制备与性能研究。在前期建立的成熟工艺的基础上，制备了多种载液的磁性液体，包括柴油基、酯基、水基和氟醚油基等，分析了可能影响传感器性能的稳定性、粘度、磁化强度等特性，特别是对磁性液体的二阶浮力原理和磁粘效应进行了理论分析和实验研究，总结了适用于传感器的磁性液体及其特性。研究结果表明，磁性液体的性质对传感器性能的影响比较复杂，体现在：磁性液体的磁化强度和黏度是影响传感器性能尤其是灵敏度的重要参数，但它们的影响不具有一致性，而是相互制约，有一定的适用范围：1）一般情况下，磁化强度的影响大于黏度的影响，饱和磁化强度大于400Gs的磁性液体具有较好的传感器性能。2）流变性能直接影响了磁性液体的响应特征。黏度低有利于传感器的响应，但黏度过低又导致饱和磁化强度的下降。3）对于相同结构参数的倾角传感器，磁性液体的体积影响着最佳倾角测量范围，体积量越大，传感器的最佳倾角测量范围减小，但相应的灵敏度会增大。4）性能测试和筛选表明，相对机油基和煤油基磁性液体，酯基和柴油基磁性液体由于较好的综合性能而具有良好的传感器输出特性。.二、磁性液体水平传感器研究。在理论上，提出了一种电感式磁性液体水平传感器的模型，对所提出的模型进行了理论研究和仿真分析：理论推导了该模型中复合磁芯与回复力磁铁之间的回复力公式，给出了复合磁芯的下沉公式，计算了复合磁芯的位移与线圈电感变化之间的函数关系，推出了磁性液体水平传感器静态测量时的输入输出特性和动态测量时的二阶系统传递函数；在结构设计方面，针对磁性液体水平传感器的敏感元件和转换元件，提出了不同的设计模型，运用MATLAB软件对磁性液体水平传感器的尺寸参数进行了优化设计和仿真分析。在实验方面，搭建了相关实验台和传感器样机，设计了传感器的信号采集与放大电路，并对磁性液体水平传感器的技术性能参数进行测试，探讨了磁性液体对水平传感器的可靠性、静态性能和动态性能的影响规律。给出了永久磁铁之间回复力的线性拟合公式，确定了磁性液体水平传感器的最终量程范围，并探究了该传感器的线性度、灵敏度、精度、分辨率、迟滞、重复性和稳定性，同时对不同基载液的磁性液体对磁性液体微压差传感器动态输出特性的影响进行了实验研究，并将实验结果与仿真结果相比较，分析了理论值和实验值存在差异的原因。