磁流體的性質(zhì)對壓差傳感器輸出性能的影響

郝瑞參，李德才，劉華剛，龔　雯

(1．北京電子科技職業(yè)學(xué)院機械工程學(xué)院，北京　100176；2．北京交通大學(xué)機械與電子控制工程學(xué)院，北京　100044)

0　引言

磁流體是近幾年國際上研究較熱門的新型功能材料之一，也是目前常溫下唯一存在的液態(tài)磁性材料。這種材料兼具有磁性和流動性，決定了它在很多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。壓差傳感器即是其有潛力的重要應(yīng)用之一[4-6]。

磁流體壓差傳感器屬于變介質(zhì)電感傳感器，其原理是通過改變磁流體在螺線管內(nèi)的體積分數(shù)來改變螺線管的電感參數(shù)及電路的輸出，從而實現(xiàn)被測量向可測量的轉(zhuǎn)化。其中，磁流體作為一種傳感介質(zhì)，其性能對壓差傳感器的輸出起著至關(guān)重要的作用。

磁流體的性質(zhì)由密度、黏度、磁化強度等參數(shù)來表征，文中即通過實驗測量磁流體各參數(shù)，并將磁流體應(yīng)用于壓差傳感器進行實驗，最終得出磁流體的密度、黏度和磁化強度等因素對磁流體壓差傳感器的靈敏度及響應(yīng)時間等參數(shù)的影響。

1　實驗前準備

將傳感器的輸入輸出公式[7]簡化后得磁流體壓差傳感器的輸出電壓與磁流體各參數(shù)之間的理論關(guān)系為

(1)

式中：Uo為最終測得的輸出電壓；Ui為輸入電壓；ρm和μm分別為磁流體的密度和磁導(dǎo)率；μ0為空氣磁導(dǎo)率；l為螺線管長度；Δp為輸入壓力差。

實驗時采用電源的輸出電壓峰峰值為22．6 V，頻率為25 kHz，磁場強度為100 Oe(1 Oe=79.578 A/m)。該實驗采用化學(xué)共沉淀法制備了4種不同的磁流體，供設(shè)計的磁流體壓差傳感器進行實驗。下面分3組進行實驗并分析磁流體各性能參數(shù)對傳感器輸出參數(shù)的影響。

2　磁流體密度對傳感器輸出參數(shù)的影響

利用化學(xué)共沉淀法制備4種不同密度的磁流體，表1為測得磁流體的密度值和黏度值。

表1　實驗用磁流體的密度和黏度

分別取以上4種磁流體作為傳感介質(zhì)進行實驗，得出磁流體壓差傳感器的靈敏度與磁流體密度之間的關(guān)系，如圖1所示。

圖1　壓差傳感器靈敏度與磁流體密度的關(guān)系

由圖1可見，隨著磁流體密度的增大，磁流體壓差傳感器靈敏度曲線先呈線性增加后趨于平緩。因此，通過增加磁流體密度而增加傳感器靈敏度的方法是有限的。這是由于磁流體的磁導(dǎo)率隨密度增大先迅速增加后又逐漸趨于恒定，導(dǎo)致傳感器的輸出隨著密度的增大先增加后趨于平緩。對于該實驗，選擇密度為1．2×103kg/m3的磁流體比較合適。

3　磁流體的黏度對傳感器輸出的影響

隨著磁流體內(nèi)部磁性顆粒濃度增大，磁流體磁化強度逐漸增大，但與此同時，磁流體的黏度也逐漸增加，進而影響傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性。因此，在磁流體的密度和磁化強度大到一定程度時，必須考慮磁流體的黏度對壓差傳感器輸出的影響。

當磁流體黏度不大時，在管道內(nèi)流動可作為無黏性不可壓縮流體處理，其層流狀態(tài)的運動可以用歐拉方程組[8]描述。當磁流體的黏度增大到不能忽略時，假設(shè)磁流體為均質(zhì)不可壓縮的各向同性牛頓流體，通過計算得到磁流體的管中流動速度分布式為

(2)

式中：u為磁流體在管道中某一點的流速；p為單位長度上的壓降；ηm為磁流體的黏度；r為液體中的一點在管道中的坐標；r0為管道半徑。

由式(2)可見，磁流體的黏度越大，流動速度越小，傳感器的動態(tài)響應(yīng)就越差?？梢姶帕黧w的黏度是影響磁流體壓差傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性的一個關(guān)鍵因素。 利用黏度儀測量所制備的實驗用磁流體，其黏度參數(shù)見表1。

通過實驗得出磁流體壓差傳感器的輸出響應(yīng)時間與磁流體黏度的關(guān)系，見圖2。

圖2　壓差傳感器響應(yīng)時間與磁流體黏度之間的關(guān)系

由圖2可見，隨著磁流體的黏度逐漸增大，磁流體壓差傳感器的動態(tài)響應(yīng)時間逐漸增大。因此，在進行磁流體壓差傳感器設(shè)計時，在保證其他參數(shù)正常的情況下，要盡量選擇黏度低的磁流體，以保證傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性。

4　磁流體的磁化強度對傳感器輸出的影響

磁流體最重要、最具特色的物理性質(zhì)就是它的磁化性能[9]，磁流體內(nèi)固體顆粒的磁化是磁疇旋轉(zhuǎn)造成的。磁流體的磁學(xué)性質(zhì)可用朗之萬的順磁性經(jīng)典理論來描述。磁流體的磁化曲線通過原點，沒有剩磁，沒有矯頑力，即Br、Hc均為0。圖3所示為實驗測量得到的4種磁流體的磁化曲線，均通過坐標原點，沒有磁滯現(xiàn)象。

圖3　實驗用磁流體的磁化曲線

圖4所示為實驗測得磁流體磁化強度對壓差傳感器靈敏度的影響曲線?？梢婇_始隨著磁流體磁化強度增加，磁導(dǎo)率增加，使壓差傳感器輸出電壓急劇上升；但是隨著磁流體的磁化強度逐漸趨于飽和，其密度卻還在繼續(xù)增大，從而導(dǎo)致壓差傳感器的輸出降低，靈敏度下降。

圖4　傳感器靈敏度與磁化強度的關(guān)系

5　結(jié)論

(1)雖然磁流體壓差傳感器的輸出與磁流體的密度成反比，但由于磁流體磁導(dǎo)率隨密度增大先迅速增加后又逐漸趨于恒定，導(dǎo)致傳感器的靈敏度隨著密度的增大先增加后趨于平緩。

(2)磁流體的管流速度與磁流體的黏度成反比，故磁流體壓差傳感器的動態(tài)響應(yīng)性能與磁流體的黏度成反比，即隨著磁流體黏度的增加，磁流體壓差傳感器的響應(yīng)時間會延長。

(3)磁流體壓差傳感器的靈敏度在一定范圍內(nèi)隨著磁流體的磁化強度增大而增大。磁流體的磁化強度增大，即磁流體磁導(dǎo)率增大，從而使壓差傳感器的輸出電壓增大?？梢姶帕黧w的磁化強度至關(guān)重要，對壓差傳感器的輸出性能影響最大。

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