磁性液体倾角传感器的实验研究

　　1　引　言

　　磁性液体是直径为纳米量级的磁性固体颗粒均匀分散到基载液中而形成的一种稳定胶状液体。作为一种新型的功能材料,磁性液体既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性,在磁场的作用下,呈现出许多普通液体所没有的特性。随着对它的物理性质和化学性质研究的日益深入,人们利用磁性液体在电气、机械、化学、物理和仪表等各个领域解决了过去的许多难题,设计和制造了许多全新的产品,推动了技术和生产的发展[1~6]。磁性液体的浮力原理是磁性液体静力学中最具吸引力的效应之一,包括一阶浮力原理和二阶浮力原理。一阶浮力原理是指磁性液体在磁场的作用下可以将比重比磁性液体大的非磁性物质悬浮起来;二阶浮力原理是指磁性液体可以将沉浸在其中的比重比磁性液体大的永久磁铁悬浮起来。文中利用磁性液体二阶浮力原理设计出一种新型的倾角传感器,并对其作了初步的实验研究。

　　2　工作机理及结构设计

　　2·1　磁性液体二阶浮力原理

　　常见的磁性液体为黑色,肉眼观测不出永久磁铁在其中的分布情况,所以我们用X射线透视照片来进行观察。实验用烧杯容积为140m,l盛有50ml的煤油基磁性液体(ρ=1·18 g/ml)。盘型永久磁铁采用铷铁硼永磁材料N38 (ρ=7·51 g/ml),外形尺寸为21mm×4mm。永久磁铁浸没在磁性液体中,其X射线透视照片如图1所示: (a)为侧视照片, (b)为俯视照片。由图可以看出,在重力存在的情况下,浸没在磁性液体中的盘型永久磁铁远离容器器壁,位于容器的中心并且稳定悬浮于密度比其小得多的磁性液体中,这就是磁性液体二阶浮力原理,也是设计磁性液体倾角传感器的理论基础。在这里,把磁性液体与周围非磁性媒介(空气)分开的容器底面及器壁起了很大的作用。当永久磁铁接近容器底面时,磁力线不易进入磁导率低的媒质而在底面上空压缩,这种压缩增大了永久磁铁下部的磁场梯度 H,磁性液体的磁体积力密度μ0M H也相应增大,永久磁铁受到向上的“浮力”增大[7]。当永久磁体所受“浮力”小于其重力时,永久磁铁继续下沉,“浮力”相应增大,直至与重力平衡。同样的原因,磁性液体中的永久磁铁也不易接近容器壁。最终的结果是永久磁铁将悬浮于磁性液体中。

　　2·2　传感器结构

　　磁性液体倾角传感器采用差动螺管型电感传感器结构,如图2所示。其中圆柱形有机玻璃管为螺管形电感传感器的“骨架”,磁性液体和永久磁铁用作“磁芯”,两组电感线圈Z1、Z2均匀对称地缠绕在“骨架”的两侧,匝数相等且同相串接,用于提供压差ΔU。当传感器处于水平位置时,由于玻璃管内注满磁性液体,根据磁性液体二阶浮力原理,永久磁铁在磁体积力的作用下,沿轴向悬浮在磁性液体中心位置而不与管壁接触,则两组自感线圈的电感L1、L2相等,自感电动势U1、U2相同,即压差ΔU=U1-U2=0;当传感器偏离水平位置发生倾斜时,玻璃管内的永久磁铁在重力的作用下,向低处偏移相当于磁芯发生移动,两组自感线圈的电感L1、L2不等,自感电动势U1、U2不同,即压差ΔU=U1-U2≠0。对于一定的倾斜角θ,相应地存在一个压差ΔU与之对应,所以通过检测压差ΔU就可测得倾斜角θ。