Inertial ferrofluidic sensor for vibration, displacement and impulse measurement with a linear output signal

Abstract

The aim of the work is to develop the uniaxial ferrofluid sensor suitable for use either as an accelerometer for low-frequency vibrations or as a ballistic device or seismic sensor for shock loads. The goal is achieved by solving the following problems: development of a magnetic suspension system with a linear axial gradient of the magnetic field strength, calculation of the viscous friction force of the magnetic fluid filling the coaxial layer between the magnetic cylinder and the non-magnetic body wall, manufacturing of the sensor and its static and dynamic tests. The most significant result of the work is the experimental confirmation of the linearity of the electromechanical system of the sensor, corresponding to the model representations of a linear dissipative oscillating system with one degree of freedom. The significance of the obtained results lies in the appearance of cheap and simple linear inertial sensors. The principle of operation of the sensor is based on the registration of the motion of an inert mass deviating from the equilibrium position under the action of an external force to be measured. The inert mass, consisting of ring permanent magnets, levitates in a coaxial layer of magneto-fluid lubricant. The sensor, depending on its parameters, can measure either quasistatic force, or force impulse, or coordinate displacement, which is in demand in monitoring systems for critical structures and buildings, as well as in navigation systems for vehicles operating under conditions of small, slowly changing accelerations (microgravity).

Scopul lucrării este de a dezvolta un senzor ferofluid uniaxial adecvat pentru a fi utilizat fie ca accelerometru pentru vibrații de joasă frecvență, fie ca dispozitiv balistic sau senzor seismic pentru încărcări de șoc. Obiectivul este atins prin rezolvarea următoarelor probleme: dezvoltarea unui sistem de suspensie magnetică cu un gradient axial liniar al intensității câmpului magnetic; calcularea forței de frecare vâscoasă a fluidului magnetic care umple stratul coaxial dintre cilindrul magnetic și peretele corpului nemagnetic; fabricarea senzorului și testele sale statice și dinamice. Cel mai semnificativ rezultat al lucrării este confirmarea experimentală a liniarității sistemului electromecanic al senzorului, care corespunde reprezentărilor modelului unui sistem oscilant disipativ liniar cu un grad de libertate. Semnificația rezultatelor obținute constă în apariția unor senzori inerțiali liniari ieftini și simpli. Principiul de funcționare al senzorului se bazează pe înregistrarea mișcării unei mase inerte care se abate de la poziția de echilibru sub acțiunea unei forțe externe care trebuie măsurată. Masa inertă, formată din magneți permanenți inelari, levitează într-un strat coaxial de lubrifiant magneto-fluid. Senzorul, în funcție de parametrii săi, poate măsura fie forța cvasi-statică, fie impulsul forței, fie deplasarea coordonatelor, care este solicitată în sistemele de monitorizare pentru structuri și clădiri critice, precum și în sistemele de navigație pentru vehicule care funcționează în condiții de accelerații mici, care se modifică lent (microgravitație).

Целью работы является разработка одноосного инерционного магнитожидкостного регистрирующего прибора (датчика), пригодного к использованию либо в качестве акселерометра при низкочастотных вибрациях, либо баллистического прибора или сейсмодатчика при ударных нагрузках. Поставленная цель достигается за счёт решения следующих задач: разработка системы магнитного подвеса с линейным осевым градиентом напряжённости магнитного поля; расчёт силы вязкого трения магнитной жидкости, заполняющей коаксиальный слой между магнитным цилиндром и немагнитной стенкой корпуса; изготовление датчика и проведение его статических и динамических испытаний на вибростенде. Наиболее существенным результатом работы является экспериментальное подтверждение линейности электромеханической системы датчика, соответствующей модельным представлениям о линейной диссипативной колебательной системе с одной степенью свободы, что позволяет описывать работу датчика неоднородным линейным дифференциальным уравнением второго порядка. Значимость полученных результатов заключается в появлении дешёвых и технологически простых в изготовлении линейных инерционных магнито-жидкостных датчиков, способных измерять ударные и низкочастотные механические нагрузки. Принцип работы датчика основан на регистрации движения инертной массы, отклоняющейся от положения равновесия под действием внешней силы, подлежащей измерению. Измерительная подсистема датчика реализована в виде оптической схемы, что исключает её взаимодействие с телом и с системой магнитного подвеса посредством магнитного поля (распространённый недостаток ранних конструкций). Датчик обладает цилиндрической симметрией. Инертная масса, состоящая из кольцевых постоянных магнитов, левитирует в коаксиальном слое магнитожидкостной смазки. Датчик, в зависимости от его параметров, может измерять или квазистатическую силу (акселерометр), или импульс силы (баллистический датчик), или смещение по координате (сейсмодатчик), что востребовано в системах мониторинга ответственных конструкций и зданий, а также в системах навигации аппаратов, функционирующих в условиях малых, медленно меняющихся ускорений (микрогравитация).