磁性液体惯性传感器的研究综述

李 强，杨永明，袁作彬

(湖北民族学院机械电子工程系，湖北恩施445000)

磁性液体通常是包裹了表面活性剂的磁性纳米颗粒稳定悬浮于基液中形成的胶体体系.磁性纳米颗粒通常有 γ－Fe2O3、MFe2O4(其中 M 为 Co、Mn、Ni、Ca 等二价金属)、Fe3O4等;表面活性剂通常选用油酸、亚麻酸、苯基十一烷酸等;基液通常选用水、脂及二脂、聚苯基醚、水银等.由于磁性液体既具有固体的磁性，又具有液体的流动性，从而开拓了固体磁性材料无法胜任的新的应用领域［1－3］.

磁性液体传感器是磁性液体众多应用中一个非常重要方面.机械系统采用磁性液体后，机械摩擦和静摩擦都近似为零，因此磁性液体惯性传感器在静态和低频响应领域中表现出优良的性能;而且除了磁性液体这项关键技术外，磁性液体传感器并不依靠其它的关键技术［4］.比具有相同精度的伺服加速度，磁性液体的传感器不但具有磁可控性、阻力小、灵敏度高、可靠性高等优点，而且还有更小尺寸、更低价格、更低能量损耗和无标定等优点［5］，所以新颖的磁性液体传感器引起了国内外广大学者的极大兴趣［6－17］.

具有独特性能的磁性液体传感器已经广泛用于航空航天以及国防军事领域，在很多非常苛刻的条件下，磁性液体传感器能够解决很多其他传感器不能解决的测试问题.1965年，美国学者Papell成功解决了宇航服可动部位的密封和火箭液体燃料在失重条件下的输运问题.1969年美国学者R.E.Rensweig提出采用磁性液体悬浮永磁体作为磁芯的加速度传感器结构［18－20］.1977年英国工程师 M.K.Russell等基于 R.E.Rensweig的传感器结构模型，成功实现并发展了磁性液体加速度传感器工作系统.随后罗马尼亚、日本、意大利、美国等学者在磁性液体传感器领域都做了大量研究工作，而国内磁性液体传感器的研究还属于起步阶段.本文根据磁性液体结构，按照传感器的磁芯类型介绍了国内外在磁性液体惯性传感器的研究进展.

1 磁性液体惯性传感器的结构

1995年M.I.Piso对磁性液体惯性传感器进行了更加系统的、科学的和详细的综述，根据磁性液体加速度传感器的结构特征，对各个部分采用的材料和结构进行了系统分析，对设计新型传感器提供了思路和启发［4，21］.

磁性液体传感器的结构通常包括以下部分:①外壳:外壳可采用非磁性物质作为外壳，也可磁屏蔽.②磁芯:磁芯部分可选用磁性液体、永磁体或非磁性物质，其中磁性液体用重力场、磁场或受压气体进行限制.③传感器或转换器.④阻尼器:阻尼器可由水、空气等介质和磁性液体共同组成.⑤弹性元件:弹性元件可选用通电线圈、磁性液体或永磁体.

2 磁性液体惯性传感器

磁性液体惯性传感器按照所采用的磁芯的材料(永磁体、磁性液体或者非磁性物质)，可以分为以下几种传感器:

2.1 磁芯为永磁体的加速度计

在充满磁性液体的圆柱形外壳中放置一块轴向磁化的圆柱形永磁体，由于磁性液体独特的二阶悬浮原理，圆柱形永磁体被稳定悬浮在圆柱形外壳的中心，如图1所示.当磁性液体传感器处于加速状态，永磁体的位置与加速度有函数关系.如果加速度是由振动产生，磁芯速度是线圈感应电流的函数;如果加速度是由斜坡产生，这个传感器的磁芯位置也将会被相应定位.AVCO公司生产一个具有高分辨力的典型加速度传感器结构，如图2所示，此类传感器结构简单，对外界磁场也非常敏感［20］.

图1 采用永磁铁和磁性液体的加速度传感器Fig.1 Accelerometer with magnet and ferrofluids

图2 AVCO加速度传感器Fig.2 AVCO accelerometer

采用铝包裹的钡铁氧体作为惯性质量、差动式电容电路、伺服补偿由外壳的两个线圈执行的单轴加速度传感器，如图3所示，这种传感器的静态灵敏度优于10－8g［4］.

2005年R.Olaru等对永磁体吸附磁性液体作为惯性质量的倾角传感器进行了研究，对传感器的磁芯位移与传感器的灵敏度之间的关系进行了理论模拟和实验研究［13］，模型结构如图4所示.在此模型的基础上，研究者将该模型用到磁性液体加速度传感器，对模型的参数进行了设计，并对该模型的传感器的性能进行了理论和实验研究［22－23］.

图3 静态高灵敏加速度计图Fig.3 Static high sensitivity accelerometer

图4 磁性液体倾角传感器Fig.4 Ferrofluid tilt sensor

2.2 磁芯为磁性液体的传感器

传感器的磁芯采用磁性液体，具有快速响应、防震、磁可控等优点，衍生出了各种类型的加速度传感器［24］.

重力场限制的磁性液体被加速时，U型管内产生了一个液面差，感应线圈会检测到一个与加速度相当的电感量，如图5所示，这种结构不但已经被发展成为一种二维传感器［4］，也可以发展成为流量传感器［25］，如图6所示.

图5 电感式磁性液体坡度计Fig.5 Inductive ferrofluid gradiometer

图6 电感式磁性液体流量计Fig.6 Inductive ferrofluid flowmeter

B.Ando等采用磁性液体小液滴的倾斜传感器模型进行了研究，如图7所示，管上的一组线圈能够检测到磁性液体小液滴的位置变化，输出电压与磁性液体小液滴位置成函数关系［26］.随后，B.Ando等将磁性液体小液滴设计成为陀螺仪［27］.近年来，B.Ando等又对磁性液体的Rosensweig效应进行了传感器设计，如图8所示，对此模型的流量传感器进行了研究［28－29］.

图7 磁性液体加速度计模型Fig.7 Model of ferrofluid accelerometer

图8 磁性液体流量计模型Fig.8 Model of ferrofluid flowmeter

重力场限制磁性液体的传感器适用于静态测量，永磁体限制相比重力限制能够提供更高的可靠性更适用于动态测量.如图9所示，传感器的磁芯采用磁性液体，被磁场限制的磁性液体形成了一个圆柱形，这类电感式传感器拥有很好的灵敏度和线性度，适用于振动提供加速度的环境中测量.在30Hz以下时，传感器的线性度低于百分之一.在0到1g的静态测试范围内，其分辨率优于0.001g.一种基于此原理发展出来的三维传感器拥有相似的性能［4］.

在重力场或加速度下，被永磁体定位的磁性液体能够产生相应大小的形变量，如图10所示，当加速度传感器被加速或倾斜时，差动式电感线圈能检测磁性液体的形变引起的介质磁导率变化［30］.

图9 磁场限制的磁性液体加速度传感器Fig.9 Confined ferrofluid accelerometer of magnetic field

2.3 非磁性磁芯的传感器

采用非磁性材料作磁芯的传感器，具有响应快、灵敏度高和精度高等优点.利用了磁性液体的一阶悬浮力原理，加速度传感器的磁芯可采用非磁性物质，这类加速度传感器具有高灵敏度和高精度的优点，可用于检测沿着振动方向的振动，如图 11 所示，1、2 为非磁性物质，3 为磁性液体，4、5、6 为永磁体［4，21］.

图10 磁性液体加速度传感器结构示意图Fig.10 Structure diagram of ferrofluid accelerometer

图11 非磁性质量的单轴加速度计Fig.11 Uniaxial accelerometer with nonmagnetic mass

利用了磁性液体的一阶悬浮力原理，1999年M.I.Piso提出了一种惯性质量采用铝圆柱体的二维加速度传感器，如图12所示，径向充磁的永磁体和容器同心固定，圆柱容器中充满磁性液体.圆柱壳的末端线圈给传感器提供伺服磁场.传感器的响应时间优于 30ms，灵敏度优于 10－6m/s2［4，21］.

1999年罗马尼亚学者M.I.Piso提出了由15mm立方棱含有磁性液体柱，磁性液体被环状永磁体限制和线圈控制的一种小型的三维加速度传感器结构，如图13所示［4，21］.

图12 双轴非磁性体作为惯性质量的加速度传感器Fig.12 Biaxial accelerometer accelerometer with nonmagnetic mass

图13 三维加速度传感器Fig.13 Triaxial accelerometer

在2012年R.Olaru等和Ji－Hoon Lee等分别对非磁性被外加磁场的磁性液体悬浮类型的传感器进行了研究［31－32］.

图14 非磁性盘悬浮模型Fig.14 Model of nonmagnetic disc

图15 磁性液体位置传感器Fig.15 Ferrofluid position sensor

总之，采用被磁性液体悬浮的永磁体为磁芯的惯性传感器具有简单、可靠、低能量损耗等优点;采用磁性液体为磁芯的惯性传感器具有响应快、抗冲击性、容易定位和可控等优点;采用非磁性物质的惯性传感器更灵敏、容易定位和控制等优点.采用磁性液体和非磁性物质的传感器比起采用永磁体的传感器更能够被外加磁场所点位和控制，采用永磁体为磁芯的传感器更简单.这三类传感器各有优点，适用于相应的领域，发挥了独特的作用.

3 结语

国际上已经对磁性液体惯性传感器展开了深入研究，各国学者对磁性液体惯性传感器的模型、结构参数、优化设计、静动态特性进行了大量研究，得出了非常有价值的结论;国内对磁性液体惯性传感器的研究处于起步阶段.将传感器应用到各种新型传感器上，解决更多特殊、复杂、高精度、恶劣条件下的测试问题，必将产生很大的社会效益和经济效益，也将成为磁性液体应用热点和难点.

［1］ Rosensweig R E.Ferrohydrodynamics［M］.New York:Cambridge University Press，1985.

［2］ 李德才.磁性液体理论及应用［M］.北京:科技出版社，2003.

［3］ 李建，赵保刚.磁性液体—基础与应用［M］.重庆:西南师范大学出版社，2002.

［4］ Piso M I.Magnetofluidic inertial sensors［J］.Romanian reports in physics，1995，47:437－454.

［5］ Ju D Y，Tabata K.Development and optimization of disign of an acceleration sensor using Ferrofluid［J］.Sensors and materials，2008，20:409－416.

［6］ Anton I，Sabata I D，Vekas.Application orientated researches on magnetic fluids［J］.Journal of magnetism and magnetic materials，1990，85:219－226.

［7］ Popplewell J.Technological applications of ferrofluids［J］.Physics in technology，1984，15:150－156.

［8］ Nakatsuka K.Trands of magnetic fluid applications in Japan［J］.Journal of magnetism and magnetic materials，1993，122:387－394.

［9］ Raj K，Moskowitz B，Casciari R.Advances in ferrofluid technology［J］.Journal of magnetism and magnetic materials，1995，149:174－180.

［10］ Raj K，Moskowitz R.Commercial applications of ferrofluids［J］.Journal of magnetism and magnetic materials，1990，85:233－245.

［11］ Kaiser R，Miskolczy G.Some applications of ferrofluid magnetic colloids［J］.IEEE Transactions on magnetics，1970，6:694－698.

［12］ Bailey R L.Lesser known applications of ferrofluids［J］.Journal of magnetism and magnetic materials，1983，39:178－182.

［13］ Olaru R，.Dragoi D D.Inductive tilt sensor with magnets and magnetic fluid［J］.Sensors and actuators A:Physical，2005，120:424－428.

［14］ 何新智，李德才.磁性液体在传感器中应用［J］.电子测量与仪器学报，2009，23:108－114.

［15］ 廖平，李德才，崔海蓉，等.磁性液体加速度传感器初步研究［J］.功能材料，2004，35:573－576.

［16］ 曹东.可实现宽量程的磁流体惯性传感器基础理论研究［D］.广州:华南理工大学，2007.

［17］ 李强.一种新型磁性液体加速度传感器的设计及实验研究［D］.北京:北京交通大学，2012.

［18］ Rosensweig R E.Buoyancy and stable levitation of a magnetic body immersed in a magnetizable fluid［J］.Nature，1966，5036:613－614.

［19］ Rosensweig R E.Phenomena and relationships of magnetic fluid bearings［M］//Thermomechanics of magnetic fluids:Theory and applications，Italy，1978:231－253.

［20］ Rosensweig R E.Fluid Dynamics and Science of Magnetic Liquids［M］//L Marton(Ed)Advances in electronics and electron physics，Academic Press Inc，1979:103－195.

［21］ Piso M I.Applications of magnetic fluids for inertial sensors［J］.Journal of magnetism and magnetic materials，1999，201:380－384.

［22］ Li Q，Li D C，He X Z，et al.Experimental study on output voltage of A new magnetic fluid acceleration sensor［J］.Journal of optoelectronics and advanced materials，2011，13:1251－1257.

［23］ Li Q，Li D C，Huang Y，et al.Design and output characterization of ferrofluid acceleration sensor［J］.Advanced science letters，2012，6:101－106.

［24］ Ando B，Ascia A，Baglio S，et al.Magnetic fluids and their use in transducers［M］//IEEE Instrumentation and measurement magazine，2006:44－47.

［25］ Hao R C，Li D C.Theoretical and experimental study on magnetic－fluid－based flow sensors［J］.Chinese science bulletin，2011，56:1844－1847.

［26］ Ando B，Aiasc A，Baglio S，et al.A novel ferrofluidic inclinometer［J］.IEEE Transactions on instrumentation and measurement，2007，56:1114－1123.

［27］ Ando B，Baglio S，Beninato A.Behavior analysis of ferrofluidic gyroscope performances［J］.Sensors and actuators A:Physical，2010，162:348－354.

［28］ Ando B，Ascia A，Baglio S，et al.A ferrofluidic inertial sensor exploiting the rosensweig effect［J］.IEEE Transactions on instrumentation and measurement，2010，59:1471－1476.

［29］ Ando B，Baglio S，Beninato A.A flow sensor exploiting magnetic fluids，sensors and actuators A［J］.Physical，2013，189:17－23.

［30］ Molho P，Ferrofluids P.Magnetism:materials and applications［M］.Boston:Springer science+Business media，Inc，2005:337－351.

［31］ Lee J，Nam Y，Park M.Magnetic fluid actuator based on passive levitation phenomenon［J］.Journal of intelligent materials systems and structures，2011，22:283－290.

［32］ Olaru R，Petrescu C，Hertanu R.A novel double－actuator based on ferrofluid and permanent magnets［J］.Journal of intelligent materials systems and structures，2012，23:1623－1630.