CN103760616A - 磁流体复合物重力梯度仪 - Google Patents

Abstract

一种磁流体复合物重力梯度仪，在外壳体内同轴的设置有内壁形成有三个阶段的阶梯孔的内壳体，内壳体内有相互对接的下中心定位件和上中心定位件，其与外壳体和内壳体同轴并与敏感轴重合，内壳体底部嵌入有下永磁体和下永磁体固定件，内壳体的中部嵌入有流体通道壳体，位于流体通道壳体内的下中心定位件和上中心定位件的外侧套有中部永磁体，流体通道壳体的上端口盖有流体通道端盖，内壳体的上端口盖有壳体端盖，内壳体端盖内嵌入上永磁体和上永磁体固定件，内壳体的侧壁上插有四个内电极，外壳体端盖上设置有四个外电极，流体通道壳体内设置有由金属材料构成的悬浮件和微位移传感器。本发明体积小、可靠性、强度高、寿命长，可以在强冲击等极其恶劣的环境下稳定工作。

Description

磁流体复合物重力梯度仪

技术领域

本发明涉及一种重力梯度仪。特别是涉及一种利用了磁流体复合物独特的电磁属性和机械流变特点的磁流体复合物重力梯度仪。

背景技术

地球***物质分布及其运移的丰富信息全都包含于地球时变和空变重力场中，这是各种环境变化导致地球动力学特征最基本、最直接和最重要的物理量之一。在一个直线加速度场中通过测量两点间的加速度之差来测量重力的变化，即重力梯度。通过对重力梯度的空间积分就可以还原重力场。相对于直接测量重力的手段，能够大大提高其空间分辨率。

在惯性导航中，为了区分载体运动的惯性加速度和重力加速度，惯性导航仪器必须有重力场的数学模型。然而现有***仅是利用简单椭球模型来描述重力场，局部地区会有部分误差。重力梯度仪已成为人类社会不可缺少的部分。它不但在地球物理、地质科学、海洋学等科学研究方面开拓了新视野，而且为现代地球科学解决人类面临的资源、环境和灾害等紧迫课题提供重要的基础信息，同时在资源勘探、导航和定位、国防建设和军事应用等领域发挥不可替代的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够减少惯性导航***的测量误差，具有高精度、低成本、长寿命和体积小特点的磁流体复合物重力梯度仪。

本发明所采用的技术方案是：一种磁流体复合物重力梯度仪，包括有外壳体和盖在外壳体上端口上的外壳体端盖，所述的外壳体内同轴的设置有内壁形成有三个阶段的阶梯孔的内壳体，所述的内壳体内由底面至上设置有相互对接的下中心定位件和上中心定位件，所述的下中心定位件和上中心定位件与所外壳体和内壳体同轴并与敏感轴重合，所述的内壳体的底部阶梯孔内嵌入有套在下中心定位件外侧的下永磁体和位于下永磁体上面且套在下中心定位件外侧的下永磁体固定件，所述的内壳体的中部阶梯孔内嵌入有流体通道壳体，所述流体通道壳体的底面套在下中心定位件外侧，位于所述的流体通道壳体内的下中心定位件和上中心定位件的外侧套有中部永磁体，所述的流体通道壳体的上端口盖有套在所述的上中心定位件的外侧并能够固定所述中部永磁体和密封流体通道壳体的流体通道端盖，所述的内壳体的上端口阶梯孔内嵌入有能够固定上中心定位件的内壳体端盖，所述的内壳体端盖的内部嵌入有套在上中心定位件外侧的上永磁体，以及位于上永磁体和流体通道端盖之间的上永磁体固定件，所述的内壳体的侧壁上从上端口等间隔的插有四个内电极，所述的四个内电极的底端连接径向***内壳体侧壁内的电极销，所述的外壳体端盖上设置有四个外电极，所述的流体通道壳体内设置有由金属材料构成的悬浮件和微位移传感器。

所述的外壳体度部设置有用于与载体固定连接的外壳体螺纹孔。

所述的外壳体端盖与所述的内壳体端盖之间形成有分别连接所述的四个内电极、四个外电极和微位移传感器的电路板安装腔。

所述的流体通道壳体内设置有四个悬浮件，每相邻两个悬浮件之间设置有一个微位移传感器，每相邻的悬浮件和微位移传感器之间设置有绝缘层，所述的流体通道壳体内填充有磁流体复合物。

所述的磁流体复合物是由半径为100～5000nm的非磁性固体颗粒构成的复合胶体溶液。

所述的流体通道壳体的侧壁上形成有用于***微位移传感器的***孔。

所述的下永磁体和上永磁体是用于提供轴向磁场使悬浮件在磁流体复合物中悬浮的环形永磁体，所述的下永磁体和上永磁体的轴线与敏感轴重合，其中，所述的下永磁体与所述的下中心定位件为间隙配合，所述的上永磁体与所述的上中心定位件为间隙配合。

所述的中部永磁体是用于定位悬浮件中心位置的空心圆柱体，所述中部永磁体的轴线与上中心定位件和下中心定位件的中轴线重合。

所述的上永磁体固定件与内壳体端盖为过盈配合，与上中心定位件为间隙配合，所述的下永磁体固定件与流体通道壳体为过盈配合，与下中心定位件为间隙配合。

所述的内壳体端盖与所述的内壳体为螺纹连接，所述的流体通道端盖与所述的流体通道壳体为螺纹连接。

本发明的磁流体复合物重力梯度仪，具有如下有益效果：

1、本发明结构新颖，没有固体移动部件，不存在机械磨损，因此具有高可靠性、高强度、长寿命的特点；

2、本发明中采用的环形流体通道结构极大降低了对振动加速度和交轴角速度的敏感，因此可以在强冲击等极其恶劣的环境下稳定工作；

3、本发明具有高精度、小型化、低成本的特点，同时还具有较好的移植性，适合于卫星、飞机等应用场合。

4、本发明体积可以做到mm量级就可以得到足够的输出，因此本发明可以做到小体积、小重量。

附图说明

图1是本发明的磁流体复合物重力梯度仪的主视图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是本发明重要部件的分解结构示意图。

图中

1：敏感轴          2：外电极

3：电路板安装腔    4：紧固螺钉

5：上永磁体固定件  6：上中心定位件

7：内壳体          8：内电极

9：下流体通道      10：中部永磁体

11：流体通道壳体   12：外壳体螺纹孔

13：下中心定位件   14：下永磁体

15：下永磁体固定件 16：电极销

17：外壳体         18：微位移传感器

19：上流体通道     20：流体通道端盖

21：内壳体端盖     22：上永磁体

23：外壳体端盖     24：绝缘层

25：悬浮件         26：***孔

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的磁流体复合物重力梯度仪做出详细说明。

如图1、图3所示，本发明的磁流体复合物重力梯度仪，包括有外壳体17和盖在外壳体17上端口上的外壳体端盖23，所述的外壳体17底部设置有用于与载体固定连接的外壳体螺纹孔12。所述的外壳体17内同轴的设置有内壁形成有三个阶段的阶梯孔的内壳体7，所述的内壳体7内由底面至上设置有相互对接的下中心定位件13和上中心定位件6，所述的下中心定位件13和上中心定位件6与所外壳体17和内壳体7同轴并与敏感轴1重合，所述的内壳体7的底部阶梯孔内嵌入有套在下中心定位件13外侧的下永磁体14和位于下永磁体14上面且套在下中心定位件13外侧的下永磁体固定件15，所述的内壳体7的中部阶梯孔内嵌入有流体通道壳体11，所述流体通道壳体11的底面套在下中心定位件13外侧，位于所述的流体通道壳体11内的下中心定位件13和上中心定位件6的外侧套有中部永磁体10，所述的流体通道壳体11的上端口盖有套在所述的上中心定位件6的外侧并能够固定所述中部永磁体10和密封流体通道壳体11的流体通道端盖20，所述的流体通道端盖20与所述的流体通道壳体11为螺纹连接。所述的内壳体7的上端口阶梯孔内嵌入有能够固定上中心定位件6的内壳体端盖21，所述的内壳体端盖21与所述的内壳体7为螺纹连接，所述的内壳体端盖21的内部嵌入有套在上中心定位件6外侧的上永磁体22，以及位于上永磁体22和流体通道端盖20之间的上永磁体固定件5，所述的内壳体7的侧壁上从上端口等间隔的插有四个内电极8，所述的四个内电极8的底端连接径向***内壳体7侧壁内的电极销16，所述的外壳体端盖23上设置有四个外电极2，所述的流体通道壳体11内设置有由金属材料构成的悬浮件25和微位移传感器18。

所述的外壳体端盖23与所述的内壳体端盖21之间形成有分别连接所述的四个内电极8、四个外电极2和微位移传感器18的电路板安装腔3。

如图1、图2、图3所示，所述的流体通道壳体11内设置有四个悬浮件25，每相邻两个悬浮件25之间设置有一个微位移传感器18，每相邻的悬浮件25和微位移传感器18之间设置有绝缘层24，所述的流体通道壳体11内填充有磁流体复合物。所述的磁流体复合物是由半径为100～5000nm的非磁性固体颗粒构成的复合胶体溶液。所述的流体通道壳体11的侧壁上形成有用于***微位移传感器18的***孔26。

所述的绝缘层24分别与微位移传感器18、悬浮件25通过环氧树脂粘连。绝缘层24材料应选用抗冲击、高硬度且化学性质稳定的绝缘材料，作为一种优选实施方式选用聚碳酸酯。微位移传感器18可以为电容式、电感式和光纤式等，作为一种优选实施方式选用电容式。

悬浮件25应选用金属非磁性材料，作为一种优选实施方式选用铝。通过下永磁体14和上永磁体22提供的轴向磁场，以及流体通道腔中磁流体复合物的作用，产生一阶悬浮效应，悬浮件25在流体通道腔内悬浮于磁流体复合物中。上中心定位件6、下中心定位件13和永磁体10起到中心定位悬浮件25的作用。

所述的下永磁体14和上永磁体22是用于提供轴向磁场使悬浮件25在磁流体复合物中悬浮的环形永磁体，所述的下永磁体14和上永磁体22的轴线与敏感轴1重合，其中，所述的下永磁体14与所述的下中心定位件13为间隙配合，所述的上永磁体22与所述的上中心定位件6为间隙配合。所述的中部永磁体10是用于定位悬浮件25中心位置的空心圆柱体，所述中部永磁体10的轴线与上中心定位件6和下中心定位件13的中轴线重合。

所述的上永磁体固定件5和所述的永磁体固定件15选用抗冲击、高硬度且化学性质稳定的绝缘材料，其中所述的上永磁体固定件5与内壳体端盖21为过盈配合，与上中心定位件6为间隙配合，所述的永磁体固定件15与流体通道壳体11为过盈配合，与下中心定位件13为间隙配合。

在上述的结构中，外壳体17外形为圆柱体，其材料应选用具有高饱和磁通密度的金属材料，可选择铁钴合金或铁镍合金，避免壳体内部受到外界电磁干扰影响，配合中部永磁体10、下永磁体14和上永磁体22构成闭合磁路。外壳体底部形成的外壳体螺纹孔12，方便将磁流体复合物重力梯度仪固定在被测载体上，其对称轴与敏感轴1重合。

内壳体7外形为圆柱体，材料应选用抗冲击、高硬度且化学性质稳定的绝缘材料，作为一种优选实施方式选用聚碳酸酯。

流体通道壳体11外形为圆柱体，材料应选用耐腐蚀绝缘材料，作为一种优选实施方式选用环氧树脂。

下永磁体14置于内壳体7的底部，其材料应选用可以提供强磁场的永磁材料，作为一种优选实施方式选用钕铁硼。下永磁体14的形状为环形，其轴线与敏感轴1重合，上下分别由下永磁体固定件15和流体通道壳体11定位。

上永磁体22材料应选用可以提供强磁场的永磁材料，作为一种优选实施方式选用钕铁硼。上永磁体22的形状为环形，其轴线与敏感轴1重合，上下分别由流体通道端盖20和永上磁体固定件5定位。

中部永磁体10介于流体通道壳体11和流体通道端盖20之间，其材料应选用可以提供强磁场的永磁材料，作为一种优选实施方式选用钕铁硼。永磁体10外形为空心圆柱体，其中轴线与上中心定位件6、下中心定位件13的中轴线重合，上下分别由流体通道端盖20和流体通道壳体11定位。

上永磁体固定件5介于上永磁体22和流体通道端盖10之间，为固定上永磁体22，与内壳体端盖21过盈配合，与上中心定位件6间隙配合。通过与上中心定位件6轴肩的紧压，定位上中心定位件6的位置。其材料应选用抗冲击、高硬度且化学性质稳定的绝缘材料，作为一种优选实施方式选用聚碳酸酯。

下永磁体固定件15介于下永磁体14和流体通道壳体11之间，为固定下永磁体14，与流体通道壳体11过盈配合，与下中心定位件13间隙配合。通过与下中心定位件13轴肩的紧压，定位下中心定位件13的位置。材料应选用抗冲击、高硬度且化学性质稳定的绝缘材料，作为一种优选实施方式选用聚碳酸酯。

外壳体端盖23与外壳体17通过螺钉4连接，完成整个装置的密封。其材料应选用具有高饱和磁通密度的金属材料，可选择铁钴合金或铁镍合金，避免壳体内部受到外界电磁干扰影响。外壳体端盖内设电极孔，以供采集信号的外电极2与外接电路相连。

电路板安装腔3由外壳体端盖23、外壳体17、内壳体端盖21和内壳体7围成，电极销16和内电极8经由腔中的内部处理电路（图中未画出）前级处理，再通过与外电极2相连进行输出。电路板安装腔中对电路进行固定，还需进行隔振处理。

内壳体端盖21紧压在内壳体7的上孔肩上，并与内壳体7的材料相同。

流体通道端盖20紧压在流体通道壳体11的上孔肩上，并与流体通道壳体11的内螺纹配合完成流体通道腔的密封。流体通道端盖20与流体通道壳体11的材料相同。

上中心定位件6和下中心定位件13的材料应选用抗冲击、高硬度且化学性质稳定的绝缘材料，作为一种优选实施方式选用聚碳酸酯。

本发明的磁流体复合物重力梯度仪的工作原理如下：

在下永磁体14、上永磁体22产生的磁场作用下，在磁流体复合物中的悬浮件25由于磁流体的一阶悬浮效应悬浮于上流体通道19和下流体通道9中，并中部由永磁体10和上中心定位件6、下中心定位件13对其进行中心定位。悬浮件25受到上、下永磁体所产生的磁场影响，由于磁流体一阶悬浮效应的作用，悬浮于流体通道腔内的磁流体复合物中。悬浮件作为基本敏感元件可分成4个扇形部分，两两间产生4个等距的空隙。当重力梯度变化时，各部分产生微小移动，四个扇形块将会出现极快的微移动，电容微位移传感器产生差动信号，感应产生电流，通过微位移传感器18并经过电极销16和内电极8与电路板安装腔3内的电路板相连，最后经由外电极2进行输出，测量出的量即为重力场梯度的径向部分。

Claims (10)

1.一种磁流体复合物重力梯度仪，包括有外壳体（17）和盖在外壳体（17）上端口上的外壳体端盖（23），其特征在于，所述的外壳体（17）内同轴的设置有内壁形成有三个阶段的阶梯孔的内壳体（7），所述的内壳体（7）内由底面至上设置有相互对接的下中心定位件（13）和上中心定位件（6），所述的下中心定位件（13）和上中心定位件（6）与所述外壳体（17）和内壳体（7）同轴并与敏感轴（1）重合，所述的内壳体（7）的底部阶梯孔内嵌入有套在下中心定位件（13）外侧的下永磁体（14）和位于下永磁体（14）上面且套在下中心定位件（13）外侧的下永磁体固定件（15），所述的内壳体（7）的中部阶梯孔内嵌入有流体通道壳体（11），所述流体通道壳体（11）的底面套在下中心定位件（13）外侧，位于所述的流体通道壳体（11）内的下中心定位件（13）和上中心定位件（6）的外侧套有中部永磁体（10），所述的流体通道壳体（11）的上端口盖有套在所述的上中心定位件（6）的外侧并能够固定所述中部永磁体（10）和密封流体通道壳体（11）的流体通道端盖（20），所述的内壳体（7）的上端口阶梯孔内嵌入有能够固定上中心定位件（6）的内壳体端盖（21），所述的内壳体端盖（21）的内部嵌入有套在上中心定位件（6）外侧的上永磁体（22），以及位于上永磁体（22）和流体通道端盖（20）之间的上永磁体固定件（5），所述的内壳体（7）的侧壁上从上端口等间隔的插有四个内电极（8），所述的四个内电极（8）的底端连接径向***内壳体（7）侧壁内的电极销（16），所述的外壳体端盖（23）上设置有四个外电极（2），所述的流体通道壳体（11）内设置有由金属材料构成的悬浮件（25）和微位移传感器（18）。

2.根据权利要求1所述的磁流体复合物重力梯度仪，其特征在于，所述的外壳体（17）度部设置有用于与载体固定连接的外壳体螺纹孔（12）。

3.根据权利要求1所述的磁流体复合物重力梯度仪，其特征在于，所述的外壳体端盖（23）与所述的内壳体端盖（21）之间形成有分别连接所述的四个内电极（8）、四个外电极（2）和微位移传感器（18）的电路板安装腔（3）。

4.根据权利要求1所述的磁流体复合物重力梯度仪，其特征在于，所述的流体通道壳体（11）内设置有四个悬浮件（25），每相邻两个悬浮件（25）之间设置有一个微位移传感器（18），每相邻的悬浮件（25）和微位移传感器（18）之间设置有绝缘层（24），所述的流体通道壳体（11）内填充有磁流体复合物。

5.根据权利要求4所述的磁流体复合物重力梯度仪，其特征在于，所述的磁流体复合物是由半径为100～5000nm的非磁性固体颗粒构成的复合胶体溶液。

6.根据权利要求4所述的磁流体复合物重力梯度仪，其特征在于，所述的流体通道壳体（11）的侧壁上形成有用于***微位移传感器（18）的***孔（26）。

7.根据权利要求1所述的磁流体复合物重力梯度仪，其特征在于，所述的下永磁体（14）和上永磁体（22）是用于提供轴向磁场使悬浮件（25）在磁流体复合物中悬浮的环形永磁体，所述的下永磁体（14）和上永磁体（22）的轴线与敏感轴（1）重合，其中，所述的下永磁体（14）与所述的下中心定位件（13）为间隙配合，所述的上永磁体（22）与所述的上中心定位件（6）为间隙配合。

8.根据权利要求1所述的磁流体复合物重力梯度仪，其特征在于，所述的中部永磁体（10）是用于定位悬浮件（25）中心位置的空心圆柱体，所述中部永磁体（10）的轴线与上中心定位件（6）和下中心定位件（13）的中轴线重合。

9.根据权利要求1所述的磁流体复合物重力梯度仪，其特征在于，所述的上永磁体固定件（5）与内壳体端盖（21）为过盈配合，与上中心定位件（6）为间隙配合，所述的下永磁体固定件（15）与流体通道壳体（11）为过盈配合，与下中心定位件（13）为间隙配合。

10.根据权利要求1所述的磁流体复合物重力梯度仪，其特征在于，所述的内壳体端盖（21）与所述的内壳体（7）为螺纹连接，所述的流体通道端盖（20）与所述的流体通道壳体（11）为螺纹连接。

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