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新型纳米功能材料磁流体与传感结合可以大大推动新型智能传感技术的发展。论文以“新颖磁流体惯性传感中磁流耦合阻尼机理及输出可控分析”为题,系统地研究并建立新颖磁流体惯性传感中磁流耦合阻尼模型,并应用此模型分析该传感输出可控特性。这对推进智能传感理论与技术进步有重要的学术价值与实际意义。论文研究工作得到教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-08-0211)、国家自然科学基金(50775077)、高等学校博士学科点专项科研基金(20060561003)和广东省自然科学基金(06025670)资助。
论文在大量参考文献的基础上,对基于磁流体敏感特性的传感器和磁流耦合基础理论国内外研究进展进行分析,确定论文将深入计算磁流体中的动力学模型,解析磁彻体力和磁粘性力;分析磁流体惯性传感的输出可控性;探索一种可控新颖磁流体宽量程惯性传感结构的实现方法;为基于磁流体的智能传感器的结构优化奠定基础。主要工作包括:
(一)基于应力张量和彻体力的关系推导磁流体中彻体力模型,对磁流体的两种简化形式Helmholtz力和Kelvin力进行解析和界定。分析磁流体动态粘性特性的微观机理,推导完善磁流体中一次粘性力模型;基于分子环流理论推导单位体积磁流体磁力矩,结合磁流体的磁化方程推导二次粘性力模型。根据该模型研究二次粘性系数与外加磁场之间的关系,结果表明通过磁场控制,二脂基磁流体的二次粘性系数可接近一次粘性系数的10倍。
(二)联立磁流体动力学方程和新颖磁流体传感工作腔的磁场分布模型,分析新颖磁流体惯性传感多场耦合系统环境,创新性建立磁流耦合阻尼模型。采用数值计算方法,分磁流耦合阻尼的有效性,结果表明磁流体具有显著磁流耦合效应,增大磁场强度有效地增大新颖磁流体惯性传感的阻尼系数。分析阻尼系数影响因素,得到控制传感间隙可有效实现传感可控;并提出通过在间隙局部施加磁场的间隙流动控制方法。
(三)基于传感器运动受力模型和永磁体回复力模型建立新颖磁流体惯性传感动态特性模型,并求解各项力的表达式(包括阻尼力和永磁体回复力);在正弦输入的情况下,求解该惯性传感的运动模型,指出在输出响应函数中,阻尼系数r(H)是可控参量;并结合磁流耦合阻尼的动态可控范围,分析该惯性传感的输出响应特性。
论文实验利用自行设计的传感测量平台进行新颖磁流体惯性传感输出特性实验,测量结果与理论计算值误差在5%以内,实验与理论吻合得很好;以Ic=0时的传感输出幅值为基准,输出幅值随着间隙流动控制电流递增而减小,表明传感具有明显的输出可控性,当Ic=1.2A时,质量块运动位移的幅值降低约47.9%,也即是说,量程放大约为Ic=0时的2倍,表明基于磁流耦合阻尼机理的新颖磁流体惯性传感具有明显的输出可控性。