專利名稱：利用鐵磁液滴在梯度磁場內(nèi)傳感特性的太空質(zhì)量測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該發(fā)明涉及一種太空質(zhì)量測量裝置，尤其是主要用于測量在太空微重力環(huán)境下物體的質(zhì)量的設(shè)備，具體涉及利用鐵磁液滴在梯度磁場內(nèi)傳感特性的太空質(zhì)量測量裝置。
背景技術(shù)：
隨著空間技術(shù)的發(fā)展，人類對于太空的探索也越來越深入。在空間開展實驗，質(zhì)量是的一個重要測量項目。而通常情況下，地球上如果要測得一個物體的質(zhì)量運用的基本都是重力法，比如彈簧秤等。但在太空失重或者外星球重力加速度分布不均的環(huán)境下，這些方法就會失效，所以尋求一種能在太空環(huán)境下測量物體質(zhì)量的方法變得十分重要。為了測得太空中物體的質(zhì)量，必須找到一種可以在太空中實施的物理方法，其中包含質(zhì)量這個參數(shù)。離心運動這個經(jīng)典的運動現(xiàn)象包含了質(zhì)量參數(shù)。做勻速圓周運動的物體，在合外力突然消失或者合外力不足以提供所需的向心力時，將做逐漸遠離圓心的運動，此種運動叫“離心運動”。當(dāng)半徑不變時物體作圓周運動所需的向心力與角速度的平方(或線速度的平方)成正比，公式為向心力=物體的質(zhì)量X線速度的平方/半徑(或物體的質(zhì)量X角速度的平方X半徑)。而鐵磁液滴是一種超順磁性的納米顆粒在表面活性劑的包覆下穩(wěn)定地懸浮在載液中的穩(wěn)定懸浮體，具有超順磁性和流體的特性，可塑性強，可以成型在任何形狀的容器中。其在梯度磁場不同位置受到的磁力不同，當(dāng)被測物與鐵磁液滴成為一個整體，剛性連接并做勻速圓周運動時，被測物的離心力與某一位置的磁力抵消達到平衡，鐵磁液滴靜止在梯度磁場的某處。當(dāng)圓周運動的角速度不變，則被測物體的質(zhì)量與鐵磁液滴在梯度磁場中的位置有一函數(shù)關(guān)系，通過測量此位置即可得到被測物體的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種利用鐵磁液滴在梯度磁場內(nèi)的傳感特性而制成的加速度式太空測重裝置。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種利用鐵磁液滴在梯度磁場內(nèi)傳感特性的太空質(zhì)量測量裝置，包括上旋轉(zhuǎn)軸和下旋轉(zhuǎn)軸、線圈外殼、激勵保持線圈、第一檢測線圈與第二檢測線圈、線圈支撐套筒、套筒端蓋、鐵磁液滴模塊、測重盒、基座、限位蓋板，其中上旋轉(zhuǎn)軸連接于線圈外殼的上側(cè)，下旋轉(zhuǎn)軸連接于線圈外殼的下側(cè)，上旋轉(zhuǎn)軸和下旋轉(zhuǎn)軸同軸設(shè)置且均位于激勵保持線圈、第一檢測線圈、以及第二檢測線圈的外部，上旋轉(zhuǎn)軸和下旋轉(zhuǎn)軸的延長線均位于第一檢測線圈與第二檢測線圈的交界處且位于線圈外殼的軸向中心線上，第一檢測線圈與第二檢測線圈為位置傳感器，用于檢測鐵磁液滴模塊的位置，下旋轉(zhuǎn)軸連接一個軸承，軸承安裝在基座上，限位蓋板安裝在上旋轉(zhuǎn)軸上，調(diào)節(jié)限位蓋板上下位置用以限制整個系統(tǒng)沿旋轉(zhuǎn)軸軸向方向的位移，線圈外殼為一個套筒，包裹整個激勵保持線圈、第一檢測線圈、以及第二檢測線圈，并與上旋轉(zhuǎn)軸和下旋轉(zhuǎn)軸及線圈支撐套筒形成一個整體，激勵保持線圈繞制在線圈支撐套筒上，均勻繞滿整個線圈支撐套筒，激勵保持線圈用于通入帶有直流偏置的正弦勵磁信號，第一檢測線圈繞制在激勵保持線圈的左半部分上，第二檢測線圈繞制在激勵保持線圈的右半部分上，線圈支撐套筒左端和右端各安裝有一個套筒端蓋，兩個套筒端蓋上各開一個小孔，小孔位于線圈支撐套筒的軸向中心線位置，鐵磁液滴模塊通過兩個所述小孔安裝于套筒端蓋，測重盒連接鐵磁液滴模塊的一端。優(yōu)選地，所述線圈外殼與支撐套筒之間通過螺釘相連以保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)固性。優(yōu)選地，所述限位蓋板安裝在上旋轉(zhuǎn)軸上，調(diào)節(jié)限位蓋板上下位置用以限制整個系統(tǒng)沿旋轉(zhuǎn)軸軸向方向的位移，并且可以防止傾覆，保證系統(tǒng)在太空環(huán)境下的運行穩(wěn)定性。優(yōu)選地，所述鐵磁液滴模塊包括中心球、左端長桿、右端長桿，中心球位于線圈支撐套筒內(nèi)，左端長桿從中心球開始穿過位于線圈支撐套筒左端的套筒端蓋上小孔延伸至線圈支撐套筒的外部，右端長桿從中心球開始穿過位于線圈支撐套筒右端的套筒端蓋上小孔延伸至線圈支撐套筒的外部，測重盒與左端長桿或右端長桿位于線圈支撐套筒外部的一端剛性相連，左端長桿與右端長桿關(guān)于上旋轉(zhuǎn)軸延長線軸對稱。優(yōu)選地，所述中心球為塑料球或玻璃球。優(yōu)選地，所述中心球內(nèi)均勻充滿鐵磁液體。優(yōu)選地，測重盒與左端長桿或右端長桿可拆卸連接。優(yōu)選地,還包括電動機,其中，上旋轉(zhuǎn)軸連接電動機以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。本發(fā)明工作時，系統(tǒng)放置安裝在基座上，下端旋轉(zhuǎn)軸與軸承配合，調(diào)節(jié)限位蓋板，保證整個系統(tǒng)沿旋轉(zhuǎn)軸軸向方向不可移動。被測物體放入測重盒中。當(dāng)液滴在螺線管中心位置時，勵磁信號耦合到兩個檢測線圈的電動勢經(jīng)差動連接相減后理論上為零。液滴在中心點是一種穩(wěn)定平衡，當(dāng)有外力導(dǎo)致液滴偏離中心位置時，磁力總是力圖使它恢復(fù)到中心。如有外力作用導(dǎo)致液滴偏離中心位置時，檢測線圈就會產(chǎn)生差動電動勢。當(dāng)測量開始時，上端旋轉(zhuǎn)軸被電機帶動勻速平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，由于做圓周運動的物體均受到離心力作用，而由于鐵磁液滴模塊測重端有被測物體，測重端質(zhì)量比另一端大，由公式離心力=物體的質(zhì)量X線速度的平方/半徑(或物體的質(zhì)量X角速度的平方X半徑)，可知鐵磁液滴模塊將會向測重端產(chǎn)生一定位移。由于激勵保持線圈的梯度磁場的作用，在給定均勻速度下，鐵磁液滴模塊在某一位置所受到的離心力矢量和與所受到的磁場力抵消，達到平衡并靜止在那一位置。檢測線圈及激勵保持線圈后置的測試電路把電動勢的變化轉(zhuǎn)換為電量從而檢測出鐵磁液滴所處的位置，通過原先的數(shù)據(jù)標定，測出被測物體的質(zhì)量。


通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯圖1為整個裝置的結(jié)構(gòu)簡圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
如圖1所示，在本實施例中，根據(jù)本發(fā)明提供的所述太空質(zhì)量測量裝置包括上旋轉(zhuǎn)軸I和下旋轉(zhuǎn)軸11、線圈外殼2、激勵保持線圈3、第一檢測線圈4與第二檢測線圈5、線圈支撐套筒6、套筒端蓋7、鐵磁液滴模塊8、測重盒9、基座10、限位蓋板12。其連接關(guān)系為上旋轉(zhuǎn)軸I位于下旋轉(zhuǎn)軸11的上方，上旋轉(zhuǎn)軸I和下旋轉(zhuǎn)軸11處于同一中心線上，分別與線圈外殼2上下兩側(cè)相連，但不貫通線圈，上旋轉(zhuǎn)軸I和下旋轉(zhuǎn)軸11的延長線均位于第一檢測線圈4與第二檢測線圈5的交界處，即平分線圈外殼2的軸向距離，且位于線圈外殼2的軸向中心線上，下旋轉(zhuǎn)軸11連接一個軸承，軸承安裝在基座10上，限位蓋板12安裝在上旋轉(zhuǎn)軸上1，調(diào)節(jié)限位蓋板12上下位置用以限制整個系統(tǒng)沿旋轉(zhuǎn)軸軸向方向的位移，上旋轉(zhuǎn)軸I連接電動機以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，線圈外殼2為一個套筒，包裹整個線圈(包括激勵保持線圈3、第一檢測線圈4、第二檢測線圈5)，并與上旋轉(zhuǎn)軸I和下旋轉(zhuǎn)軸11及線圈支撐套筒6形成一個整體，激勵保持線圈3繞制在線圈支撐套筒6上，均勻繞滿整個線圈支撐套筒6，第一檢測線圈4與第二檢測線圈5繞制在激勵保持線圈3之上，關(guān)系為繞制在線圈支撐套筒6的左半部分的為第一檢測線圈4，繞制在線圈支撐套筒6的右半部分的為第二檢測線圈5，第一檢測線圈4和第二檢測線圈5與線圈支撐套筒6軸對稱，線圈支撐套筒6左右兩端各安裝有一個套筒端蓋7，套筒端蓋7上各開一個小孔，小孔位于線圈支撐套筒6的軸向中心線位置，用以放置鐵磁液滴模塊8，鐵磁液滴模塊8的塑料球或玻璃球和兩端長桿的一部分在線圈支撐套筒6內(nèi)，兩端長桿的另一部分在線圈支撐套筒6外，長桿兩端分別通過線圈支撐套筒6兩端的小孔伸出套筒外，測重盒9與右端長桿剛性相連。所述線圈外殼2為一套筒，與支撐套筒6之間通過螺釘相連以保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)固性。所述限位蓋板12安裝在上旋轉(zhuǎn)軸I上，調(diào)節(jié)限位蓋板12上下位置用以限制整個系統(tǒng)沿旋轉(zhuǎn)軸軸向方向的位移，并且可以防止傾覆，保證系統(tǒng)在太空環(huán)境下的運行穩(wěn)定性。所述第一檢測線圈4與第二檢測線圈5為位置傳感器，分為位于線圈支撐套筒6的左右兩側(cè)，用于檢測鐵磁液滴模塊8的位置，通過標定后的數(shù)據(jù)對應(yīng)著被測物體的實際質(zhì)量。所述的激勵保持線圈3通入帶有直流偏置的正弦勵磁信號，直流偏置使得螺線管內(nèi)部產(chǎn)生梯度磁場，磁液滴模塊產(chǎn)生的磁力抵消鐵所受的離心力，在某一位置達到平衡。所述鐵磁液滴模塊8為中間有一塑料球或玻璃球，兩端各帶有一對稱長桿的長桿型模塊，其中中間塑料球或玻璃球內(nèi)均勻充滿鐵磁液體。所述測重盒9為盛放被測物體的容器，可在物體大小改變時更換對應(yīng)大小的測重盒。所述基座10為整個系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)。本發(fā)明工作時，系統(tǒng)放置安裝在基座10上，下旋轉(zhuǎn)軸11與軸承配合，調(diào)節(jié)限位蓋板12，保證整個系統(tǒng)沿旋轉(zhuǎn)軸軸向方向不可移動。被測物體放入測重盒9中。當(dāng)液滴在螺線管中心位置時，勵磁信號耦合到第一檢測線圈4與第二檢測線圈5的電動勢經(jīng)差動連接相減后理論上為零。液滴在中心點是一種穩(wěn)定平衡，當(dāng)有外力導(dǎo)致液滴偏離中心位置時，磁力總是力圖使它恢復(fù)到中心。如有外力作用導(dǎo)致液滴偏離中心位置時，第一檢測線圈4與第二檢測線圈5就會產(chǎn)生差動電動勢。當(dāng)測量開始時，上旋轉(zhuǎn)軸I被電機帶動勻速平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，由于做圓周運動的物體均受到離心力作用，而由于鐵磁液滴模塊8測重端有被測物體，測重端質(zhì)量比另一端大，由公式離心力=物體的質(zhì)量X線速度的平方/半徑(或物體的質(zhì)量X角速度的平方X半徑)，可知鐵磁液滴模塊8將會向測重端產(chǎn)生一定位移。由于激勵保持線圈3的梯度磁場的作用，在給定均勻速度下，鐵磁液滴模塊8在某一位置所受到的離心力矢量和與所受到的磁場力抵消，達到平衡并靜止在那一位置。第一檢測線圈4與第二檢測線圈5及激勵保持線圈3后置的測試電路把電動勢的變化轉(zhuǎn)換為電量從而檢測出鐵磁液滴所處的位置，通過原先的數(shù)據(jù)標定，測出被測物體的質(zhì)量。以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種利用鐵磁液滴在梯度磁場內(nèi)傳感特性的太空質(zhì)量測量裝置，其特征在于，包括上旋轉(zhuǎn)軸(I)和下旋轉(zhuǎn)軸(11)、線圈外殼(2)、激勵保持線圈(3)、第一檢測線圈(4)與第二檢測線圈(5)、線圈支撐套筒(6)、套筒端蓋(7)、鐵磁液滴模塊(8)、測重盒(9)、基座(10)、限位蓋板(12)，其中上旋轉(zhuǎn)軸(I)連接于線圈外殼(2)的上側(cè)，下旋轉(zhuǎn)軸(11)連接于線圈外殼(2)的下側(cè)，上旋轉(zhuǎn)軸(I)和下旋轉(zhuǎn)軸(11)同軸設(shè)置且均位于激勵保持線圈(3)、第一檢測線圈(4)、以及第二檢測線圈(5)的外部，上旋轉(zhuǎn)軸(I)和下旋轉(zhuǎn)軸(11)的延長線均位于第一檢測線圈(4)與第二檢測線圈(5)的交界處且位于線圈外殼(2)的軸向中心線上，第一檢測線圈(4)與第二檢測線圈(5)為位置傳感器，用于檢測鐵磁液滴模塊(8)的位置，下旋轉(zhuǎn)軸(11)連接一個軸承，軸承安裝在基座(10)上，限位蓋板(12)安裝在上旋轉(zhuǎn)軸(I)上，調(diào)節(jié)限位蓋板(12)上下位置用以限制整個系統(tǒng)沿旋轉(zhuǎn)軸軸向方向的位移，線圈外殼(2)為一個套筒，包裹整個激勵保持線圈(3)、第一檢測線圈(4)、以及第二檢測線圈(5)，并與上旋轉(zhuǎn)軸(I)和下旋轉(zhuǎn)軸(11)及線圈支撐套筒(6)形成一個整體，激勵保持線圈(3)繞制在線圈支撐套筒(6)上，均勻繞滿整個線圈支撐套筒(6)，激勵保持線圈(3)用于通入帶有直流偏置的正弦勵磁信號，第一檢測線圈(4)繞制在激勵保持線圈(3)的左半部分上，第二檢測線圈(5 )繞制在激勵保持線圈(3 )的右半部分上，線圈支撐套筒(6 )左端和右端各安裝有一個套筒端蓋(7)，兩個套筒端蓋(7)上各開一個小孔，小孔位于線圈支撐套筒(6)的軸向中心線位置，鐵磁液滴模塊(8)通過兩個所述小孔安裝于套筒端蓋(7)，測重盒(9)連接鐵磁液滴模塊(8)的一端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用鐵磁液滴在梯度磁場內(nèi)傳感特性的太空質(zhì)量測量裝置，其特征在于，所述線圈外殼(2)與支撐套筒(6)之間通過螺釘相連以保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)固性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用鐵磁液滴在梯度磁場內(nèi)傳感特性的太空質(zhì)量測量裝置，其特征在于，所述鐵磁液滴模塊(8)包括中心球、左端長桿、右端長桿，中心球位于線圈支撐套筒(6)內(nèi)，左端長桿從中心球開始穿過位于線圈支撐套筒(6)左端的套筒端蓋(7)上小孔延伸至線圈支撐套筒(6)的外部，右端長桿從中心球開始穿過位于線圈支撐套筒(6)右端的套筒端蓋(7)上小孔延伸至線圈支撐套筒(6)的外部，測重盒(9)與左端長桿或右端長桿位于線圈支撐套筒(6)外部的一端剛性相連，左端長桿與右端長桿關(guān)于上旋轉(zhuǎn)軸(I)延長線軸對稱。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用鐵磁液滴在梯度磁場內(nèi)傳感特性的太空質(zhì)量測量裝置，其特征在于，所述中心球為塑料球或玻璃球。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用鐵磁液滴在梯度磁場內(nèi)傳感特性的太空質(zhì)量測量裝置，其特征在于，所述中心球內(nèi)均勻充滿鐵磁液體。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用鐵磁液滴在梯度磁場內(nèi)傳感特性的太空質(zhì)量測量裝置，其特征在于，測重盒(9 )與左端長桿或右端長桿可拆卸連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用鐵磁液滴在梯度磁場內(nèi)傳感特性的太空質(zhì)量測量裝置，其特征在于，還包括電動機，其中，上旋轉(zhuǎn)軸(I)連接電動機以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用鐵磁液滴在梯度磁場內(nèi)傳感特性的太空質(zhì)量測量裝置，其特征在于，通過限位蓋板(12)保證整個系統(tǒng)在沿旋轉(zhuǎn)軸軸向無位移，并且不易傾覆。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用鐵磁液滴在梯度磁場內(nèi)的傳感特性的太空質(zhì)量測量裝置，其中旋轉(zhuǎn)軸分為上下兩部分，分別與線圈外殼上下兩側(cè)相連，旋轉(zhuǎn)軸上端連接電動機以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，線圈外殼包裹整個線圈，激勵保持線圈繞制在線圈支撐套筒上，均勻繞滿整個線圈支撐套筒，兩個檢測線圈繞制在激勵保持線圈之上，檢測線圈與線圈支撐套筒軸對稱，線圈支撐套筒左右兩端各安裝有一個端蓋，端蓋上各開一個小孔，用以放置鐵磁液滴模塊，鐵磁液滴模塊的塑料球或玻璃球和兩端長桿的一部分在內(nèi)部套筒內(nèi)，兩端長桿的另一部分在其外，長桿兩端分別通過內(nèi)部套筒兩端的小孔伸出套筒外，測重盒與右端長桿剛性相連。本發(fā)明解決了太空失重狀態(tài)下測量物體質(zhì)量問題。
文檔編號G01G7/00GK103063278SQ20131000251
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者王坤東, 金軒, 吉星春, 侯安東 申請人:上海交通大學(xué)