9、铁磁流体传感器与热致变色材料温度传感器的研究进展

铁磁流体传感器与热致变色材料温度传感器的研究进展

铁磁流体传感器

引言

高分辨率、宽带宽的加速度计在不同应用中对测量绝对运动、振动和冲击响应的需求日益增加。铁磁流体性质研究的进展为许多新应用提供了机会，特别是在加速度计领域。铁磁流体是由超精细（5 - 10 nm）单畴磁性颗粒的胶体悬浮液组成的合成化合物，在水溶液或非水溶液中均有存在。当施加磁场时，流体状态保持不变，但颗粒会沿磁场方向排列并移动，导致粘度变化。通过调节施加在铁磁流体上的磁力，可以控制加速度计的谐振频率、阻尼系数和工作范围，从而实现可调节的工作范围，这与传统加速度计相比具有显著的灵活性。本文旨在提出一种用于检测 0 - 80 µg 加速度范围的高灵敏度、低成本设备的方法。

控制力量与方程

为了设计加速度计、评估其性能并开发高分辨率位置控制方法，需要对梯度磁场中铁磁流体的动力学进行分析。基本思路是利用缠绕在铁磁流体玻璃支架上的感应线圈来检测外部加速度。向初级线圈提供恒定电流，使颗粒聚集在其初始位置。为了简化计算，对系统行为进行建模并评估外部加速度引起的铁磁流体质量位移时，需要做出一些假设。具体而言，假设铁磁流体是粘性且不可压缩的，并且磁场不受铁磁流体位移和/或磁化的影响。作用在颗粒聚集体上的所有力的平衡必须包括磁力、流体动力和惯性力。根据牛顿第二定律，铁磁流体球体的运动可以描述为：
[F = V (\rho_f - \rho_l)g - \mu_0V M\nabla H - 6\pi\eta Rv]
其中，$V$ 是铁磁流体球体的体积，$\rho_f$ 和 $\rho_l$ 分别是颗粒和液体的密度，$g$ 等于 9.81 m/s²，$H$ 和 $M$ 分别是磁场和磁化强度