專利名稱：用于測(cè)量材料的磁導(dǎo)率的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于推理估測(cè)的方法和裝置；更具體地，涉及用于確 定材料的磁導(dǎo)率的方法和裝置；并且最具體地，涉及利用這種測(cè)量控 制磁流變(MR)流體中的磁材料的濃度的方法和裝置。
背景技術(shù)：
MR流體是眾所周知的并且可以將其實(shí)際上定義為流體材料，該 流體材料的表觀粘度隨著流體暴露在磁場(chǎng)下而反增長(zhǎng)。粘度的增加是 各向異性的，由于磁化粒子的纖維(fibrils)的形成，粘度在磁場(chǎng)的方 向上是最大的。該屬性在本領(lǐng)域中稱作"硬化"(stiffenening)，已經(jīng) 在極高分辨率的成型、修整以及表面的拋光中獲得巨大的成功，特別 是光學(xué)元件，其中可以用高度精確和控制的方式來(lái)移除非常少量的材 料。在本技術(shù)領(lǐng)域中將該領(lǐng)域一般地稱作磁流變修整(MRF)。參見 例如美國(guó)專利號(hào)5，971，835; 6,746,310;以及6,893,322，它們的相關(guān)內(nèi)容 以引用的方式并入本文中。
MRF技術(shù)中的問(wèn)題是維持進(jìn)入磁工作區(qū)中的MR流體的恒定磁 粒子濃度。通過(guò)從混合池抽取MR流體的傳輸系統(tǒng)向工作區(qū)供應(yīng)MR 流體，使用過(guò)的MR流體從工作區(qū)傳送到混合池中用于混合和重使用。 典型地，由于蒸發(fā)，使用過(guò)的MR流體的載體(水)被消耗，并且使 用過(guò)的MR流體還被加熱，這兩個(gè)改變必須在可以重使用MR流體之 前校正。在沒有對(duì)由于蒸發(fā)而損失的水進(jìn)行補(bǔ)充的情況下，在MRF 操作期間池中的MR流體的批量供應(yīng)將逐漸增加粒子濃度。由于粒子濃度是控制從待修整基板上移除材料的速度的重要因素，因此這是不 受歡迎的操作條件。因此，在任意給定時(shí)間知道從池中供應(yīng)的MR流 體中的粒子濃度并且向池中提供正確的水補(bǔ)充速度以替代由于使用中 蒸發(fā)導(dǎo)致的水損失是重要的，從而動(dòng)態(tài)地將濃度保持恒定在目標(biāo)值。
美國(guó)專利號(hào)5,554,932披露了一種用于測(cè)量樣品材料的飽和磁通 密度的系統(tǒng)。在圓柱形永久磁鐵的兩側(cè)對(duì)稱地設(shè)置第一和第二樣品支 架。環(huán)繞樣品支架放置線圈，并且旋轉(zhuǎn)該永久磁鐵。將由于磁材料不 在樣品支架中的一個(gè)中時(shí)在線圈中感生的信號(hào)施加至放大器/儀表，以 提供零(mill)信號(hào)。當(dāng)將樣品放置在一個(gè)樣品支架中時(shí)，可以測(cè)量 飽和磁通密度。該披露的系統(tǒng)的缺點(diǎn)是機(jī)械設(shè)備是相對(duì)笨重的并且具 有關(guān)鍵的移動(dòng)部件(永久磁鐵)。
美國(guó)專利號(hào)6,650,108披露了用于推理流動(dòng)MR流體中的磁粒子 的濃度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于在阻抗測(cè)量中匯聚的電感測(cè)量，它具有 涉及高靈敏度電橋電路的相對(duì)復(fù)雜的技術(shù)。該披露的系統(tǒng)的缺點(diǎn)是分 辨率相對(duì)低。
于2007年3月2日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?1/681,258披露了簡(jiǎn) 單、高分辨率裝置，該裝置用于連續(xù)地測(cè)量和監(jiān)視混合池MR流體中 的磁粒子的濃度以在重使用池中MR流體用于修整之前允許受控制的 實(shí)時(shí)稀釋。該披露的系統(tǒng)的缺點(diǎn)是表觀濃度(磁導(dǎo)率)也是MR流體 的電導(dǎo)率的函數(shù)。
本領(lǐng)域需要的是簡(jiǎn)單、高分辨率裝置，該裝置用于對(duì)輸出信號(hào)進(jìn) 行混合池MR流體的流體電導(dǎo)率(fluid conductivity)的改變的連續(xù)補(bǔ) 償以在重使用池中MR流體用于修整之前允許進(jìn)行受控制的實(shí)時(shí)稀 釋。
本發(fā)明的主要目標(biāo)是在確定MR流體的粒子濃度時(shí)考慮到流體電 導(dǎo)率。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的方法和裝置中簡(jiǎn)要地描述了兩個(gè)電感共享相同的磁芯 部。優(yōu)選地，將電感形成為主和次同心線圈。當(dāng)向主線圈應(yīng)用AC電壓時(shí)，在芯部中產(chǎn)生軸向的磁通，該磁通與芯部的磁導(dǎo)率的強(qiáng)度成正 比。接下來(lái)，由于互感效應(yīng)，磁通在次線圈中感生AC電壓，該電壓 與源電壓同相。芯部的磁導(dǎo)率取決于樣品中的磁粒子的濃度(當(dāng)"芯
部"是MR流體的樣品時(shí))，并且因此可以從次電壓信號(hào)的幅度反計(jì)
算出磁粒子的濃度。
通過(guò)使用差分方法可以增加測(cè)量靈敏度和系統(tǒng)分辨率，該方法使 用兩個(gè)相同的線圈組或者線圈對(duì)，其中參考材料形成一個(gè)線圈組的磁
芯部，并且MR流體形成另一個(gè)線圈組的磁芯部。
由于液體導(dǎo)電芯部中的磁感生環(huán)形渦流生成與外部磁場(chǎng)相反的磁 場(chǎng)，可能影響該裝置的輸出信號(hào)。這種渦流的強(qiáng)度是MR流體的電導(dǎo) 率的函數(shù)，它可以隨著時(shí)間而改變，這是由于在MR流體的工作壽命 期間發(fā)生的化學(xué)過(guò)程(如氧化)。因此，當(dāng)計(jì)算裝置的電壓輸出時(shí)必須 包括電導(dǎo)率項(xiàng)，并且必須在使用期間連續(xù)地測(cè)量MR流體的電導(dǎo)率。


通過(guò)閱讀下列描述以及附圖，本發(fā)明的前述和其它目的、特征以
及優(yōu)點(diǎn)和它的當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例將變得更顯而易見，其中
圖I示出了用于測(cè)量磁導(dǎo)率的依照于本發(fā)明的系統(tǒng)的示例實(shí)施例
的示意圖，包括用于連續(xù)地測(cè)量電導(dǎo)率的設(shè)備在內(nèi)；以及
圖2示出了MR流體修整機(jī)器中的示例實(shí)施例的應(yīng)用的示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖l，在依照于本發(fā)明的適用于測(cè)量磁芯部12的材料的磁導(dǎo) 率的系統(tǒng)10中，兩個(gè)電感(主線圈14和次線圈16)共享磁芯部12，該 磁芯部12是待測(cè)試的磁材料的樣品，如MR修整機(jī)器的池中的MR流 體。當(dāng)向主線圈14應(yīng)用AC電壓Vp時(shí)，在芯部12中依照于公式1產(chǎn)生軸 向磁通18:
<formula>formula see original document page 7</formula>其中P是芯部的磁導(dǎo)率，w是主線圈匝數(shù)，1是線圈長(zhǎng)度，工P 是電流幅度，并且工p/^是均方根電流。
接下來(lái)，由于互感效應(yīng)，依照于公式2，磁通18在次線圈16中感 生與源電壓同相的AC電壓Vs:
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中f是電流頻率，并且A是芯部i2的橫截面積。從公式l和 公式2，在次線圈16中生成的均方根電壓Vs由公式3給出
<formula>formula see original document page 8</formula>主線圈14作為與AC電壓源Vp相關(guān)的負(fù)載，并且次線圈作為與電 阻R2相關(guān)的源。同時(shí)，磁導(dǎo)率P取決于芯部12的磁性(magnetic
property)。接下來(lái)這些屬性取決于樣品中的磁粒子的濃度^ ，由公式 4給出
<formula>formula see original document page 8</formula>
當(dāng)包括施加至主線圈的AC電壓在內(nèi)的系統(tǒng)10的所有參數(shù)保持恒 定，磁芯部12中的磁粒子濃度的任何變化將遵循公式3而導(dǎo)致次線圈16 中的AC電壓Vs的正比改變。這樣做時(shí)，系統(tǒng)輸出信號(hào)遵循樣品磁粒子 濃度的變化。在一般情況中，可以如公式5所示來(lái)定義它
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中Jd, Jc2 ...是一些取決于系統(tǒng)幾何和系統(tǒng)電參數(shù)的恒定參數(shù)。 可以通過(guò)(預(yù))設(shè)置不同的系統(tǒng)參數(shù)來(lái)操縱輸出信號(hào)的量級(jí)，如線圈 的匝數(shù)和幾何形狀、振蕩器的頻率和電壓、元件的阻抗、以及類似物。 系統(tǒng)10還可以包含溫度傳感器(圖中未示出)(如熱敏電阻)裝置以補(bǔ) 償由于溫度變化造成的電路阻抗的熱變化以及輸出信號(hào)中的改變，系統(tǒng)10還可以包括電子控制器，該電子控制器用于如圖2和下述所示處理
系統(tǒng)10的輸出、計(jì)算磁導(dǎo)率、并且控制池中的MR流體的補(bǔ)充。
同時(shí)，MR流體是微米大小的鐵和研磨粒子的水基懸浮液。為了 減緩粒子沉淀和腐蝕，該流體包含一些化學(xué)添加劑，該添加劑導(dǎo)致相 對(duì)高的流體pH值以及電導(dǎo)率。當(dāng)在AC磁場(chǎng)中放置這種導(dǎo)電流體時(shí)， 導(dǎo)電材料中沿閉合環(huán)形路徑感生了渦流，該閉合環(huán)形路徑與引起感生 的外部磁場(chǎng)相垂直。該感生的渦流與引起感生的外部磁場(chǎng)中的變化相 反，并且作為結(jié)果，由該環(huán)形渦流產(chǎn)生的AC磁場(chǎng)可能減小較大的外部 AC磁場(chǎng)，并且因此減少該裝置的輸出信號(hào)。
此外，由于在MRF機(jī)器的流體壽命期間發(fā)生的化學(xué)過(guò)程(氧化)， 流體電導(dǎo)率可以隨著時(shí)間而變化，導(dǎo)致輸出信號(hào)的不穩(wěn)定性以及隨后 在流體監(jiān)視和材料移除速度上的誤差。
更甚的是，誤差的附加來(lái)源是流體電導(dǎo)率與鐵粒子的濃度的相關(guān) 性，它是本方法要測(cè)量的主要函數(shù)。
我們需要的是簡(jiǎn)單、高分辨率設(shè)備，該設(shè)備用于對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行 混合池MR流體的流體電導(dǎo)率的改變的連續(xù)補(bǔ)償，以在重使用池中MR
流體用于修整之前允許受控制的實(shí)時(shí)稀釋。
為此，連續(xù)地測(cè)量流體電導(dǎo)率。系統(tǒng)10包括設(shè)置在MR流體芯部 12中的兩個(gè)電極20、 22，該兩個(gè)電極20、 22位于主和次線圈14、 16的 相對(duì)端并且通過(guò)電阻R3與電壓源Ve (AC， IO,OOO赫茲以避免電極的極 化)連接。來(lái)自電阻R3的電壓與MR流體芯部12的電導(dǎo)率成正比，并 且可以在控制器中使用該電壓以計(jì)算和補(bǔ)償由于電導(dǎo)率的變化而導(dǎo)致 的電路阻抗中的電導(dǎo)率變化以及輸出信號(hào)中的改變。
在該情形中，可以將調(diào)整電導(dǎo)率輸出信號(hào)V^定義為公式5的變化，
其中添加電導(dǎo)率項(xiàng)
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中G是流體電導(dǎo)率。
次線圈中濃度和電壓Vs,之間的正確定量關(guān)系由使用已知磁粒子
濃度的樣品進(jìn)行的校準(zhǔn)來(lái)確定，該校準(zhǔn)給出濃度的下列一般表達(dá)式<formula>formula see original document page 10</formula>
其中a和Jb是由校準(zhǔn)定義的常量。
參見圖2，示出了依照于本發(fā)明的系統(tǒng)210的示例應(yīng)用，該系統(tǒng)210 用于協(xié)助維持MR修整裝置200中的MR流體的磁粒子的恒定濃度。
正如用于MR修整裝置200的現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知并且在并入的 引用文件中所更完整描述的，輪架230具有表面232 (最好是球型的)， 該表面232用于接收來(lái)自噴嘴236的處于非變硬狀態(tài)的MR流體的帶 234。表面232將帶234攜帶進(jìn)入在表面232和待修整的間隔開的工件240 之間的工作區(qū)238。成形的磁極件(圖中未示出)在工作區(qū)238中產(chǎn)生 定向磁場(chǎng)，該定向磁場(chǎng)引起其中的MR流體變硬為接近堅(jiān)硬的油灰 (putty)。變硬的MR流體還可以包含研磨劑(如氧化鈰)的非磁粒子， 當(dāng)它通過(guò)工作區(qū)238時(shí)，以受控制的方式燒蝕(ablate)工件240的表面。 輪架表面232連續(xù)地向工作區(qū)238供應(yīng)MR流體以及從工作區(qū)238移除 MR流體。刮刀242從輪架表面232移除使用過(guò)的不再變硬的MR流體， 并且將它經(jīng)由抽氣泵244返回混合池246，其中將使用過(guò)的MR流體與 MR流體220的批量供應(yīng)進(jìn)行混合并且從此時(shí)由輸送泵248抽取混合的 MR流體220并且再一次經(jīng)由非磁性管250供應(yīng)給噴嘴236。
將互感傳感器219同心地放置在充滿流動(dòng)的MR流體220的非磁性 管250的外面，該互感傳感器219配備有依照于本發(fā)朋的用于MR流體 電導(dǎo)率測(cè)量的裝置，并且如上所述由AC電源252來(lái)可控驅(qū)動(dòng)。將來(lái)自 傳感器219的輸出信號(hào)254和255傳送給可編程控制器256，用依照于公 式1至7的算法和查找表來(lái)編程該可編程控制器256，并且該可編程控制 器256具有與目標(biāo)濃度相對(duì)應(yīng)的設(shè)定值，該可編程控制器256控制泵258 以受控制的流速向池246中分配補(bǔ)充水260，以補(bǔ)償當(dāng)MR流體帶234在 使用期間暴露在輪架230上時(shí)從MR流體帶234中蒸發(fā)的水。在池246中 將補(bǔ)充水260與批量供應(yīng)MR流體進(jìn)行混合以將批量濃度稀釋為目標(biāo) 值。從而，當(dāng)從池246中抽取用于向工作區(qū)238供應(yīng)時(shí)，將MR流體220 中的磁粒子濃度維持在目標(biāo)濃度，提供了工件240的材料移除的穩(wěn)定和 可預(yù)測(cè)速度。盡管已經(jīng)通過(guò)不同具體實(shí)施例來(lái)描述本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)理解可以在描 述的發(fā)明性概念的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行大量的改動(dòng)。因此，本發(fā)明預(yù)期 不受所述實(shí)施例的限制，而是將具有由附加權(quán)利要求的語(yǔ)言所定義的 全部范圍。
權(quán)利要求
1、一種用于確定材料的磁導(dǎo)率的系統(tǒng)，包括a)第一電感；b)第二電感；c)第一AC電壓源，與所述第一電感連接，以感生出環(huán)繞所述第一和第二電感以及所述材料的樣品的磁場(chǎng)；d)用于在所述第二電感中測(cè)量感生的AC電壓信號(hào)的裝置；以及e)第一和第二電極，浸入所述材料的所述樣品中并且與可變AC電壓源和電阻串聯(lián)，用于確定與材料的所述樣品的電導(dǎo)率成正比的電壓信號(hào)，將所述信號(hào)添加至所述第二電感的所述感生的AC電壓信號(hào)上，以提供經(jīng)校正電導(dǎo)率后的感生的AC電壓信號(hào)指示所述樣品的磁導(dǎo)率。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述第一電感是第一線圈， 所述第二電感是與所述第一線圈同軸的第二線圈，所述磁場(chǎng)在所述第 一和第二線圈中是軸向的，并且將所述材料的所述樣品設(shè)置在所述軸 向磁場(chǎng)中。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中將所述第二線圈環(huán)繞所述第 一線圈纏繞。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述材料是包括在液體載體 中散布的磁粒子的磁流變流體，并且其中所述磁導(dǎo)率與所述液體載體 中的磁粒子的濃度成正比。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是磁流變修整系統(tǒng) 的元件。
6、 一種用于確定材料的磁導(dǎo)率的方法，包括下列所述步驟a) 提供第一電感；b) 提供第二電感；c) 提供與所述第一電感連接的AC電壓源，以感生出環(huán)繞所述第 一和第二電感的磁場(chǎng)；d) 提供用于測(cè)量所述第二電感中的感生AC電壓的裝置；e) 提供用于測(cè)量所述材料的電導(dǎo)率的裝置；f) 將所述材料的樣品放置在所述磁場(chǎng)中；以及g) 確定所述感生的AC電壓經(jīng)校正所述材料的電導(dǎo)率后的幅度， 其中所述感生的AC電壓經(jīng)校正電導(dǎo)率后的幅度與所述材料的所述磁 導(dǎo)率成正比。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一電感是第一線圈， 所述第二電感是與所述第一線圈同軸的第二線圈，所述磁場(chǎng)在所述第 一和第二線圈中是軸向的，并且將所述材料的所述樣品設(shè)置在所述軸 向磁場(chǎng)中。
8、 一種磁流變修整系統(tǒng)，包括a) 池，用于存儲(chǔ)批量供應(yīng)的磁流變流體，當(dāng)在所述系統(tǒng)中循環(huán) 使用磁流變流體時(shí)，所述池供應(yīng)并且接收磁流變流體，其中所述磁流 變流體包括散布在載體流體中的磁粒子，并且其中在所述循環(huán)使用期 間所述載體流體中的所述粒子的濃度由于部分所述載體流體蒸發(fā)損失 而增加；b) 雙線圈互感傳感器，包括同軸纏繞的主線圈和次線圈，在所 述主線圈和次線圈內(nèi)定義樣品空間，用于接收來(lái)自所述批量供應(yīng)的所 述磁流變流體的樣品；c) 用于在所述主線圈上施加AC電壓的裝置；d) 用于發(fā)送來(lái)自所述次線圈的第一信號(hào)的裝置，所述第一信號(hào) 代表所述次線圈中感生的AC電壓的幅度，所述信號(hào)與所述樣品中的所 述載體流體中的所述磁粒子的所述濃度成正比；e) 用于確定所述磁流變流體的電導(dǎo)率并且用于發(fā)送指示所述電 導(dǎo)率的第二信號(hào)的裝置；f) 控制器裝置，對(duì)所述第一和第二信號(hào)做出響應(yīng)并且具有已編程 裝置，所述己編程裝置用于處理所述第一和第二信號(hào)并且將作為結(jié)果 的信號(hào)與存儲(chǔ)的參考信號(hào)進(jìn)行比較，所述參考信號(hào)指示散布在所述載 體流體中的所述磁粒子的目標(biāo)濃度，并且所述已編程裝置用于計(jì)算補(bǔ) 充載體流體的流速，所述補(bǔ)充載體流體需要添加到所述池中以替代所 述蒸發(fā)損失，并從而將所述磁流變流體的所述批量供應(yīng)維持在所述目標(biāo)濃度上；以及g)分配裝置，對(duì)所述控制器裝置做出響應(yīng)，用于以所述計(jì)算的 流速向所述批量供應(yīng)分配所述補(bǔ)充載體流體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于確定材料的磁導(dǎo)率的系統(tǒng)。兩個(gè)電感形成主和次同心線圈，共享公共的磁芯部空間。施加至所述主線圈的第一AC電壓在所述芯部中產(chǎn)生與所述材料的所述磁導(dǎo)率成正比的磁通。所述磁通在所述次線圈中感生AC電壓，所述AC電壓指示所述樣品的所述表觀磁導(dǎo)率。通過(guò)施加第二AC電壓和在所述材料中設(shè)置的第一和第二電極上串聯(lián)的電阻，對(duì)所述表觀磁導(dǎo)率進(jìn)行電導(dǎo)率的校正。當(dāng)所述材料是磁流變流體時(shí)，所述磁導(dǎo)率與所述樣品中的磁粒子的所述濃度成正比，并且可以從所述次電壓信號(hào)的所述幅度中反計(jì)算出所述磁導(dǎo)率。
文檔編號(hào)G01R33/12GK101622548SQ200880006869
公開日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2008年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月2日
發(fā)明者威廉·科道斯基, 羅伯特·詹姆斯, 阿帕德·塞格拉斯 申請(qǐng)人:Qed國(guó)際科技公司