CN101526459B - 一种电流变体材料阻尼性能测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种电流变体材料阻尼性能测试装置及方法，装置包括粘弹仪主机、经绝缘处理的环形抽运测试装置、高压电源、隔离变压器、直流微安表，粘弹仪主机包括机头、计算机处理系统，机头与测试装置的塞柱相连，机头包含了激振器、加速度传感器和位移传感器，激振器能够产生不同频率的振动，对电流变体产生剪切，并通过传感器测试塞柱的位移和加速度，分析处理后得出电流变体材料性能数据。本发明能够得到粘度和流变特性数据，还可得到电流变体储能模量、损耗模量、损耗因子、柔量等性能数据，为性能评价提供更多数据，为电流变体阻尼器等智能器件的设计提供有效的材料性能指标。

Description

一种电流变体材料阻尼性能测试装置和方法

技术领域

本发明涉及一种智能材料性能的测试技术，特别是涉及一种电流变体材料阻尼性能的测试装置和方法。

背景技术

电流变体是一种新型的智能材料。它的表观物理形态随外加电场强度的变化而发生改变，在零电场强度时表现为液态，高电场下表现出类似固体的性质，随着变化，材料的力学性能、阻尼性能、光学性能等也会发生变化。由于电流变体这种奇特的性能，使得它在机械、汽车、自动控制等领域具有广阔的应用前景，其中，该材料主要的或可在短期内实现的应用就是作为可控阻尼器的阻尼介质。

电流变体材料作为可控阻尼器的阻尼介质，其模量、损耗因子等性能指标是衡量材料性能的主要指标，关于电流变体阻尼性能的研究，目前人们主要利用“悬臂梁”法间接测试。这种方法主要是将电流变体封装在含上下极板的长方形梁内，然后采用自由振动法测试梁的动态响应，从而获得梁的自由衰减曲线，用于表征电流变体的阻尼特性。文献“Response ofelectrorheological fluid-filled laminate composites to forced vibration”(Y.Choi，A.F.Sprecher and H.Conrad.：J.of Intelligent Material Systems andStructures，1992，3(1)：17-29)中，Chio等研究了ER流体悬臂梁的振动响应，并根据ASTME756-83标准的方法计算出了电流变体的粘弹性特性。“含电流变体智能复合材料梁的振动响应分析”(刘彦菊、冷劲松、王殿富，纤维复合材料，1999.6(2)：33-36)中，刘彦菊等从理论模型和试验角度研究了复合材料梁的振动特性，也得到了电流变体的剪切存储和损耗模量。

但以上这些方法主要是对电流变体阻尼特性的间接表征，而且一般情况下，电流变体材料本身刚度的改变量相对悬臂梁的刚度过小，所以试验误差较大。因此，迫切需要一种新的电流变体材料阻尼性能测试装置和方法，减小试验误差，达到精确测量的技术目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有悬臂梁法测试电流变体阻尼损耗性能技术存在的试验误差较大，不能直接表征电流变体材料固有特性的问题，提供一种直接测试电流变体材料阻尼性能的装置和方法，从而减小试验误差，精确测量电流变体材料阻尼性能。

为了达到解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下的技术方案：

本发明的一种电流变体材料阻尼性能测试装置，装置包括粘弹仪主机、经绝缘处理的环形抽运测试装置、直流高压电源、隔离变压器、直流微安表，其中环形抽运测试装置包括试样筒、环形抽运装置底座、塞柱。

本发明的一种电流变体材料阻尼性能测试装置，优选的技术方案是：所述的粘弹仪主机，包括机头、计算机处理系统，其中机头与环形抽运测试装置的塞柱相连，机头包含了激振器、加速度传感器和位移传感器，激振器能够产生不同频率的振动，从而对填充在试样筒中的电流变体产生剪切作用，并通过传感器测试塞柱的位移和加速度，通过计算机处理系统分析处理，最后得出电流变体材料性能数据。

本发明的一种电流变体材料阻尼性能测试装置，进一步优选的的技术方案是：所述经绝缘处理的环形抽运测试装置，具体的绝缘处理方式是玻璃钢绝缘垫片用胶粘剂粘贴在环形抽运装置底座上，试样筒粘接在绝缘垫片上，从而使试样筒和底座之间绝缘，当高压电源工作时，高压电只加在了试样筒上，在试样筒和塞柱之间形成高压电场，从而使试样筒和塞柱以外粘弹仪的其他部分不带电，从而保证仪器和操作人员的安全。

本发明电流变体材料阻尼性能测试装置的220V交流电经过隔离变压器与直流高压电源连接，交流电经过隔离变压器以后，产生了一种磁场电压，使输入电压与大地之间没有实际的电位差，所以这种交流电通过直流高压电源，输出的直流高压电与大地之间也不存在实际的电位差，从而保证了仪器和操作人员的安全。直流高压电源可产生0～10kV直流高压电，在试样筒和塞柱之间产生高压电场，直流微安表串联在直流高压电源和环形抽运装置之间，测试电流变体的漏电流。

通过建立电流变体材料阻尼性能测试系统和测试方法，直接测试电流变体的阻尼性能，是一种新的对电流变体材料固有特性的表征方法，弥补电流变体阻尼性能测试一般采用间接测试技术，测试结果与实际的材料性能存在较大误差的缺点和不足。

本发明的一种电流变体材料阻尼性能测试方法，特征是利用包括粘弹仪主机、经绝缘处理的环形抽运测试装置、高压电源、隔离变压器、直流微安表组成的测试装置，按照一定的测试步骤，通过机头的激振器、加速度传感器和位移传感器，产生不同频率的振动，对填充在试样筒中的电流变体产生剪切作用，并通过传感器测试塞柱的位移和加速度，通过计算机处理系统分析处理，最后得出电流变体材料性能数据。

本发明的一种电流变体材料阻尼性能测试方法，其计算机处理系统分析具体的方法是：在恒定温度下，计算机以一定的振幅和频率，通过强迫谐振在样品上进行剪切实验，测出样品的刚性模量[K]、应力与应变之间的相位角δ。将数据用相应的公式计算出样品的剪切模量G、损耗因子Tanδ、动态粘度η等参数。

数据处理公式：

G′＝|K|/αCosδ+ρω²β                           (1)

G″＝|K|/αSinδ                                   (2)

η′＝G″/ω                                       (3)

η″＝G′/ω                                       (4)

式中： $\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\πh}(R^2+r^2)}{(R^2+r^2)\ln (R/r)-(R^2-r^2)};$

β＝-r⁴/2(R²+r²)-(r²/2)ln(R/r)+(R²-r²)³/{24(R²+r²)[(R²+r²)ln(R/r)-(R²-r²)]}ρ-体积质量，kg/m³；ω-角频率，1/S；R-外筒半径，m；r-塞柱半径，m；h-塞柱浸没高度，m；η’-本体弹性粘度，Pa·s；η”-本体损耗粘度，Pa·s；G’-剪切模量，N/m²；G”-损耗模量，N/m²。

本发明的一种电流变体材料阻尼性能测试方法，更具体的方法步骤是：1)粘弹仪开机，预热，并打开计算机；2)添加电流变体试样：将配制好的电流变体加入试样筒6中，加入量根据试样筒容积和选择的塞柱尺寸确定。将粘贴好的底座4、绝缘垫片5和试样筒6用夹具固定在固定底座11上；3)调节机头8升降开关，使塞柱7插入到试样筒6中，并下降到适当位置；4)按电路图将隔离变压器1、直流高压电源2和直流微安表3连接到测试系统中；5)开始测试，根据材料的粘度、模量等指标选取测试频率；6)加电压测试，每次测试完毕，及时断开高压电源与试样筒之间的开关，下次测试时再打开。测试电压一般为0～4kV，每500V为一个测试电压点。7)全部测试完毕，首先调节高压电源至0，然后关闭高压电源，并断开高压电源与仪器之间的连接线；8)保存数据，进行试验数据处理；9)关闭粘弹仪主机和计算机。

通过本发明的一种电流变体材料阻尼性能装置及其测试方法，进行电流变体性能测试，不仅能够得到传统流变仪能够测试的粘度和流变特性数据，还能够得到电流变体的储能模量、损耗模量、损耗因子、柔量等性能数据，为电流变体的性能评价提供了更为详实的数据，同时为电流变体阻尼器、隔振器等智能器件的设计提供了有效的材料性能指标，对电流变体智能器件的设计具有很好的指导作用。

附图说明

图1是电流变体阻尼性能测试装置原理图。其中，1是隔离变压器；2是直流高压电源；3是直流微安表；4是环形抽运装置底座；5是绝缘垫片；6是试样筒；7是塞柱；8是粘弹仪机头；9是固定底座；10是粘弹仪主机；11是计算机。

图2是测试部分原理图。其中，4是环形抽运装置底座；5是绝缘垫片；6是试样筒；7是塞柱；20是电流变体。

具体实施方式

按照附图1所示的装置原理，选择了MAK-04型粘弹仪10、10kV高压电源2、直流微安表3、隔离变压器1、经绝缘处理的环形抽运装置4组成了电流变体阻尼性能测试装置。流变体20在试样筒6中，高压电源2的正极与试样筒6连接，负极与塞柱7连接，并接地，此时在试样筒6和塞柱7之间就会形成高压电场，通过高压电源2可调节电场强度。测试时，塞柱7在电流变体20中做上下剪切运动，在高压电场的作用下，电流变体20中的粒子产生有序排列，表观粘度会增加，使塞柱7产生的剪切力增加，从而可测试出电流变体20的粘度、模量等材料参数。

利用本套装置测试电流变体材料的性能，测试过程主要包括以下步骤：

1)MAK-04型粘弹仪10开机，预热，并打开计算机；

2)添加电流变体试样：将配制好的电流变体20加入试样筒6中，一般加入1.5～2ml，将粘贴好的底座4、绝缘垫片5和试样筒6用夹具固定在固定底座11上；

3)根据材料粘度选取塞柱7，直径为8mm，它与试样筒之间的间距为1mm，并将其安装在粘弹仪机头8上；

4)调节机头8升降开关，使塞柱7插入到试样筒6中，并下降到适当位置。此过程电流变体材料20会从试样筒中部分溢出，用脱脂棉或吸水纸将溢出的电流变体清理干净；

5)按电路图将隔离变压器1、直流高压电源2和直流微安表3连接到测试系统中；

6)开始测试，根据材料的粘度、模量等指标选取测试频率；

7)加电压测试，每次测试完毕，及时断开高压电源与试样筒之间的开关，下次测试时再打开。测试电压一般为0～4kV，每500V为一个测试电压点。

8)全部测试完毕，首先调节高压电源至0，然后关闭高压电源，并断开高压电源与仪器之间的连接线；

9)保存数据，进行试验数据处理；

10)关闭MAK-04型粘弹仪主机和计算机。

Claims (5)

1.一种电流变体材料阻尼性能测试装置，其特征在于：装置包括粘弹仪主机、经绝缘处理的环形抽运测试装置、高压电源、隔离变压器、直流微安表；粘弹仪主机包括机头、计算机处理系统，其中机头与环形抽运测试装置的塞柱相连，机头包含了激振器、加速度传感器和位移传感器，激振器能够产生不同频率的振动，从而对填充在试样筒中的电流变体产生剪切作用，并通过传感器测试塞柱的位移和加速度，通过计算机处理系统分析处理，最后得出电流变体材料性能数据。

2.根据权利要求1电流变体材料阻尼性能测试装置，其特征在于：所述经绝缘处理的环形抽运测试装置，具体的绝缘处理方式是玻璃钢绝缘垫片用胶粘剂粘贴在环形抽运装置底座上，试样筒粘接在绝缘垫片上，从而使试样筒和底座之间绝缘，当高压电源工作时，高压电只加在了试样筒上，在试样筒和塞柱之间形成高压电场，从而使试样筒和塞柱以外粘弹仪的其他部分不带电。

3.一种电流变体材料阻尼性能测试方法，其特征是：利用包括粘弹仪主机、经绝缘处理的环形抽运测试装置、高压电源、隔离变压器、直流微安表组成的测试装置，按照一定的测试步骤，通过机头的激振器、加速度传感器和位移传感器，产生不同频率的振动，对填充在试样筒中的电流变体产生剪切作用，并通过传感器测试塞柱的位移和加速度，通过计算机处理系统分析处理，最后得出电流变体材料性能数据。

4.根据权利要求3所述一种电流变体材料阻尼性能测试方法，其特征在于：所述计算机处理系统分析处理具体的方法是：在恒定温度下，计算机 以一定的振幅和频率，通过强迫谐振在样品上进行剪切实验，测出样品的刚性模量[K]、应力与应变之间的相位角δ；将数据用相应的公式计算出样品的剪切模量G、损耗因子Tan δ、动态粘度η参数；

数据处理公式：

G′＝|K|/αCosδ+ρω²β(1)

G″＝|K|/αSinδ(2)

η′＝G″/ω(3)

η″＝G′/ω(4)

式中：

β＝-r⁴/2(R²+r²)-(r²/2)ln(R/r)+(R²-r²)³/{24(R²+r²)[(R²+r²)ln(R/r)-(R²-r²)]}ρ-体积质量，kg/m³；ω-角频率，1/S；R-外筒半径，m；r-塞柱半径，m；h-塞柱浸没高度，m；η’-本体弹性粘度，Pa·s；η”-本体损耗粘度，Pa·s；G’-剪切模量，N/m²；G”-损耗模量，N/m²。

5.根据权利要求3所述一种电流变体材料阻尼性能测试方法，其特征在于所述测试步骤为：1)粘弹仪开机，预热，并打开计算机；2)添加电流变体试样：将配制好的电流变体加入试样筒（6）中，加入量根据试样筒容积和选择的塞柱尺寸确定；将粘贴好的底座（4）、绝缘垫片（5）和试样筒（6）用夹具固定在固定底座（11）上；3)调节机头（8）升降开关，使塞柱（7）插入到试样筒（6）中，并下降到适当位置；4)按电路图将隔离变压器（1）、直流高压电源（2）和直流微安表（3）连接到测试系统中；5)开始测试，根据材料的粘度、模量指标选取测试频率；6)加电压测试，每次测试完毕，及时断开高压电源与试样筒之间的开关，下次测试时再打开；测试电压为0～4kV，每500V为一个测试电压点；7)全部测试完毕，首先调节高压电源至0，然后关闭高压电源，并断开高压 电源与仪器之间的连接线；8)保存数据，进行试验数据处理；9)关闭粘弹仪主机和计算机。 

Images