CN104897523A - 一种磁性液体流变性质测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁性液体流变性质测试系统及方法，包括电机控制部分、扭矩信号采集部分、温度采集部分、励磁部分、剪切室、支撑部分、信号采集系统以及分析系统，在剪切室中加入待测液后，将励磁线圈通直流电，励磁线圈产生磁场进而改变待测液的性质；给定伺服电机转速，同时通过扭矩传感器获得待测液传递的摩擦扭矩，将电机转速、扭矩采集入分析系统，通过剪切室滚筒尺寸、剪切室间隙、电机转速、摩擦扭矩计算得到待测液的流变性质参数；同时在剪切室中装有温度传感器测试待测液在不同温度时的性质以及实时反馈待测液温度。本发明可以测量在外加磁场条件下某些流体的性质，如铁流体，磁流变液等，为分析、计算及设计提供测试液体的性质参数。

Description

一种磁性液体流变性质测试系统及方法

技术领域

本发明涉及流体性质分析研究领域，具体地，涉及一种分析测试在有外加磁场时流体性质变化的系统及方法。

背景技术

随着技术进步，铁流体(Ferrofluid)、磁流变液(Magnetorheological fluid)等能受外界磁场而改变性质的智能液体在工业生产中开始广泛应用。此类流体的特点是将铁磁性颗粒分散于某种基质中，当有外加磁场时，铁磁性颗粒受磁场影响产生积聚、成链等变化，流体能在宏观上迅速改变性质。而在磁场撤去后，流体能在极短的时间内恢复一般特性，并可重复多次使用。同时，通过改变磁性颗粒的尺寸、基质的成分以及添加表面活性剂等，可以改变流体的性质以符合多种需要。此类流体已用于控制、汽车、密封、机械加工等多个领域，有广泛应用前景。

由于基础理论现今还不能较为准确地描述和预测这类液体的性质，特别是外加磁场后性质的变化，因此需要用实验方法测试。现在通用且效率较高的理论模型都是唯像学模型，其用于描述此类流体时需要获取一些关键参数，因此需要一套测试分析系统，通过测试数据获得模型参数。现有的一般流体性质测试仪器，如普通流变仪等，无法获得有外加磁场时被测液体的性质。如检索到的关于流变测试的专利CN102713560B(获取流变学特性值的探测器及方法)，涉及了对普通液体流变性质的测试，但仍无法测试有外加磁场时的流体性质。因此需要一套能测量有外加磁场时流体性质，并分析计算出相应模型参数的系统。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种磁性液体流变性质测试系统及方法，可以测量在外加磁场条件下某些流体的性质，如铁流体，磁流变液等。

根据本发明的一个方面，提供一种磁性液体流变性质测试系统，包括电机控制部分、扭矩信号采集部分、温度采集部分、励磁部分、剪切室、支撑部分、信号采集系统以及信号分析系统，其中：

所述电机控制部分用于控制待测液体受到的剪切率，并将电机控制部分的转速信号反馈给信号分析系统；

所述扭矩信号采集部分用于采集待测液体对剪切室壁产生的摩擦扭矩信号，并通过信号采集系统传输给信号分析系统；

所述温度采集部分用于获取剪切室的温度，并传输给信号分析系统；

所述励磁部分用于产生磁场以改变待测液体性质，并将电流强度数据经信息采集部分传输给信号分析系统进行处理；

所述剪切室用于盛放待测液体，其几何结构使待测液体形成剪切油膜；

所述支撑部分用于支撑电机控制部分、励磁部分、剪切室，及温度采集部分和扭矩信号采集部分中的传感器，以保持系统振动稳定性；

所述信号分析系统用于将获取的电机控制部分的转速信号、扭矩信号采集部分采集的扭矩信号、剪切室几何结构参数、温度采集部分采集的剪切室温度、励磁部分传输的电流强度数据，通过数学与统计方法计算出待测液体模型参数。

优选地，所述电机控制部分包括伺服电机和伺服驱动器，其中：伺服电机通过伺服驱动器以速度控制方式驱动，通过伺服驱动器控制伺服电机的转速从而控制待测液体受到的剪切率；伺服电机的转速信号由编码器通过伺服驱动器反馈至信号分析系统。

优选地，所述待测液体受到的剪切率根据伺服电机的转速及剪切室几何结构参数计算得到。

更优选地，所述剪切室几何结构参数设计时直接给定，由加工保证，是整套系统的初始参数，包括滚筒直径、高度和筒-壁间隙；所述剪切室几何结构参数由需要测试的最高剪切率、电机最高转速、扭矩传感器量程预估。

优选地，所述扭矩信号采集部分包括扭矩传感器和放大器，扭矩传感器用于采集待测液体对剪切室壁产生的摩擦扭矩信号，该信号经放大器通过信号采集系统传输给信号分析系统。

更优选地，所述待测液体对剪切室壁产生的摩擦扭矩信号，经信号采集系统转化为数字信号后进入信号分析系统。

优选地，所述温度采集部分包括温度传感器和温度采集模块，温度传感器获取剪切室的温度信号并经温度采集模块实时输出给信号分析系统。

更优选地，所述温度采集模块将温度传感器获取的温度信号转化为数字信号后，通过接口实时输出给信号分析系统。

优选地，所述励磁部分包括励磁线圈和励磁电流，励磁线圈由励磁电流产生恒稳磁场；其中：

所述励磁线圈采用四磁极N-S极两两对置方式并环绕在剪切室周围，为剪切室提供均匀磁场；

所述励磁电流为直流电，由直流电源提供并获得电流强度。

优选地，所述剪切室采用滚筒-腔体形式，在滚筒外表面与腔体内表面形成剪切油膜。

更优选地，所述剪切室轴通过联轴器与伺服电机相连。

优选地，所述支撑结构采用板-柱式。

优选地，所述信号采集系统由滤波器、模数转换器及采集卡组成，扭矩传感器采集的摩擦扭矩信号经滤波器、模数转换器与信号采集卡采集进入信息分析系统；所述信号采集系统将经由放大器传入的扭矩传感器模拟信号转化为数字信号后输出给信号分析系统。

优选地，所述信号分析系统使用遗传算法及非线性回归方法识别采集数据，得到模型参数。

更优选地，所述信号分析系统由PC承载，并经由软件编程实现。

根据本发明的另一个方面，提供一种磁性液体流变性质测试方法，包括如下步骤：

第一步、标定扭矩信号采集部分、温度采集部分，检查信号采集系统，排除噪声、干扰；

第二步、将剪切室几何结构参数输入信号分析系统以便计算；

第三步、将待测液体倒入剪切室中，将剪切室的外壳与扭矩传感器相连，将剪切室轴通过柔性联轴器与伺服电机相连；

第四步、利用伺服驱动器控制伺服电机转速，使伺服电机输出特定转速；

第五步、励磁电流给励磁线圈通电，通过调节励磁电流大小在剪切室获得不同强度磁场，改变待测液体性质；

第六步、扭矩传感器获取被测流体对剪切室壁产生的摩擦扭矩信号并经信号采集系统转化为数字信号进入信号分析系统，温度传感器采集的温度信号经温度采集模块转化成数字信号进入信号分析系统，伺服电机的转速信号通过伺服驱动器进入信号分析系统，手工输入励磁电流强度进入信号分析系统作为参考信号；

第七步、信号分析系统根据第六步得到的被测流体摩擦扭矩信号、伺服电机转速信号，以及第二步输入的剪切室几何结构参数，计算得到待测液体的剪切率及剪应力；

第八步、信号分析系统根据选定的流体模型，根据第七步得到的待测液体剪切率、剪应力，以及第六步得到的经温度采集模块转化的数字信号，通过数学与统计学方法计算出模型参数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.本发明可以对磁性或非磁性一般流体的流变特性测量，可以测量有无外加磁场以及不同磁场强度下磁性流体的流变性质；

2.本发明考虑到了温度对流体特性的影响，可以测量在不同温度下普通流体及磁性流体在有无外加磁场时的流体特性；

3.本发明基本结构简单，可操作性较强，分析系统中的数学与统计方法可以测量不同流体及流变模型的模型参数，适用面较广。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的系统结构图，

图中：伺服驱动器1、伺服电机2、扭矩传感器3、温度传感器4、温度采集模块5、励磁线圈6、励磁电流7、剪切室8、支撑部分9、信号采集仪10以及分析系统11；

图2为本发明一优选实施例的方法流程图；

图3为本发明一优选实施例的励磁线圈结构示意图；

图中：线圈31、磁极32；

图4为本发明一优选实施例的剪切室结构示意图；

图中：剪切室壁12、剪切室轴13、滚筒14、剪切油膜15；

图5为某磁性流体在磁场作用下实测数据及系统识别后模型曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供一种磁性液体流变性质测试系统，包括：伺服驱动器1、伺服电机2、扭矩传感器3、温度传感器4、温度采集模块5、励磁线圈6、励磁电流7、剪切室8、支撑结构9、信号采集仪10以及分析系统11，其中：

伺服电机2通过伺服驱动器1以速度控制方式驱动，通过伺服驱动器1控制伺服电机2的转速从而控制待测液体受到的剪切率；伺服电机2的转速信号由编码器通过伺服驱动器1反馈至分析系统11；扭矩传感器3用于采集待测液体对剪切室壁产生的摩擦扭矩信号，该信号经放大器传递给信号采集仪10，信号采集仪10将接收到的模拟信号转化为数字信号后传输给分析系统11；温度传感器4获取剪切室8的温度信号并传递给温度采集模块5，温度采集模块5将接收到的温度信号转化为数字信号后，通过接口实时输出给分析系统11；励磁线圈6由励磁电流7产生恒稳磁场，并将电流强度数据经信号采集仪10传输给分析系统11进行处理；剪切室8用于盛放待测液体，其几何结构使待测液体形成剪切油膜；支撑结构9用于支撑伺服驱动器1、伺服电机2、扭矩传感器3、温度传感器4、励磁线圈6、励磁电流7、剪切室8，以保持系统振动稳定性；分析系统11用于将获取的伺服电机2转速信号、扭矩传感器3采集的扭矩信号、剪切室8的几何结构参数、温度传感器4采集的剪切室8温度、励磁电流7的电流强度数据，通过数学与统计方法计算出待测液体模型参数。

本实施例中，所述温度传感器4直接测量对象为剪切室8的温度，但因温度传感器4与待测液间剪切室壁极薄且导热良好，故认为此温度即待测液温度。

作为一个优选实施方式，所述剪切室8几何结构参数包括滚筒直径、高度和筒-壁间隙(如图4所示)

作为一个优选实施方式，通过改变所述励磁电流7的大小，在剪切室8中获得不同强度的磁场，以改变待测液体性质。

作为一个优选实施方式，所述励磁线圈6为N-S极两两对排式结构(如图3所示线圈31、磁极32)，并环绕在剪切室8周围，可以为剪切室8提供较为均匀磁场。

作为一个优选实施方式，所述励磁电流7为直流电，由直流电源提供并获得电流强度。将电流强度数据输入分析系统11进行处理。

作为一个优选实施方式，所述剪切室8几何结构参数为加工制造时确定；剪切室轴13通过柔性联轴器与伺服电机2相连(如图4所示)。

作为一个优选实施方式，所述剪切室8采用滚筒-腔体形式；如图4所示，在滚筒14外表面与腔体内表面形成剪切油膜15，剪切室壁间隙即剪切室壁12与滚筒14间间隙，亦即剪切油膜15厚度。

作为一个优选实施方式，所述伺服电机2直接控制剪切室轴13及滚筒14转速，滚筒14表面线速度与滚筒14和剪切室壁12间隙比值即为剪切率。

作为一个优选实施方式，所述剪切室8的滚筒14旋转后，带动剪切室8内待测液体旋转，在滚筒14与剪切室壁12间间隙的剪切油膜15对剪切室壁12产生摩擦扭矩。

作为一个优选实施方式，所述摩擦扭矩由液体剪应力决定，剪应力与剪切率关系由各种流体模型描述(如图5所示关系)。但在实际测量中，剪切率与剪应力是独立量，调节伺服电机2转速，在不同剪切率下测量摩擦扭矩，换算成剪应力。

作为一个优选实施方式，所述支撑结构9采用板-柱式。

作为一优选实施例，所述信号采集仪10由滤波器、模数转换器及采集卡组成，扭矩传感器3采集的信号经滤波器、模数转换卡与信号采集卡采集进入分析系统11。

作为一个优选实施方式，所述信号采集仪10将经由放大器传入的扭矩传感器3模拟信号转化为数字信号进入分析系统11。

作为一个优选实施方式，所述分析系统11由PC承载，并经由软件编程实现。

如图2所示，本实施例提供一种基于上述测试系统的测试方法，通过采集系统采集转速、扭矩及温度信号，同时将励磁电流7的电流强度作为参考信号，将数据采集入分析系统11中，设定好流体模型后，分析系统11通过自带算法得到模型参数。

采用上述系统及方法获得一般或磁性流体模型参数，具体包括如下步骤：

第一步、标定扭矩传感器3、温度传感器4、温度采集模块5，检查信号采集仪10，排除噪声、干扰；

第二步、将剪切室8的几何结构参数输入分析系统11以便计算；

第三步、将待测液体倒入剪切室8中，将剪切室8的外壳与扭矩传感器5相连，将剪切室8轴通过柔性联轴器与伺服电机2相连；

第四步、利用伺服驱动器1控制伺服电机2转速，使伺服电机2输出特定转速；

第五步、励磁电流7给励磁线圈6通电，通过调节励磁电流7大小在剪切室8获得不同强度磁场，改变待测液体性质；

第六步、扭矩传感器3获取被测流体对剪切室壁产生的摩擦扭矩信号并经信号采集仪10转化为数字信号进入分析系统11，温度传感器4采集的温度信号经温度采集模块5转化成数字信号进入分析系统11，伺服电机2的转速信号通过伺服驱动器1进入分析系统11，手工输入励磁电流7电流强度进入分析系统11作为参考信号；

第七步、分析系统11根据第五步得到的被测流体摩擦扭矩信号、伺服电机2转速信号，以及第二步输入的剪切室8几何结构参数，计算得到待测液体受到的剪切率及在不同磁场强度下产生的剪应力；

第八步、分析系统11根据选定的流体模型，根据第七步得到的待测液体剪切率、剪应力，以及第六步得到的经温度采集模块5转化的数字信号，通过数学与统计学方法计算出模型参数。

作为一个优选实施方式，第七步中，根据所述伺服电机2转速及剪切室8几何结构参数计算得到待测液体受到的剪切率。

作为一个优选实施方式，第七步中，从所述扭矩传感器3获得被测液体因剪力对剪切室壁产生的扭矩，及剪切室8几何结构参数，计算得到被测液体在不同磁场强度下产生的剪应力。

作为一个优选实施方式，第八步中，所述分析系统11使用遗传算法及非线性回归方法识别采集数据(使用的遗传算法及回归方法均是现有技术，即在给定模型情况下，通过此上述方法计算得到模型参数与实验数据相匹配)，得到待测液体模型参数。

作为一个优选实施方式，第八步中，所述分析系统11通过温度传感器4及温度采集模块5获得的数据与第七步所获得的被测液体剪切率与剪应力，分析被测液体在不同温度及不同磁场强度下的性质。

在计算模型参数时，采用所述方法需要的关键参数为剪切率与剪应力。第八步即在第七步得到剪切率和剪应力后，通过这些剪切率和剪应力，根据前述算法(遗传算法、回归方法)，获得流体模型参数。具体模型有很多，如指数模型，Bingham模型，Herschel-Bulkley模型等等，可参考流体力学及流变学方面专著和论文。这些模型无一例外都是描述剪切率与剪应力的关系，所以本发明需要测试这两个量。

另外，对于磁性流体，温度及外加磁场强度会改变流体性质，如在同样剪切率情况下，不同温度和磁场强度下，会有不同大小剪应力；同时剪应力随剪切率变化方式也会受磁场及温度影响，因此本专利的特点是考虑了这两方面因素的影响，故在最终获得被测液模型参数时，会同时需要剪切率、剪应力、温度以及外加磁场强度等参数。

如图5所示，为某磁性流体在励磁电流1.5A时磁场作用下实测数据及系统识别后模型曲线图，图中散点数据为系统实测数据，曲线为经分析系统识别后得出的模型曲线，与实测数据符合较好。

本发明用于对磁性或非磁性一般流体的流变特性测量，测量有无外加磁场以及不同磁场强度下磁性流体的流变性质；本发明考虑到了温度对流体特性的影响，可以测量在不同温度下普通流体及磁性流体在有无外加磁场时的流体特性；本发明基本结构简单，可操作性较强，分析系统中的数学与统计方法可以测量不同流体及流变模型的模型参数，适用面较广。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种磁性液体流变性质测试系统，其特征在于，包括电机控制部分、扭矩信号采集部分、温度采集部分、励磁部分、剪切室、支撑部分、信号采集系统以及信号分析系统，其中：

所述电机控制部分用于控制待测液体受到的剪切率，并将电机控制部分的转速信号反馈给信号分析系统；

所述扭矩信号采集部分用于采集待测液体对剪切室壁产生的摩擦扭矩信号，并通过信号采集系统传输给信号分析系统；

所述温度采集部分用于获取剪切室的温度，并传输给信号分析系统；

所述励磁部分用于产生磁场以改变待测液体性质，并将电流强度数据经信息采集部分传输给信号分析系统进行处理；

所述剪切室用于盛放待测液体，其几何结构使待测液体形成剪切油膜；

所述支撑部分用于支撑电机控制部分、励磁部分、剪切室，及温度采集部分和扭矩信号采集部分中的传感器，以保持系统振动稳定性；

所述信号分析系统用于将获取的电机控制部分的转速信号、扭矩信号采集部分采集的力矩信号、剪切室几何结构参数、温度采集部分采集的剪切室温度、励磁部分传输的电流强度数据，通过数学与统计方法计算出待测液体模型参数。

2.根据权利要求1所述的一种磁性液体流变性质测试系统，其特征在于，所述电机控制部分包括伺服电机和伺服驱动器，其中：伺服电机通过伺服驱动器以速度控制方式驱动，通过伺服驱动器控制伺服电机的转速从而控制待测液体受到的剪切率；伺服电机的转速信号由编码器通过伺服驱动器反馈至信号分析系统。

3.根据权利要求2所述的一种磁性液体流变性质测试系统，其特征在于，所述待测液体受到的剪切率根据伺服电机的转速及剪切室几何结构参数计算得到；所述剪切室几何结构参数设计时直接给定，由加工保证，是整套系统的初始参数，包括滚筒直径、高度和筒-壁间隙；所述剪切室几何结构参数由需要测试的最高剪切率、电机最高转速、扭矩传感器量程预估。

4.根据权利要求1所述的一种磁性液体流变性质测试系统，其特征在于，所述扭矩信号采集部分包括扭矩传感器和放大器，扭矩传感器用于采集待测液体对剪切室壁产生的摩擦扭矩信号，该信号经放大器通过信号采集系统转化为数字信号传输给信号分析系统。

5.根据权利要求1所述的一种磁性液体流变性质测试系统，其特征在于，所述温度采集部分包括温度传感器和温度采集模块，温度传感器获取剪切室的温度信号并传递给温度采集模块，温度采集模块将温度信号转化为数字信号后，通过接口实时输出给信号分析系统。

6.根据权利要求1所述的一种磁性液体流变性质测试系统，其特征在于，所述励磁部分包括励磁线圈和励磁电流，励磁线圈由励磁电流产生恒稳磁场；其中：

所述励磁线圈采用四磁极N-S极两两对置方式并环绕在剪切室周围，为剪切室提供均匀磁场；

所述励磁电流为直流电，由直流电源提供并获得电流强度。

7.根据权利要求1所述的一种磁性液体流变性质测试系统，其特征在于，所述剪切室采用滚筒-腔体形式，在滚筒外表面与腔体内表面形成剪切油膜，剪切室轴通过联轴器与伺服电机相连；所述支撑部分采用板-柱式。

8.根据权利要求1所述的一种磁性液体流变性质测试系统，其特征在于，所述信号采集系统由滤波器、模数转换器及采集卡组成，扭矩传感器采集的摩擦扭矩信号经滤波器、模数转换器与信号采集卡采集进入信息分析系统；所述信号采集系统将经由放大器传入的扭矩传感器模拟信号转化为数字信号后输出给信号分析系统。

9.根据权利要求1所述的一种磁性液体流变性质测试系统，其特征在于，所述信号分析系统使用遗传算法及非线性回归方法识别采集数据，得到待测液体模型参数；所述信号分析系统由PC承载，并经由软件编程实现。

10.一种采用权利要求1-9任一项所述系统进行的磁性液体流变性质测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、标定扭矩信号采集部分、温度采集部分，检查信号采集系统，排除噪声、干扰；

第二步、将剪切室几何结构参数输入信号分析系统以便计算；

第三步、将待测液体倒入剪切室中，将剪切室的外壳与扭矩传感器相连，将剪切室轴通过柔性联轴器与伺服电机相连；

第四步、利用伺服驱动器控制伺服电机转速，使伺服电机输出特定转速；

第五步、励磁电流给励磁线圈通电，通过调节励磁电流大小在剪切室获得不同强度磁场，改变待测液体性质；

第六步、扭矩传感器获取被测流体对剪切室壁产生的摩擦扭矩信号并经信号采集系统转化为数字信号进入信号分析系统，温度传感器采集的温度信号经温度采集模块转化成数字信号进入信号分析系统，伺服电机的转速信号通过伺服驱动器进入信号分析系统，手工输入励磁电流强度进入信号分析系统作为参考信号；

第七步、信号分析系统根据第六步得到的被测流体摩擦扭矩信号、伺服电机转速信号，以及第二步输入的剪切室几何结构参数，计算得到待测液体的剪切率及剪应力；

第八步、信号分析系统根据选定的流体模型，根据第七步得到的待测液体剪切率、剪应力，以及第六步得到的经温度采集模块转化的数字信号，通过数学与统计学方法计算出模型参数。