CN106546517B - 磁流变液沉降过程电容监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁流变液沉降特性测量，特别是设计一种磁流变液沉降过程电容监测装置及监测方法。一种磁流变液沉降过程电容监测装置，包括磁流变液注入口(1)、底座(2)、内筒(3)、外筒(4)、电容器导体极板(6)、电容值测量装置和数据处理装置；内筒(3)和外筒(4)为圆柱形，同心放置，构成中空圆柱体，内筒(3)和外筒(4)构成的中空圆柱体设置在底座(2)上，内筒(3)和外筒(4)构成的间隙的底部设置磁流变液注入口(1)；多对电容器导体极板(6)沿中空圆柱体高度方向贴覆于内筒(3)外侧和外筒(4)内侧，构成多个电容器，同一高度层的一对电容器导体极板(6)正对；电容值测量装置和数据处理装置连接。

Description

磁流变液沉降过程电容监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及磁流变液沉降特性测量，特别是设计一种磁流变液沉降过程电容监测装置及监测方法。

背景技术

磁流变液是一种应用广泛、性能优良的智能材料，具有屈服强度高、阻尼调幅宽、响应速度快、稳定性好、能耗低等优点，磁流变液产品广泛应用于桥梁、建筑、车辆、机械等各工程领域。

磁流变液沉降后易出现沉降分层现象，即磁流变液中的弥散相微小粒子沉降形成软性沉降基甚至板结成硬块，影响甚至丧失磁流变液的原有性能。磁流变液的沉降分层是制约磁流变技术产品化的主要因素之一。针对目前磁流变液沉降特性测量方法的研究，主要有观察法、沉降电势测量法、电感法、透光率法等。然而，这些方法存在测量精度不高，无法实现局部测量和测量方法对沉降过程有扰动等缺陷，更无法实现对磁流变液沉降过程中沉降特性的嵌入式实时测量。

根据上述磁流变液沉降特性测量方法中所存在的问题，借鉴磁流变液沉降过程中磁流变液特性变化的特点，本发明设计了一种可实现嵌入式测量的局部、实时的动态监测磁流变液沉降特性的技术方法，且该监测方法对磁流变液的实际沉降过程无任何扰动，测量精度高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可实现磁流变液沉降过程的局部、实时的动态监测的磁流变液沉降过程电容监测装置。

本发明还提出了一种使用上述监测装置对磁流变液沉降特性的进行监测的方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种磁流变液沉降过程电容监测装置，该装置包括磁流变液注入口1、底座2、内筒3、外筒4、电容器导体极板6、电容值测量装置和数据处理装置；

内筒3和外筒4为圆柱形，同心放置，构成中空圆柱体，内筒3和外筒4构成的中空圆柱体设置在底座2上，内筒3和外筒4构成的间隙的底部设置磁流变液注入口1；

多对电容器导体极板6沿中空圆柱体高度方向贴覆于内筒3外侧和外筒4内侧，构成多个电容器，同一高度层的一对电容器导体极板6正对；

电容值测量装置和数据处理装置连接。

使用磁流变液沉降过程电容监测装置监测磁流变液沉降特性的方法，包括如下步骤：

a.测取装置空气介质时的磁流变液沉降过程电容监测装置的装置初始电容值C_air；

b.将充分摇匀的磁流变液经磁流变液注入口1注入磁流变液沉降过程电容监测装置中的多对电容器导体极板6之间，形成多个以磁流变液为介质的圆柱形电容器，磁流变液注入完成后，密封磁流变液注入口1，并开始记录沉降时间；

c.使用电容值测量装置读取磁流变液沉降过程电容监测装置的其中一对或者多对电容器导体极板6之间的电容值C_yi，检测不到电容值C_yi时，需调整电容读取装置量程，直至读取到电容值；

d.数据处理装置将步骤a中测得的装置初始电容值C_air通过公式(3)求解出磁流变液沉降过程电容监测装置的空气介质电容率ε_air；

数据处理装置将步骤c中读取的电容数值，通过公式求解出步骤c中测量的磁流变液沉降过程中一个或者多个以磁流变液为介质的圆柱形电容器的介质电容率ε_ri；

数据处理装置将求解得到的ε_ri和ε_air通过公式求出步骤c中测量的一个或者多个以磁流变液为介质的圆柱形电容器的电容率比率τ_i；

e.测量出的电容率比率τ_i，实时在显示屏中显示出来，可以显示出步骤c中测量的一个或者多个高度层的磁流变液沉降过程的沉降特性变化情况；

f.经过一个预定的时间段，判定是否结束磁流变液沉降状态测量，如需继续测量，重复进行步骤c～步骤e，如不需继续测量，则结束。

本发明的有益效果在于：

通过本发明的方法进行磁流变液沉降特性的测量，克服了现有方法不能实现局部测量、测量精度不高、测量方法易对沉降过程产生扰动等缺陷。可实现对磁流变液沉降过程中沉降特性的嵌入式监测，实现了局部、实时的动态监测，且测量方法对磁流变液沉降过程无任何扰动，提高了测量精度。

附图说明

图1为圆柱形电容器的示意图；

图2为本发明的监测磁流变液沉降特性的方法流程图；

图3为本发明的磁流变液沉降过程电容监测装置的结构示意图。

附图标记：

1磁流变液注入口 2底座 3内筒

4外筒 5磁流变液 6电容器导体极板

11内圆柱形导体 12外圆柱形导体

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

介质电容率是介质材料属性之一，介质材料种类及组分的变化会改变其电容率。在磁流变液作为电容器介质的测量容器中，磁流变液沉降过程中，不同液面高度的磁流变液组分含量发生变化，使得不同液面高度处具有不同的电容率。

在基于电容率的监测磁流变液沉降特性的方法中，磁流变液沉降过程中不同液面高度电容率的不同会表现为磁流变液沉降状态监测装置的电容的变化，因此借助磁流变液沉降状态监测装置中磁流变液不同液面高度的电容值不同，反向求解出该处的介质相对电容率，通过介质电容率比率及求解的电容率与电容器的空气电容率比值表示该处沉降特性的变化情况。

如图1所示，内圆柱形导体11和外圆柱形导体12同心放置，构成一个圆柱形电容器，该电容器的内圆环半径为R₁，外圆环半径为R₂，长度为l，建立图1所示柱坐标系，其中，沿电容器长度方向设立纵坐标z，与电容器长度方向垂直的方向设立横坐标r，求解电容方程如下：

式中α为与l有关的比例系数；U为半径为r的电容器极板电势；且

由上述公式可知，U₀为电势U在电容器(R₁,z)位置时的电势，即U₀＝U(R₁,z)。

通过高斯定理知：穿过一封闭曲面的电通量与封闭曲面所包围的电荷量成正比。公式如下：

在圆柱形电容器中，极板为封闭的圆柱状，其电场是不均匀的，则该处电通量φ_e为电势U对半径r求偏导数后的积分：

因此：

则任意长度的圆柱形电容器电容C_y的计算公式为：

式中ε₀为真空电容率，ε_r为导体间的介质电容率。

可推出磁流变液静置沉降试验过程中电容器介质相对电容率计算公式：

上式中：i＝1,2,3...，其中k为常数，

上式(3)可知：将C_air＝C_y带入上式(3)，即可求出ε_air。

为消除有限长度电容器两导体间的边缘效应对试验数据的影响，定义电容率比率τ_i表征磁流变液沉降过程的沉降情况。

式中ε_air表示未注入磁流变液时测量的该装置电容率，可理解为装置空气电容率。

实际磁流变产品的应用中，可将该方法制作的电容器嵌入到磁流变液产品内部，实现磁流变液沉降率及沉降特性的嵌入式测量。通过减小电容器的长度l，将多个电容器极板间隔一定距离且平行地嵌入到磁流变液产品内部，可实现磁流变液无数个高度层的沉降特性监测。

该方法不仅可应用于实验室试验装置的检测，还可将该方法提及的电容器嵌入到磁流变液实际应用产品中即可实现磁流变液服役或应用产品的实时嵌入式监测。将该方法提出的电容器嵌入在磁流变液实际应用产品如桥梁、建筑、车辆等需要减震的领域，即可实现磁流变液服役或应用产品的实时嵌入式监测。

因此，本发明提出一种磁流变液沉降过程电容监测装置，如图3所示，该装置包括磁流变液注入口1、底座2、内筒3、外筒4、电容器导体极板6、电容值测量装置和数据处理装置。

内筒3和外筒4为圆柱形，同心放置，构成中空圆柱体，内筒3和外筒4构成的中空圆柱体设置在底座2上，内筒3和外筒4构成的间隙的底部设置磁流变液注入口1，相较于从磁流变液沉降过程电容监测装置上部间隙处注入磁流变液，磁流变液5从该装置底部的磁流变液注入口1注入，可减少气泡的混入，内、外筒极板间隙中的磁流变液夹杂气泡会使磁流变液介质不均匀、不稳定，不利于整个磁流变液沉降过程电容的监测。

多对电容器导体极板6沿中空圆柱体高度方向贴覆于内筒3外侧和外筒4内侧，构成多个电容器，同一高度层的一对电容器导体极板6正对，使电容器的极板正对面积更均匀，减少电容器对磁流变液沉降过程电容测量的影响。

电容值测量装置和数据处理装置连接。

如图2所示，使用上述监测装置监测磁流变液沉降特性的方法，包括如下步骤：

a.测取装置空气介质时的磁流变液沉降过程电容监测装置的装置初始电容值C_air。

b.将充分摇匀的磁流变液经磁流变液注入口1注入磁流变液沉降过程电容监测装置中的多对电容器导体极板6之间，形成多个以磁流变液为介质的圆柱形电容器，磁流变液注入完成后，密封磁流变液注入口1，并开始记录沉降时间。

c.使用电容值测量装置读取磁流变液沉降过程电容监测装置的其中一对或者多对电容器导体极板6之间的电容值C_yi。检测不到电容值C_yi时，需调整电容读取装置量程，直至读取到电容值。

d.数据处理装置将步骤a中测得的装置初始电容值C_air通过公式求解出磁流变液沉降过程电容监测装置的空气介质电容率ε_air；

数据处理装置将步骤c中读取的电容数值，通过公式求解出步骤c中测量的磁流变液沉降过程中一个或者多个以磁流变液为介质的圆柱形电容器的介质电容率ε_ri；

数据处理装置将求解得到的ε_ri和ε_air通过公式求出步骤c中测量的一个或者多个以磁流变液为介质的圆柱形电容器的电容率比率τ_i。

e.测量出的电容率比率τ_i，实时在显示屏中显示出来，可以显示出步骤c中测量的一个或者多个高度层的磁流变液沉降过程的沉降特性变化情况。

f.经过一个预定的时间段，判定是否结束磁流变液沉降状态测量，如需继续测量，重复进行步骤c～步骤e，如不需继续测量，则结束。

Claims (2)

1.一种磁流变液沉降过程电容监测装置，其特征在于：该装置包括磁流变液注入口(1)、底座(2)、内筒(3)、外筒(4)、电容器导体极板(6)、电容值测量装置和数据处理装置；

内筒(3)和外筒(4)为圆柱形，同心放置，构成中空圆柱体，内筒(3)和外筒(4)构成的中空圆柱体设置在底座(2)上，内筒(3)和外筒(4)构成的间隙的底部设置磁流变液注入口(1)；

多对电容器导体极板(6)沿中空圆柱体高度方向贴覆于内筒(3)外侧和外筒(4)内侧，构成多个电容器，同一高度层的一对电容器导体极板(6)正对；

电容值测量装置和数据处理装置连接。

2.使用如权利要求1所述的磁流变液沉降过程电容监测装置监测磁流变液沉降特性的方法，其特征在于：包括如下步骤：

a.测取装置空气介质时的磁流变液沉降过程电容监测装置的装置初始电容值C_air；

b.将充分摇匀的磁流变液经磁流变液注入口(1)注入磁流变液沉降过程电容监测装置中的多对电容器导体极板(6)之间，形成多个以磁流变液为介质的圆柱形电容器，磁流变液注入完成后，密封磁流变液注入口(1)，并开始记录沉降时间；

c.使用电容值测量装置读取磁流变液沉降过程电容监测装置的其中一对或者多对电容器导体极板(6)之间的电容值C_yi，检测不到电容值C_yi时，需调整电容读取装置量程，直至读取到电容值；

d.数据处理装置将步骤a中测得的装置初始电容值C_air通过公式求解出磁流变液沉降过程电容监测装置的空气介质电容率ε_air；

数据处理装置将步骤c中读取的电容数值，通过公式求解出步骤c中测量的磁流变液沉降过程中一个或者多个以磁流变液为介质的圆柱形电容器的介质电容率ε_ri；

上述公式中，R₁为电容器的内圆环半径；U为半径为r的电容器极板电势；ε₀为真空电容率，ε_r为导体间的介质电容率；i＝1,2,3...，其中k为常数；

数据处理装置将求解得到的ε_ri和ε_air通过公式求出步骤c中测量的一个或者多个以磁流变液为介质的圆柱形电容器的电容率比率τ_i；

e.测量出的电容率比率τ_i，实时在显示屏中显示出来，可以显示出步骤c中测量的一个或者多个高度层的磁流变液沉降过程的沉降特性变化情况；

f.经过一个预定的时间段，判定是否结束磁流变液沉降状态测量，如需继续测量，重复进行步骤c～步骤e，如不需继续测量，则结束。