CN107024414A - 磁流变液流变特性的微观观测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种磁流变液在光学显微镜和超声近场作用下磁场无级可调的微观动态变化观测方法及装置，其特征是通过一个基于超声换能器的超声近场发生装置，利用换能器的纵振激发振动板的弯振从而对容腔中磁流变液施加超声场，磁轭由电工纯铁材料制得，保证磁感线被限制在所设计的磁路中，减少了磁漏，磁流变液容腔中的磁感应强度均匀。采用直线超声电机驱动剪切块，对磁流变液施加剪切力。本发明具有方法结构简单，体积小，工作效果好，可大规模应用于多场耦合下的磁流变液机理研究。

Description

磁流变液流变特性的微观观测方法及装置

技术领域

本发明涉及超声近场对微观颗粒操控技术以及磁流变液材料技术，尤其是一种磁流变液流变特性观测方法装置，具体地说是一种磁流变液在超声近场和磁场耦合下的磁流变液中磁性颗粒和流变现象的微观观测方法及装置。

背景技术

超声场是一种振动频率在超声频段的机械波。在距离这种机械波辐射面很近的位置会产生较强的声辐射力，通过声辐射力的变化可来操控颗粒的位置，达到微观颗粒操控的目的。这也是多年来超声领域研究的重点之一。

磁流变液是一种流变特性可控的新型智能材料，具有响应快（毫秒级）、连续可调、能耗低等优良特点，是智能材料研究中较为活跃的一支。典型的磁流变液是由微米级高磁导率、低磁滞性的软磁材料颗粒分散于非导磁性载液（油和水）中形成的悬浮液，其物理状态和流变特性能够随外加磁场的变化而变化：在零磁场作用下其表现出良好的低粘度的牛顿流体特性；而在磁场作用下，黏度可瞬间增加两个数量级以上，并呈现出高粘度、低流动性的类固体力学特征，并且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度存在稳定的关系。因此磁流变是一种用途广泛、性能优良的智能材料，一直是功能材料研究体系中重点，很多学者在理论领域已经取得了很多成就，但都是集中于磁流变液在磁场和温度场下的剪切特性以及测试磁流变液的性能参数。

随着磁流变液应用的越来越广泛，在不同的领域有着不同的性能要求，由于磁流变液粘度随磁场增加的响应极快，但是在某些应用要求磁流变液粘度可精确调控并且调控更加广泛。在现有超声近场对微观颗粒研究的基础上，选择向磁流变液施加超声近场，但目前并没有超声场和磁场耦合下的磁流变效应的观测设备与装置。

故考虑到该技术领域空白以及成本、直观性和高效便捷性，设计了基于驻波超声近场和磁场无级可调的磁流变液流变微观观测装置，可大规模应用于多场耦合下的磁流变液机理研究。

发明内容

本发明的目的是针对目前尚无一种能同时观察超声波和磁场对磁流变液作用情况的方法及装置而不能实现有效观察和研究，制约了该项工作开展的问题，发明一种能够同时向磁流变液施加不同强度的超声近场和磁场，并且可直观观测在不同强度超声场和不同强度磁场耦合作用或者单个场分别作用下的磁流变液微观流变过程的方法及其装置。同时在整个装置中加装速度、位移以及拉力传感器可实现对该种情况下磁流变液剪切特性测量。

本发明的技术方案之一是：

一种磁流变液在光学显微镜和超声近场作用下磁场无级可调的微观动态变化观测方法，其特征是首先在磁流变液容腔一侧安装一个基于超声换能器的超声近场发生装置，利用换能器的纵振激发振动板的弯振从而对容腔中磁流变液施加超声场，振动板夹持在其振动节点位置；整个工作台由黄铜材料制成，磁轭由电工纯铁材料制得，保证磁感线被限制在所设计的磁路中；采用直线超声电机带动剪切板从而对磁流变液实施剪切运动；在磁流变液容腔的底部镶嵌有由有机玻璃制得的透光板，由LED发光板发出的光线经过工作台光源缝透过透光板照亮磁流变液，显微镜物镜位于磁流变液容腔正上方，从而可以分别观测在不同强度超声近场作用下及不同磁场强度下的磁流变液微观流变过程，亦可观测超声场及磁场耦合作用下的磁流变液微观流变过程。

本发明的基于变幅杆式超声换能器的超声近场发生装置利用变幅杆将由夹心式换能器基于压电陶瓷d₃₃逆压电效应所产生的轴向纵振放大，激发振动板的弯曲振动，从而对磁流变液容腔中的磁流变液施加超声近场，换能器通过节点位置处的法兰盘夹持，振动板在其振动节点位置进行夹持以减小对其振动模态的干扰。

采用励磁线圈和电工纯铁材料制得的磁轭对磁流变液施加磁场，在磁轭开槽，槽中布置磁流变液容腔和剪切块，以便于磁路中磁感线尽可能多的穿越过磁流变液，整个磁场发生组件镶嵌于工作台中，而工作台是由黄铜材料加工而成，大大减少了磁漏，这种施加磁场方式可使磁流变液获得稳定的并且磁场强度无级可调的磁场；

剪切块是由导磁率不低的低碳钢材料制得，磁阻较小，在整个磁路中把磁通势降落在磁流变液两侧，在剪切块底部安装有轴承滚轮，可减少摩擦力，防止剪切块运动卡死；采用直线超声电机驱动剪切块，超声电机对整个装置无磁场干扰，可进一步保证磁场的均匀；超声电机的控制特性好可实现往复剪切，同时电机推力较大可剪切施加较大磁场强度下的磁流变液，实现了较大范围的动态观测。

左右移动显微镜物镜观测不同相位处，不同超声振幅下的磁流变液效应动态变化；在整个装置中加装速度、位移以及拉力传感器可实现对在不同强度超声场和不同强度磁场耦合或者单个作用下的磁流变液剪切特性的测量。

本发明的技术方案之二是：

一种磁流变液在光学显微镜和超声近场作用下磁场无级可调的微观动态变化观测装置，它包括显微镜13和工作台15，工作台15放置在显微镜15的镜头下方，其特征是所述的工作台15上安装有超声换能器4、励磁线圈2、磁轭1、磁流变液容腔9、直线超声电机14和剪切块11，超声换能器4连接有振动板5，振动板5布置在磁流变液容腔9的一侧，从而对磁流变液施加驻波超声近场；在磁流变液容腔9的另一侧安装有倒“L”状的剪切块11，剪切块11的立板外侧与其安装槽剪切面7光滑贴合，对磁流变液起到密封作用也减少了剪切时的摩擦阻力；在剪切块11的横板下侧安装有四个小轴承滚轮10，使得剪切块11可在工作台15上自由滑动防止卡死；为了安装槽加工方便以及电工纯铁磁轭1的限制，剪切块11的近磁流变液容腔9一侧的滚轮滚道与工作台15分离并设计反“L”状的导轨板16，导轨板16与剪切块11立板内侧留有间隙，防止摩擦卡死，导轨板16底部与工作台15通过沉头螺钉与工作台15连接；剪切块11与直线超声电机14的动子12通过连接板8连接在一起，从而使动子12带动剪切块11一起往复直线运动，使剪切板11实现剪切作用；在磁流变容腔9的底部镶嵌有由有机玻璃制得的透光板19；透光板19的下侧切割有工作台光源缝18，在工作台15与光源缝18对应的位置粘贴有LED发光板17；励磁线圈2和磁轭1镶嵌于工作台15中并对磁流变液施加磁场，在磁轭回路中留有间距，磁轭1依次将导轨板16、剪切块11立板、磁流变液容腔9和振动板5夹于间距之中，以便于磁路中磁感线3穿越过磁流变液。

在振动板5与工作台15之间应留有间隙以防止对振动板5的模态产生干扰，但在振动节点位置6处、振动板5安装槽内设置有夹持凸起，也用于防止对振动板5振动模态的干扰，同时对磁流变液起到密封作用。

所述的磁流变液容腔9的宽度为2mm。

所述的光源缝18的宽度应宽于磁流变液容腔9的宽度，以透过足够的光线照亮磁流变液容腔9中的磁流变液。

所述的而工作台15由黄铜材料加工而成，大大减少了磁漏，使得磁感线在所设计的磁路中穿越，磁流变液容腔9中的磁感应强度更加均匀；这种施加磁场方式可使磁流变液获得稳定的并且磁场强度可调的磁场；所述的导轨板16、剪切块11和振动板5均由导磁碳钢材料加工而而，使得在整个磁路中除了必要的空气间隙外尽可能的把磁通势降落在磁流变液两侧。

本发明的有益效果是：

本发明可以直观的观测出近场驻波超声场对磁流变液效应的影响，同时采用线圈和磁轭施加无级可调磁场，采用直线超声电机直接输出剪切力，超声电机也无磁场干扰，不会干扰磁轭中的磁感线。本发明的显微镜也是实验室设备，容易获得，故成本不高，便于实验室应用。

附图说明

图1为观测装置的立体结构及其工作台局部放大示意图。

图2是本发明的超声振动发生部件模态图。

图3是本发明的工作台的俯视结构示意图。

图4本发明的工作台横截面剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的结构作进一步的详细说明。

如图1-4所示。

一种磁流变液在光学显微镜和超声近场作用下磁场无级可调的微观动态变化观测方法，首先在磁流变液容腔一侧安装一个基于超声换能器的超声近场发生装置，利用换能器的纵振激发振动板的弯振从而对容腔中磁流变液施加超声场，振动板夹持在其振动节点位置；整个工作台由黄铜材料制成，磁轭由电工纯铁材料制得，保证磁感线被限制在所设计的磁路中；采用直线超声电机带动剪切板从而对磁流变液实施剪切运动；在磁流变液容腔的底部镶嵌有由有机玻璃制得的透光板，由LED发光板发出的光线经过工作台光源缝透过透光板照亮磁流变液，显微镜物镜位于磁流变液容腔正上方，从而可以分别观测在不同强度超声近场作用下及不同磁场强度下的磁流变液微观流变过程，亦可观测超声场及磁场耦合作用下的磁流变液微观流变过程。利用变幅杆将由夹心式换能器基于压电陶瓷d₃₃逆压电效应所产生的轴向纵振放大，激发振动板的弯曲振动，从而对磁流变液容腔中的磁流变液施加超声近场，换能器通过节点位置处的法兰盘夹持，振动板在其振动节点位置进行夹持以减小对其振动模态的干扰；采用励磁线圈和电工纯铁材料制得的磁轭对磁流变液施加磁场，在磁轭开槽，槽中布置磁流变液容腔和剪切块，以便于磁路中磁感线尽可能多的穿越过磁流变液，整个磁场发生组件镶嵌于工作台中，而工作台是由黄铜材料加工而成，大大减少了磁漏，这种施加磁场方式可使磁流变液获得稳定的并且磁场强度无级可调的磁场；剪切块是由导磁率不低的低碳钢材料制得，磁阻较小，在整个磁路中把磁通势降落在磁流变液两侧，在剪切块底部安装有轴承滚轮，可减少摩擦力，防止剪切块运动卡死；

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，采用直线超声电机驱动剪切块，超声电机对整个装置无磁场干扰，可进一步保证磁场的均匀；超声电机的控制特性好可实现往复剪切，同时电机推力较大可剪切施加较大磁场强度下的磁流变液，实现了较大范围的动态观测；左右移动显微镜物镜还可观测不同相位处，不同超声振幅下的磁流变液效应动态变化；在整个装置中加装速度、位移以及拉力传感器可实现对在不同强度超声场和不同强度磁场耦合或者单个作用下的磁流变液剪切特性的测量。

实施例二。

一种磁流变液在光学显微镜和超声近场作用下磁场无级可调的微观动态变化观测装置，如图1、图3和图4所示，磁流变液流变特性在超声近场和无级可调磁场作用下的微观观测装置，包括一个基于变幅杆式超声换能器4的超声近场发生装置，利用变幅杆将由夹心式换能器基于压电陶瓷d₃₃逆压电效应所产生的轴向纵振放大，激发振动板5的弯曲振动，其振动模态仿真图如图2，并将振动板5布置在2mm宽的磁流变液容腔9一侧，从而对磁流变液施加驻波超声近场。为了不干扰振动板5的模态，振动板5与工作台15之间应留有间隙，但在振动节点位置6，振动板5安装槽内设置有夹持凸起，这对振动板5振动模态无干扰，同时对磁流变液起到密封作用。在磁流变液容腔9的另一侧安装有倒“L”状的剪切块11，剪切块11的立板外侧与其安装槽剪切面7光滑贴合，对磁流变液起到密封作用也减少了剪切时的摩擦阻力。在剪切块11的横板下侧安装有四个小轴承滚轮10，使得剪切块11可在工作台15上自由滑动防止卡死。为了安装槽加工方便以及电工纯铁磁轭1的限制，将剪切块11的近磁流变液容腔9一侧的滚轮滚道与工作台15分离，设计成反“L”状的导轨板16，其与剪切块11立板内侧留有间隙，防止摩擦卡死，导轨板16底部与工作台15通过沉头螺钉与工作台15连接。剪切块11与直线超声电机的动子12通过连接板8连接在一起，因此电机动子12可以带动剪切块11一起往复直线运动，从而可以对剪切板11实施剪切作用。在磁流变容腔9的底部镶嵌有由有机玻璃制得的透光板19，通过工程胶水与工作台15粘贴。透光板19的下侧在切割出工作台光源缝18，在工作台15与光源缝18对应的位置粘贴有LED发光板17，由LED发光板17发出的光线经过工作台光源缝18透过透光板19照亮磁流变液，光源缝18的宽度应宽于磁流变液容腔9的宽度，这样可以透过足够的光线照亮磁流变液。整个装置采用励磁线圈2和电工纯铁材料制得的磁轭1对磁流变液施加磁场，在磁轭回路中留有间距，使得磁轭1依次将导轨板16、剪切块11立板、磁流变液容腔9和振动板5夹于间距之中，以便于磁路中磁感线3尽可能多的穿越过磁流变液，整个磁场发生组件镶嵌于工作台15中，而工作台15是由黄铜材料加工而成，大大减少了磁漏，使得磁感线在所设计的磁路中穿越，磁流变液容腔9中的磁感应强度更加均匀。这种施加磁场方式可使磁流变液获得稳定的并且磁场强度可调的磁场。在整个磁路中导轨板16、剪切块11和振动板5均由导磁率不低的低碳钢材料加工而得，这使得在整个磁路中除了必要的空气间隙外尽可能的把磁通势降落在磁流变液两侧。显微镜物镜20位于磁流变液容腔9正上方，从而观测在不同强度驻波超声近场和不同强度磁场耦合或者单个作用下的磁流变液微观流变过程。左右移动显微镜物镜20还可观测不同驻波超声振幅下的磁流变液效应动态变化。整个工作台15放置于显微镜载物台21上。

本装置使用时，先将磁流变液材料添加于磁流变液容腔中，然后将超声换能器的驱动器通电，此时振动板在振动，向磁流变液施加超声场。再将线圈通电并且缓慢增加线圈中的电流，此时开始向磁流变液施加磁场，通过显微镜可观察和记录磁流变液的流变过程。显微镜优选采用带有自动摄像和摄影功能的显微镜，以便于记录。然后启动直线超声电机，当超声电机的推力大于磁流变液剪切屈服力的时候，剪切块在往复的运动，此时通过显微镜能够观察和记录磁流变在超声场和磁场作用下的微观变化情况。超声场和磁场的强度均可以调节。并且可以直观对比观测超声场对磁流变液效应的影响。

具体实施时，在整个装置中还可通过加装速度、位移以及拉力传感器实现对在不同强度驻波超声近场和不同强度磁场耦合或者单个作用下的磁流变液剪切特性的测量，这一点在权利保护范围之内。另外，具体实施时，线圈和超声换能器驱动器可以集成在系统中，通过USB接口直接与计算机相连，并开发控制软件以便可以控制向磁流变液施加的超声场和磁场的强度，仍然纳入本发明保护范围内。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种磁流变液在光学显微镜和超声近场作用下磁场无级可调的微观动态变化观测方法，其特征是首先在磁流变液容腔一侧安装一个基于超声换能器的超声近场发生装置，利用换能器的纵振激发振动板的弯振从而对容腔中磁流变液施加超声场，振动板夹持在其振动节点位置；整个工作台由黄铜材料制成，磁轭由电工纯铁材料制得，保证磁感线被限制在所设计的磁路中；采用直线超声电机带动剪切板从而对磁流变液实施剪切运动；在磁流变液容腔的底部镶嵌有由有机玻璃制得的透光板，由LED发光板发出的光线经过工作台光源缝透过透光板照亮磁流变液，显微镜物镜位于磁流变液容腔正上方，从而可以分别观测在不同强度超声近场作用下及不同磁场强度下的磁流变液微观流变过程，亦可观测超声场及磁场耦合作用下的磁流变液微观流变过程。

2.根据权利要求1所述的观测方法，其特征利用变幅杆将由夹心式换能器基于压电陶瓷d₃₃逆压电效应所产生的轴向纵振放大，激发振动板的弯曲振动，从而对磁流变液容腔中的磁流变液施加超声近场，换能器通过节点位置处的法兰盘夹持，振动板在其振动节点位置进行夹持以减小对其振动模态的干扰。

3.根据权利要求1所述的观测方法，其特征在于采用励磁线圈和电工纯铁材料制得的磁轭对磁流变液施加磁场，在磁轭开槽，槽中布置磁流变液容腔和剪切块，以便于磁路中磁感线尽可能多的穿越过磁流变液，整个磁场发生组件镶嵌于工作台中，而工作台是由黄铜材料加工而成，大大减少了磁漏，这种施加磁场方式可使磁流变液获得稳定的并且磁场强度无级可调的磁场。

4.根据权利要求1所述的观测方法，其特征在于剪切块是由导磁率不低的低碳钢材料制得，磁阻较小，在整个磁路中把磁通势降落在磁流变液两侧，在剪切块底部安装有轴承滚轮，可减少摩擦力，防止剪切块运动卡死；采用直线超声电机驱动剪切块，超声电机对整个装置无磁场干扰，可进一步保证磁场的均匀；超声电机的控制特性好可实现往复剪切，同时电机推力较大可剪切施加较大磁场强度下的磁流变液，实现了较大范围的动态观测。

5.根据权利要求1所述的观测方法，其特征在于左右移动显微镜物镜观测不同相位处，不同超声振幅下的磁流变液效应动态变化；在整个装置中加装速度、位移以及拉力传感器可实现对在不同强度超声场和不同强度磁场耦合或者单个作用下的磁流变液剪切特性的测量。

6.一种权利要求1所述方法使用的观测装置，它包括显微镜（13）和工作台（15），工作台（15）放置在显微镜（15）的镜头下方，其特征是所述的工作台（15）上安装有超声换能器（4）、励磁线圈（2）、磁轭（1）、磁流变液容腔（9）、直线超声电机（14）和剪切块（11），超声换能器（4）连接有振动板（5），振动板（5）布置在磁流变液容腔（9）的一侧，从而对磁流变液施加驻波超声近场；在磁流变液容腔（9）的另一侧安装有倒“L”状的剪切块（11），剪切块（11）的立板外侧与其安装槽剪切面（7）光滑贴合，对磁流变液起到密封作用也减少了剪切时的摩擦阻力；在剪切块（11）的横板下侧安装有四个小轴承滚轮（10），使得剪切块（11）可在工作台（15）上自由滑动防止卡死；为了安装槽加工方便以及电工纯铁磁轭（1）的限制，剪切块（11）的近磁流变液容腔（9）一侧的滚轮滚道与工作台（15）分离并设计反“L”状的导轨板（16），导轨板（16）与剪切块（11）立板内侧留有间隙，防止摩擦卡死，导轨板（16）底部与工作台（15）通过沉头螺钉与工作台（15）连接；剪切块（11）与直线超声电机（14）的动子（12）通过连接板（8）连接在一起，从而使动子（12）带动剪切块（11）一起往复直线运动，使剪切板（11）实现剪切作用；在磁流变容腔（9）的底部镶嵌有由有机玻璃制得的透光板（19）；透光板（19）的下侧切割有工作台光源缝（18），在工作台（15）与光源缝（18）对应的位置粘贴有LED发光板（17）；励磁线圈（2）和磁轭（1）镶嵌于工作台（15）中并对磁流变液施加磁场，在磁轭回路中留有间距，磁轭（1）依次将导轨板（16）、剪切块（11）立板、磁流变液容腔（9）和振动板（5）夹于间距之中，以便于磁路中磁感线（3）穿越过磁流变液。

7.根据权利要求6所述的观测装置，其特征是在振动板（5）与工作台（15）之间应留有间隙以防止对振动板（5）的模态产生干扰，但在振动节点位置（6）处、振动板（5）安装槽内设置有夹持凸起，也用于防止对振动板（5）振动模态的干扰，同时对磁流变液起到密封作用。

8.根据权利要求6所述的观测装置，其特征是所述的磁流变液容腔（9）的宽度为2mm。

9.根据权利要求6所述的观测装置，其特征是所述的光源缝（18）的宽度应宽于磁流变液容腔（9）的宽度，以透过足够的光线照亮磁流变液容腔（9）中的磁流变液。

10.根据权利要求6所述的观测装置，其特征是所述的而工作台（15）由黄铜材料加工而成，大大减少了磁漏，使得磁感线在所设计的磁路中穿越，磁流变液容腔（9）中的磁感应强度更加均匀；这种施加磁场方式可使磁流变液获得稳定的并且磁场强度可调的磁场；所述的导轨板（16）、剪切块（11）和振动板（5）均由导磁碳钢材料加工，使得在整个磁路中除了必要的空气间隙外尽可能的把磁通势降落在磁流变液两侧。