CN108387780B - 可控磁场下磁敏器件的压阻/剪阻性能的测试装置 - Google Patents

可控磁场下磁敏器件的压阻/剪阻性能的测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可控磁场下磁敏器件的压阻/剪阻性能的测试装置，其包括用于向待测器件施加压力/剪力的施力装置，用于为待测器件提供可控磁场的磁场发生装置，以及用于实时采集并存储施加在待测器件上的压力信息、磁场强度及其自身的电阻信息的信号采集装置，以及用于根据采集到的所述压力信息、磁场强度和电阻信息计算得到待测器件在不同磁场下的压阻/剪阻信息。该发明提出了一种新型力学传感器夹具设计方案，可以使压阻/剪阻的测试在同一台设备上进行；通过在装置中增加了磁场发生装置可对器件进行不同磁场下的压阻剪阻性能测试。

Description

可控磁场下磁敏器件的压阻/剪阻性能的测试装置
技术领域
本发明涉及一种可控磁场下磁敏器件的压阻/剪阻性能的测试装置。
背景技术
磁敏橡胶(Magneto-rheological Elastomers，MRE)器件(也称磁流变弹性体)是一种新型智能器件，在外加磁场作用下在几毫秒内可改变其剪切模量、拉伸模量和弹性特性，且在大拉伸、压缩或剪切作用下仍具有良好形变耗能能力。基于MRE设计的缓冲隔振系统可以克服传统被动式橡胶支座的不足，提高结构系统的抗冲防护能力，已成为结构抗震减灾领域的研究热点。
尽管新型的磁流变橡胶支座能够在一定程度上克服传统支座的缺陷，但其无法自感知受力大小，需借助各种传感器来实现感知，而后输入控制系统，大大增加了整个系统的反馈时延，遇到爆炸、地震、冲撞等瞬态大载荷冲击时，存在不能快速响应而引发事故的隐患。因此，对磁敏器件在磁场情况下的压阻/剪阻的性能研究就显得尤为重要，但是，目前缺少一个可以在可控磁场下测量磁敏器件压阻/剪阻性能的装置。主要难点在于：强磁场会对测量装置造成干扰，影响测试精度。因此，我们设计了一款可以在可控磁场下对磁敏器件的力学与电学性能进行检测的装置。
此装置将有助于深入分析不同磁场下磁敏橡胶的压阻/剪阻性能，为工程化应用磁敏橡胶的可控特性能提供技术支撑。
发明内容
本发明的目的是提供一种可控磁场下磁敏器件的压阻/剪阻性能的测试装置，可以测量磁敏器件在不同磁场下的压阻/剪阻信息。
为解决上述技术问题，本发明提供一种可控磁场下磁敏器件的压阻/剪阻性能的测试装置，包括用于向待测器件施加压力/剪力的施力装置，用于为待测器件提供可控磁场的磁场发生装置，以及用于实时采集并存储施加在待测器件上的压力信息、磁场强度及其自身的电阻信息的信号采集装置，以及用于根据采集到的所述压力信息、磁场强度和电阻信息计算得到待测器件在不同磁场下的压阻/剪阻信息。
进一步地，所述磁场发生装置包括底座、设置在所述底座上的套筒以及设置在所述套筒顶部的顶盖；所述底座的中部设有凸台，所述凸台与所述套筒之间设有励磁线圈，待测器件设置在凸台的顶部。
进一步地，所述顶盖与套筒之间设有5～10mm的间隙。
进一步地，所述待测器件的上下两侧分别设有一铁片。
进一步地，所述施力装置包括设置在所述磁场发生装置上方的模组，设置在所述模组上的夹具，以及用于调节模组上的夹具的运动轨迹的横轴步进电机和纵轴步进电机；所述夹具上设有向待测器件直接施力的压杆。
进一步地，所述夹具的底壁和侧壁上均设有条形孔；所述压杆通过紧固件固定在夹具的底壁上的条形孔内用于对待测器件施加压力，通过紧固件固定在夹具的侧壁上的条形孔内用于对待测器件施加剪力。
进一步地，所述信号采集装置包括设置在所述顶盖内用于测量施加在待测器件上磁场强度的磁敏传感器，设置在所述压杆与夹具之间用于测量施加在待测器件上的压力信息的压力传感器，以及与所述待测器件电连接用于测量待测器件自身的电阻信息的电桥电路。
进一步地，该测试装置还包括处理器，所述处理器的输入端与磁敏传感器连接，处理器的输出端通过驱动电路与励磁线圈连接，所述磁敏传感器连接在所述处理器的输入端，并和励磁线圈所产生的磁场形成闭环负反馈控制系统。
进一步地，所述处理器通过PWM控制器控制励磁线圈上的电流。
进一步地，该测试装置还包括与所述处理器连接的无线模块，可以实时传递信息给上位机，进而在上位机上进行数据的存储于数据分析。
本发明的有益效果为：该发明提出了一种新型力学传感器夹具设计方案，可以使压阻/剪阻的测试在同一台设备上进行；通过在装置中增加了磁场发生装置可对器件进行不同磁场下的压阻剪阻性能测试。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明一个实施例的磁场发生装置的结构示意图；
图2为本发明一个实施例的结构示意图；
图3为本发明一个实施例的总体控制结构的结构示意图；
图4为本发明另一个实施例的结构示意图；
其中：1、铁片；2、励磁线圈；4、底座；5、套筒；6、顶盖；7、待测器件；8、磁敏传感器；11、横轴步进电机；12、夹具；13、磁场发生装置；14、支架；15、压杆；16、压力传感器；17、模组；18、纵轴步进电机。
具体实施方式
一种可控磁场下磁敏器件的压阻/剪阻性能的测试装置，包括用于向待测器件7施加压力/剪力的施力装置，用于为待测器件7提供可控磁场的磁场发生装置13，以及用于实时采集并存储施加在待测器件7上的压力信息、磁场强度及其自身的电阻信息的信号采集装置，以及用于根据采集到的所述压力信息、磁场强度和电阻信息计算得到待测器件7在不同磁场下的压阻/剪阻信息。
如图1所示所述磁场发生装置13用于根据实验要求，为待测器件7施加稳定可调的磁场，其包括固定在支架14上的底座4、设置在所述底座4上的套筒5以及设置在所述套筒5顶部的顶盖6；所述底座4的中部设有凸台，所述凸台与所述套筒5之间设有励磁线圈2，待测器件7设置在凸台的顶部。
其中，套筒5与底座4之间采用螺纹紧密连接，在测试中将待测器件7通过导电胶黏贴在底座4中的凸台上，并在所述待测器件7的上下两侧分别设有一铁片1，而后将顶盖6黏贴在待测器件7的顶面上。为了不对磁敏器件受到压力后的形变造成干涉，并保证磁场不会泄露，在顶盖6与套筒5顶面之间需留有5～10mm间隙。
如图2和4所示，所述施力装置包括设置在所述磁场发生装置13上方的模组17，设置在所述模组17上的夹具12，以及用于调节模组17上的夹具12的运动轨迹的横轴步进电机11和纵轴步进电机18；所述夹具12上设有向待测器件7直接施力的压杆15。
所述夹具12的底壁和侧壁上均设有条形孔；所述压杆15通过紧固件固定在夹具12的底壁上的条形孔内用于对待测器件7施加压力，通过紧固件固定在夹具12的侧壁上的条形孔内用于对待测器件7施加剪力。
如图3所示，该测试装置还包括处理器，所述处理器的输入端与磁敏传感器连接，处理器的输出端通过驱动电路与励磁线圈连接，所述磁敏传感器8连接在所述处理器的输入端，并和励磁线圈2所产生的磁场形成闭环负反馈控制系统，所述处理器通过PWM控制器控制励磁线圈2上的电流。
当需对磁敏器件施加强度为b的磁场时，将b值输入处理器中，处理器通过驱动电路控制输入到励磁线圈2上的电流，磁敏传感器8实时监控励磁线圈2所产生的磁场强度并将其转化为电信号，通过AD转换传入控制器中利用PID算法使得励磁线圈2产生的磁场强度B快速逼近设置值b。
所述信号采集装置包括设置在所述顶盖6内用于测量施加在待测器件7上磁场强度的磁敏传感器8，设置在所述压杆15与夹具12之间用于测量施加在待测器件7上的压力信息的压力传感器16，以及与所述待测器件7电连接用于测量待测器件7自身的电阻信息的电桥电路。
施加在待测器件7上的压力信息的测量原理为：处理器通过控制步进电机驱动卡进而控制横轴步进电机11和纵轴步进电机18转动，通过模组17将电机转动转换为直线运动，对待测器件7施加压力/剪力，同时，通过力学传感器实时反馈给处理器所施加的力的大小，并通过显示器实时显示。
待测器件7自身的电阻信息的测量原理为：将待测器件7两段接入电桥电路，将电阻信号转化为电压信号，通过滤波与放大等信号处理电路，而后接入AD转换器，将模拟电压信号转化为数字信号传入处理器，在处理器中通过运算，求出器件电阻值，通过显示器实时显示当前器件电阻值。
此外，该测试装置还包括与所述处理器连接的无线模块，可以实时传递信息给上位机，进而在上位机上进行数据的存储于数据分析。
下面对如图2所示的用于压阻实验测试的测量装置的组装方法进行简单的介绍：
第一步：将待测器件7置于如图1所示的待测器件7处，并使用导电胶水将其与磁场发生装置13的底座4与顶盖6黏贴在一起。
第二步：通过键盘选择需要施加在待测器件7上的磁场类型(定值/交变)；如选择定值则输入目标磁场大小，如选择交变则输入目标磁场幅值与频率。处理器根据输入情况选择对应的控制策略，控制施加在励磁线圈2上的电流，以控制施加在器件上的磁场。
第三步：通过键盘选择施力装置的施力形式(静载荷/动载荷)，如选择静载荷则输入目标压力大小，如选择动载荷则输入施力速度与最大压力，通过步进电机控制器控制电机以对应方式运转，同时采集系统实时采集、存储施加在待测器件7上的力、磁与器件自身的电阻信息。
第四步：通过计算得出待测器件7在不同磁场下的压阻信息。
下面对如图4所示的用于压阻实验测试的测量装置的组装方法进行简单的介绍：
第一步：将待测器件7置于如图1中的待测器件7处，并使用导电胶水将其与磁场发生装置13的底座4与顶盖6黏贴在一起。
第二步：通过键盘选择需要施加在待测器件7上的磁场类型(定值/交变)；如选择定值则输入目标磁场大小，如选择交变则输入目标磁场幅值与频率。处理器根据输入情况选择对应的控制策略，控制施加在励磁线圈2上的电流，以控制施加在器件上的磁场。
第三步：通过键盘选择施力装置的施力形式(静载荷/动载荷)，如选择静载荷则输入目标压力大小，如选择动载荷则输入施力速度与最大压力，通过步进电机控制器控制电机的以对应方式运转，同时采集系统实时采集、存储施加在待测器件7上的力、磁与器件自身的电阻信息。
第四步：通过计算得出待测器件7在不同磁场下的剪阻信息。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种可控磁场下磁敏器件的压阻/剪阻性能的测试装置，其特征在于，包括用于向待测器件施加压力/剪力的施力装置，用于为待测器件提供可控磁场的磁场发生装置，以及用于实时采集并存储施加在待测器件上的压力信息、磁场强度及其自身的电阻信息的信号采集装置，以及用于根据采集到的所述压力信息、磁场强度和电阻信息计算得到待测器件在不同磁场下的压阻/剪阻信息；所述磁场发生装置包括底座、设置在所述底座上的套筒以及设置在所述套筒顶部的顶盖；所述底座的中部设有凸台，所述凸台与所述套筒之间设有励磁线圈，待测器件设置在凸台的顶部；所述顶盖与套筒之间设有5～10mm的间隙；所述施力装置包括设置在所述磁场发生装置上方的模组，设置在所述模组上的夹具，以及用于调节模组上的夹具的运动轨迹的横轴步进电机和纵轴步进电机；所述夹具上设有向待测器件直接施力的压杆；所述夹具的底壁和侧壁上均设有条形孔；所述压杆通过紧固件固定在夹具的底壁上的条形孔内用于对待测器件施加压力，通过紧固件固定在夹具的侧壁上的条形孔内用于对待测器件施加剪力。
2.根据权利要求1所述的可控磁场下磁敏器件的压阻/剪阻性能的测试装置，其特征在于，所述待测器件的上下两侧分别设有一铁片。
3.根据权利要求1所述的可控磁场下磁敏器件的压阻/剪阻性能的测试装置，其特征在于，所述信号采集装置包括设置在所述顶盖内用于测量施加在待测器件上磁场强度的磁敏传感器，设置在所述压杆与夹具之间用于测量施加在待测器件上的压力信息的压力传感器，以及与所述待测器件电连接用于测量待测器件自身的电阻信息的电桥电路。
4.根据权利要求1所述的可控磁场下磁敏器件的压阻/剪阻性能的测试装置，其特征在于，该测试装置还包括处理器，所述处理器的输入端与磁敏传感器连接，处理器的输出端通过驱动电路与励磁线圈连接，所述磁敏传感器连接在所述处理器的输入端，并和励磁线圈所产生的磁场形成闭环负反馈控制系统。
5.根据权利要求4所述的可控磁场下磁敏器件的压阻/剪阻性能的测试装置，其特征在于，所述处理器通过PWM控制器控制励磁线圈上的电流。
6.根据权利要求5所述的可控磁场下磁敏器件的压阻/剪阻性能的测试装置，其特征在于，该测试装置还包括与所述处理器连接的无线模块，可以实时传递信息给上位机，进而在上位机上进行数据的存储与 数据分析。
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