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一种磁流变液响应特性测试装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种磁流变液响应特性测试装置及其方法，包括C型导磁体和缠绕在C型导磁体上的励磁线圈，励磁线圈两端与电流源连接，C型导磁体开口处的两端端面上设置有绝缘涂层以及贴着绝缘涂层的导电片，C型导磁体的开口处还设置有位于两导电片之间框体，框体上侧和下侧被两导电片封住，框体内设置有位于两导电片之间的磁流变液，C型导磁体的开口处还设置有位于框体旁侧的高斯计，高斯计与框体之间留有间距。本发明磁流变液响应特性测试装置成本低、操作简单、使用方便，实验结果可靠；由于电流速度远大于磁流变液中铁磁性颗粒在磁场下的运动速度，因此用其导电性来评价响应性能具有较高的精度。

Description

一种磁流变液响应特性测试装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种磁流变液响应特性测试装置及其方法。
背景技术
磁流变液（Magnetorheological Fluid）是一种智能材料，其主要由微米级导磁性的颗粒（如羰基铁粉）、非导磁性的载液和相应的添加剂组成。在自然状态下，磁流变液呈现出一般牛顿流体的性质，而当从外部对磁流变液施加一定的磁场后，磁流变液将转化呈类固体的状态，这称为磁流变液的流变效应。因为这种特殊的性质，使得磁流变液近年来得到了极大的关注，利用磁流变液制成的设备例如磁流变阻尼器、磁流变制动器、抛光装置等开始广泛应用于各个领域。
磁流变液在外部磁场的作用下其内部的铁磁性颗粒将顺着磁场方向形成链状结构，该成链过程时间极短（毫秒级别）且成链过程受到如颗粒大小、颗粒浓度、载液粘度、添加剂等诸多因素影响极为复杂，无法用一般的研究方法去观测其成链过程的各种状态。倘若使用显微设备配合高速摄像机进行实验，则整个实验装置复杂且无法给出具有明确理论指导价值的实验数据。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种结构简单，成本低，使用方便的磁流变液响应特性测试装置及其方法。
本发明采用以下方案实现：一种磁流变液响应特性测试装置，包括C型导磁体和缠绕在C型导磁体上的励磁线圈，励磁线圈两端与电流源连接，C型导磁体开口处的两端端面上设置有绝缘涂层以及贴着绝缘涂层的导电片， C型导磁体的开口处还设置有位于两导电片之间框体，框体上侧和下侧被两导电片封住，框体内设置有位于两导电片之间的磁流变液，C型导磁体的开口处还设置有位于框体旁侧的高斯计，高斯计与框体之间留有间距。
进一步的，所述励磁线圈其中一端还连接有第一无感电阻，两个导电片之间连接有导线，所述导线上设置有电压源和第二无感电阻；还包括用以检测第一无感电阻、第二无感电阻和高斯计三者电压信号变化情况的示波器，所述高斯计经信号转换器与示波器相连接。
进一步的，所述C型导磁体由硅刚片叠加而成，相邻两片硅钢片通过中间的绝缘树脂粘接在一起。
本发明另一技术方案：一种磁流变液响应性能测试方法，采用如上所述的磁流变液响应特性测试装置，电流源产生的电流流经第一无感电阻通入励磁线圈时将在C型导磁体内部产生感应磁场，感应磁场被约束在导磁体内部并垂直穿出导磁体的一个开口端面，并按先后顺序分别穿过绝缘涂层、导电片、磁流变液、高斯计、导电片和绝缘涂层，最后从导磁体的另一个开口端面垂直穿入回到导磁内部而形成完整的磁回路，利用示波器比较第一无感电阻、第二无感电阻和高斯计三者的电压信号变化情况，通过磁流变液导电性能的变化情况同步反映其成链过程的特点。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明磁流变液响应特性测试装置成本低、操作简单、使用方便，实验结果可靠；由于电流速度远大于磁流变液中铁磁性颗粒在磁场下的运动速度，因此用其导电性来评价响应性能具有较高的精度；可广泛应用于磁流变液响应特性和内部成链状态的研究。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例构造示意图；
图2是本发明的测试流程图；
图中标号说明：1-励磁线圈；2-电流源；3-第一无感电阻；4-绝缘涂层；5-导电片；6-磁流变液；7-高斯计；8-C型导磁体；9-电压源；10-第二无感电阻；11-示波器；12-信号转换器、13-框体。
具体实施方式
如图1所示，一种磁流变液响应特性测试装置，包括C型导磁体8和缠绕在C型导磁体8上的励磁线圈1，励磁线圈1两端与电流源2连接，C型导磁体8开口处的两端端面上设置有绝缘涂层4以及贴着绝缘涂层的导电片5，导电片5为金属材质，C型导磁体8的开口处还设置有位于两导电片之间框体13，框体13上侧和下侧被两导电片封住，框体13内设置有位于两导电片之间的磁流变液6，磁流变液的上、下液面分别与两导电片接触，C型导磁体8的开口处还设置有位于框体旁侧的高斯计7，高斯计与框体之间留有间距。
因为该电路为串联电路，所以磁流变液中通过的电流同第二无感电阻中通过的电流大小一致，在未加磁场时，磁流变液为不导电状态其电阻无穷大，根据欧姆定律可知第二无感电阻两端电压为零；而当对磁流变施加一定的磁场后，磁流变的导电性能明显增强，此时电路中有电流通过，第二无感电阻的两端有电压，该种电压变化可由示波器检检测到。
在本实施例中，所述励磁线圈1其中一端还连接有第一无感电阻3，两个导电片之间连接有导线，所述导线上设置有电压源9和第二无感电阻10；还包括用以检测第一无感电阻3、第二无感电阻10和高斯计7三者电压信号变化情况的示波器11，示波器11为采样频率至少为兆赫兹以上的三通示波器，因为磁流变液的响应时间很快，只有高采样频率才能将磁流变液受磁场作用后的导电性能的变化情况较完整的采集到。
所述高斯计7经信号转换器12与示波器11相连接，高斯计7用于检测C型导磁体开口处的磁感应强度大小即作用到磁流变液的磁场大小，但高斯计7不直接与磁流变液6相接触而影响其导电性能，两片导电片间存在的电压差由电压源提供用以检测两导电片间的电阻变化情况，第一无感电阻和第二无感电阻都为给定阻值的高精密电阻，其感抗极小而几乎不产生感应电压，用示波器测量电阻上的电压值，再用欧姆定律公式：I=U/R计算得到流经电阻的电流大小，根据电路的串联结构可知流经第一无感电阻3和励磁线圈1的电流大小一致，流经第二无感电阻10和磁流变液6的电流大小一致。
在本实施例中，C型导磁体8开口的宽度为1~3mm，在开口处的磁场可认为是均匀强磁场；所述C型导磁体8由硅刚片叠加而成，相邻两片硅钢片通过中间的绝缘树脂粘接在一起，采用叠加硅钢片作为励磁铁芯的好处是可以避免铁芯内部涡流的产生而减少损耗。
磁流变液6的载液为绝缘性的油类物质，而分散质为具有导电能力的铁粉颗粒，其在自然状下不导电，因此与磁流变液6接触的两片金属导电片5之间没有电流通过，第二无感电阻10上没有电压值，而当磁流变液受到磁场作用时将开始生成链状结构，且随着时间推移其链状结构增多其导电能力也随之增强，这时导电片5之间有电流通过，第二无感电阻10上有电压存在，因此通过观测第二无感电阻10上的电压大小可以得知磁流变液内部成链的多少，其电压的变化快慢反映了磁流变液成链的快慢。
三通示波器11的三路测试接口分别接无感电阻3、10和信号转换器12输出的电压信号，根据第一无感电阻3上的电压信号可计算得到通入到励磁线圈的电流大小；由第二无感电阻10两端电压信号可计算得到通过磁流变液6的电流大小，其电流大小与磁流变的成链多少有关，也就是说第二无感电阻6上的电压信号时刻反映磁流变液中的成链状态。信号转换器12的输入信号为高斯测量得到的磁场强度值，由于导磁体8的开口缝隙很小可将通过其中的磁场作为均匀磁场处理，因此高斯计测得的磁场强度即为作用在磁流变液上的磁场强度；利用示波器11比较以上三者的电压信号变化就能够得到在磁流变液在不同磁场作用下的响应状态。
磁流变液的载液一般为油类物质如矿物油、硅油等，因此其在自然状态下几乎不导电。但在外部磁场的作用下，磁流变液内部开始形成链状，并且其导电能力随着链状结构的增加而越来越强，直到磁流变液内部形成稳定的链状结构而趋于定值，因此可直观的从磁流变液的导电能力上判断其在响应过程中内部链状结构的各种特性。
本发明磁流变液响应特性测试装置相比于使用复杂的显微观测设备来研究磁流变液的响应性能，具有设备成本低、操作简单、实验结果可靠的优点；由于电流速度远大于磁流变液中铁磁性颗粒在磁场下的运动速度，因此用其导电性来评价响应性能具有较高的精度；由于磁流变液的响应性能与很多因素有关，想要从理论上推导出其响应速度公式几乎是不可能的，而本发明则能够从其响应过程中导电性的变化数据直接拟合出可用的数学公式，十分简单但又不失准确性，可广泛应用于磁流变液响应特性和内部成链状态的研究，对相关领域的研究人员具有较高的参考价值。
一种磁流变液响应性能测试方法，采用如上所述的磁流变液响应特性测试装置，电流源产生的电流流经第一无感电阻通入励磁线圈时将在C型导磁体内部产生感应磁场，该感应磁场的方向可由励磁线圈的缠绕方向和电流流向用右手螺旋定理判定，由于C型导磁体和空气的相对磁导率相差很大，感应磁场被约束在导磁体内部并垂直穿出导磁体的一个开口端面，并按先后顺序分别穿过绝缘涂层、导电片、磁流变液、高斯计、导电片和绝缘涂层，最后从导磁体的另一个开口端面垂直穿入回到导磁内部而形成完整的磁回路，利用示波器比较第一无感电阻、第二无感电阻和高斯计三者的电压信号变化情况，通过磁流变液导电性能的变化情况同步反映其成链过程的特点。
磁流变液的响应性能除了受本身各种因素的影响外，还受到外加磁场的影响，磁场强度越高其响应速度越快。因此可通过控制电流源2通入到调节励磁线圈1中的电流大小调节C型导磁体作用到磁流变液6的磁场强度，并且可根据测试需求决定输入电流的波形，以研究不同磁场状态下的磁流变液响应性能。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种磁流变液响应特性测试装置，其特征在于：包括C型导磁体和缠绕在C型导磁体上的励磁线圈，励磁线圈两端与电流源连接，C型导磁体开口处的两端端面上设置有绝缘涂层以及贴着绝缘涂层的导电片， C型导磁体的开口处还设置有位于两导电片之间框体，框体上侧和下侧被两导电片封住，框体内设置有位于两导电片之间的磁流变液，C型导磁体的开口处还设置有位于框体旁侧的高斯计，高斯计与框体之间留有间距。
2.根据权利要求1所述的磁流变液响应特性测试装置，其特征在于：所述励磁线圈其中一端还连接有第一无感电阻，两个导电片之间连接有导线，所述导线上设置有电压源和第二无感电阻；还包括用以检测第一无感电阻、第二无感电阻和高斯计三者电压信号变化情况的示波器，所述高斯计经信号转换器与示波器相连接。
3.根据权利要求1所述的磁流变液响应特性测试装置，其特征在于：所述C型导磁体由硅刚片叠加而成，相邻两片硅钢片通过中间的绝缘树脂粘接在一起。
4.一种磁流变液响应性能测试方法，采用如权利要求2所述的磁流变液响应特性测试装置，其特征在于：电流源产生的电流流经第一无感电阻通入励磁线圈时将在C型导磁体内部产生感应磁场，感应磁场被约束在导磁体内部并垂直穿出导磁体的一个开口端面，并按先后顺序分别穿过绝缘涂层、导电片、磁流变液、高斯计、导电片和绝缘涂层，最后从导磁体的另一个开口端面垂直穿入回到导磁内部而形成完整的磁回路，利用示波器比较第一无感电阻、第二无感电阻和高斯计三者的电压信号变化情况，通过磁流变液导电性能的变化情况同步反映其成链过程的特点。
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