CN109357973A - 一种磁流变液体粘度测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种磁流变液体粘度测试装置，包括：恒温箱、亥姆霍兹线圈、储液槽、加热片、剪切圆盘、数控电机、温度传感器、速度传感器、扭矩测试仪和数据采集控制系统；亥姆霍兹线圈设于恒温箱内，亥姆霍兹线圈的两个线圈间设支撑板，储液槽设在支撑板上；储液槽底部设加热片和与数据采集控制系统相连的温度传感器；剪切圆盘设在储液槽的槽口处，数控电机设在恒温箱内通过剪切圆盘带动磁流变液体产生层流流动，速度传感器和扭矩测试仪采集数控电机的转速和扭矩并发送给数据采集控制系统。本发明测试方法根据粘度与剪切屈服强度公式计算得到不同温度和磁场强度耦合作用下的磁流变液体粘度。该测试装置结构简单，各组件拆卸、清洗方便，测量结果准确。
Description
技术领域
本发明属于磁流变粘度研究技术领域，涉及一种磁流变液体粘度测试装置及测试方法。
背景技术
磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。其主要的工作原理是：根据磁场强度的强弱来改变其粘度的大小。这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性；而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的Bingham体特性；磁场撤离后磁流变液恢复呈牛顿流体特性的悬浊液状态。这种液体转变为半固体再从半固体转变为液体的过程是可控的、可逆的并且在控制过程中能耗很小，适用的温度范围较宽，对环境无污染。由此被广泛应用于阻尼器、抛光、传动等方面。因此准确测量其流变特性对于磁流变液的应用具有重要意义。然而磁流变液受磁场和温度的影响，如今被广泛用于测量粘度的旋转流变仪主要分为锥板、平行板以及同心圆筒三种形式。但目前仪器仍存在磁场分布均匀性较差、缺少温度调节装置且漏磁现象严重等问题造成测量误差较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁流变液体粘度测试装置及测试方法，能有效分析在温度和磁场共同耦合作用下的磁流变液粘度特性，其结构简单，各组件拆卸、清洗方便，测量结果准确。
本发明提供一种磁流变液体粘度测试装置，包括：恒温箱、亥姆霍兹线圈、储液槽、贴片式硅胶加热片、剪切圆盘、轴杆、数控电机、温度传感器、速度传感器、扭矩测试仪和数据采集控制系统；所述亥姆霍兹线圈设置于恒温箱内，亥姆霍兹线圈的两个圆形导体线圈之间设有支撑板，所述储液槽设置在支撑板上并位于磁场中心；所述储液槽上部设有盛装磁流变液体的圆柱体凹槽，其底部设有贴片式硅胶加热片，温度传感器紧贴贴片式硅胶加热片设置并通过导线与恒温箱外部的数据采集控制系统相连接；所述剪切圆盘封盖在圆柱体凹槽的槽口处，数控电机通过固定空心板固定在恒温箱内并通过轴杆带动所述剪切圆盘旋转进而带动磁流变液体产生层流流动，所述速度传感器和扭矩测试仪设置于恒温箱外部分别采集数控电机的转速和扭矩并发送给数据采集控制系统。
在本发明的磁流变液体粘度测试装置中，所述恒温箱由外层PVC板、中层保温板和内层PVC板构成；恒温箱顶部设有双开型箱盖，并设有圆弧把手，恒温箱侧壁上预留有导线孔，以供各导线穿过。
在本发明的磁流变液体粘度测试装置中，所述支撑板采用铝合金、铜合金或不锈钢等不导磁材料制成。
在本发明的磁流变液体粘度测试装置中，所述储液槽、剪切圆盘和轴杆均采用铝制材料制成，具有防磁化和耐高温作用。
在本发明的磁流变液体粘度测试装置中，所述亥姆霍兹线圈的两个圆形导体线圈的间距等于线圈半径，且储液槽位于亥姆霍兹线圈形成的磁场中心，亥姆霍兹线圈通过导线与外部电源相连接，向磁流变液体施加均匀磁场。
在本发明的磁流变液体粘度测试装置中，所述剪切圆盘与储液槽同轴心且封盖在槽口后与储液槽上表面平齐，以保证剪切圆盘转动时与磁流变液体紧密接触；所述储液槽预设有导线通道，可供贴片式硅胶加热片和温度传感器的导线从中穿过。
本发明还提供一种上述磁流变液体粘度测试装置的测试方法，包括以下步骤：
步骤1：将待测磁流变液体倒入储液槽中，并把各部件组装连接好，磁流变液体量要达到储液槽上表面的水平高度，以保证剪切圆盘与磁流变液体接触；
步骤2：通过数据采集控制系统控制数控电机带动轴杆、剪切圆盘共同转动，进而带动磁流变液体产生层流流动，待数值稳定后，记录初始温度为C0环境下，不施加磁场即零磁场条件下的扭矩值和角速度；
步骤3：贴片式硅胶加热片、亥姆霍兹线圈分别通过导线与外部电源相连接，在施加不同温度和磁感应强度的条件下，测得相应扭矩值、角速度及温度，直到磁流变液体达到磁饱和或剪切圆盘无法转动时为止；
步骤4：根据毕奥-萨伐尔定律计算得到磁感应强度B：
其中，μ0为磁常数，n为线圈匝数，I为电流，R为线圈半径；
步骤5：根据牛顿定律计算得到剪切速率υ：
其中，r为剪切圆盘半径，ω为角速度，h为储液槽内磁流变液体的高度；
步骤6：根据剪切原理公式计算得到剪切屈服强度τ：
其中，M为扭矩值，N为幂律系数；
步骤7：根据粘度与剪切屈服强度公式计算得到粘度η：
由此可得到在温度和磁感应强度共同耦合作用下的磁流变液体粘度的变化情况。本发明的一种磁流变液体粘度测试装置及测试方法，所述恒温箱具有保温功能，保证测试装置不受外部环境影响；各组件拆卸、清洗方便，同时，所使用的材料均不导磁，防止漏磁现象。所述磁流变液体的储液槽位于两个圆形导体线圈的中间位置，即位于磁场中心位置，克服了磁场不均匀问题。磁流变液体特性是毫秒级变化，本发明采用智能化实时控制和数据采集，从而使得测试结果精度较高，适于推广。
附图说明
图1是本发明的一种磁流变液体粘度测试装置的结构示意图；
图2是本发明的恒温箱的立体图；
图3是本发明的恒温箱内部的立体图。
具体实施方式
如图1至3所示，本发明的一种磁流变液体粘度测试装置，包括：恒温箱1、亥姆霍兹线圈2、储液槽3、贴片式硅胶加热片4、剪切圆盘5、轴杆6、数控电机7、温度传感器8、速度传感器9、扭矩测试仪10和数据采集控制系统11。
所述亥姆霍兹线圈2设置于恒温箱1内，亥姆霍兹线圈2的两个圆形导体线圈之间设有支撑板13，所述储液槽3设置在支撑板13上并位于磁场中心。支撑板13采用焊接的形式与亥姆霍兹线圈2固定。所述储液槽3上部设有盛装磁流变液体的圆柱体凹槽，其底部设有贴片式硅胶加热片4，温度传感器8紧贴贴片式硅胶加热片4设置并通过导线12与恒温箱1外部的数据采集控制系统11相连接。贴片式硅胶加热片4通过导线12与外部电源相连接，给磁流变液体加热。所述剪切圆盘5封盖在圆柱体凹槽的槽口处，数控电机7通过固定空心板14固定在恒温箱1内并通过轴杆6带动所述剪切圆盘5旋转进而带动磁流变液体产生层流流动，所述扭矩测试仪10和速度传感器9设置于恒温箱1外部分别采集数控电机7的扭矩和转速并发送给数据采集控制系统11。
具体实施时，所述剪切圆盘5与储液槽3同轴心且封盖在槽口后与储液槽3上表面平齐，以保证剪切圆盘5转动时与磁流变液体紧密接触。所述储液槽3预设有导线通道17，可供贴片式硅胶加热片4和温度传感器8的导线从中穿过。
具体实施时，所述恒温箱1由外层PVC板、中层保温板和内层PVC板构成。恒温箱1顶部设有双开型箱盖15，并设有圆弧把手16，恒温箱1侧壁上预留有导线孔18，以供各导线穿过。
具体实施时，支撑板13采用铝合金、铜合金或不锈钢等不导磁材料制成。所述储液槽3、剪切圆盘5和轴杆6均采用铝制材料制成，具有防磁化和耐高温作用。
具体实施时，亥姆霍兹线圈2的两个圆形导体线圈的间距等于线圈半径，且储液槽3位于亥姆霍兹线圈3形成的磁场中心，亥姆霍兹线圈3通过导线12与外部电源相连接，向磁流变液体施加均匀磁场。
本发明的一种磁流变液体粘度测试装置的测试方法，包括以下步骤：
步骤1：将待测磁流变液体倒入储液槽3中，并把各部件组装连接好，磁流变液体量要达到储液槽3上表面的水平高度，以保证剪切圆盘5与磁流变液体接触；
步骤2：通过数据采集控制系统11控制数控电机7带动轴杆6、剪切圆盘5共同转动，进而带动磁流变液体产生层流流动，待数值稳定后，记录初始温度为C0环境下，不施加磁场即零磁场条件下的扭矩值和角速度；
步骤3：贴片式硅胶加热片4、亥姆霍兹线圈2分别通过导线12与外部电源相连接，在施加不同温度和磁感应强度的条件下，测得相应扭矩值、角速度及温度，直到磁流变液体达到磁饱和或剪切圆盘5无法转动时为止；
步骤4：根据毕奥-萨伐尔定律计算得到磁感应强度B：
其中，μ0为磁常数，n为线圈匝数，I为电流，R为线圈半径；
步骤5：根据牛顿定律计算得到剪切速率υ：
其中，r为剪切圆盘半径，ω为角速度，h为储液槽内磁流变液体的高度；
步骤6：根据剪切原理公式计算得到剪切屈服强度τ：
其中，M为扭矩值，N为幂律系数；
步骤7：根据粘度与剪切屈服强度公式计算得到粘度η：
由此可得到在温度和磁感应强度共同耦合作用下的磁流变液体粘度的变化情况。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，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 (7)
1.一种磁流变液体粘度测试装置，其特征在于，包括：恒温箱、亥姆霍兹线圈、储液槽、贴片式硅胶加热片、剪切圆盘、轴杆、数控电机、温度传感器、速度传感器、扭矩测试仪和数据采集控制系统；所述亥姆霍兹线圈设置于恒温箱内，亥姆霍兹线圈的两个圆形导体线圈之间设有支撑板，所述储液槽设置在支撑板上并位于磁场中心；所述储液槽上部设有盛装磁流变液体的圆柱体凹槽，其底部设有贴片式硅胶加热片，温度传感器紧贴贴片式硅胶加热片设置并通过导线与恒温箱外部的数据采集控制系统相连接；所述剪切圆盘封盖在圆柱体凹槽的槽口处，数控电机通过固定空心板固定在恒温箱内并通过轴杆带动所述剪切圆盘旋转进而带动磁流变液体产生层流流动，所述速度传感器和扭矩测试仪设置于恒温箱外部分别采集数控电机的转速和扭矩并发送给数据采集控制系统。
2.如权利要求1所述的磁流变液体粘度测试装置，其特征在于，所述恒温箱由外层PVC板、中层保温板和内层PVC板构成；恒温箱顶部设有双开型箱盖，并设有圆弧把手，恒温箱侧壁上预留有导线孔，以供各导线穿过。
3.如权利要求1所述的磁流变液体粘度测试装置，其特征在于，所述支撑板采用铝合金、铜合金或不锈钢等不导磁材料制成。
4.如权利要求1所述的一种磁流变液体粘度测试装置，其特征在于，所述储液槽、剪切圆盘和轴杆均采用铝制材料制成，具有防磁化和耐高温作用。
5.如权利要求1所述的磁流变液体粘度测试装置，其特征在于，所述亥姆霍兹线圈的两个圆形导体线圈的间距等于线圈半径，且储液槽位于亥姆霍兹线圈形成的磁场中心，亥姆霍兹线圈通过导线与外部电源相连接，向磁流变液体施加均匀磁场。
6.如权利要求1所述的磁流变液体粘度测试装置，其特征在于，所述剪切圆盘与储液槽同轴心且封盖在槽口后与储液槽上表面平齐，以保证剪切圆盘转动时与磁流变液体紧密接触；所述储液槽预设有导线通道，可供贴片式硅胶加热片和温度传感器的导线从中穿过。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的磁流变液体粘度测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将待测磁流变液体倒入储液槽中，并把各部件组装连接好，磁流变液体量要达到储液槽上表面的水平高度，以保证剪切圆盘与磁流变液体接触；
步骤2：通过数据采集控制系统控制数控电机带动轴杆、剪切圆盘共同转动，进而带动磁流变液体产生层流流动，待数值稳定后，记录初始温度为C0环境下，不施加磁场即零磁场条件下的扭矩值和角速度；
步骤3：贴片式硅胶加热片、亥姆霍兹线圈分别通过导线与外部电源相连接，在施加不同温度和磁感应强度的条件下，测得相应扭矩值、角速度及温度，直到磁流变液体达到磁饱和或剪切圆盘无法转动时为止；
步骤4：根据毕奥-萨伐尔定律计算得到磁感应强度B：
其中，μ0为磁常数，n为线圈匝数，I为电流，R为线圈半径；
步骤5：根据牛顿定律计算得到剪切速率υ：
其中，r为剪切圆盘半径，ω为角速度，h为储液槽内磁流变液体的高度；
步骤6：根据剪切原理公式计算得到剪切屈服强度τ：
其中，M为扭矩值，N为幂律系数；
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