CN110940586A - 磁流变弹性体的响应时间检测装置及检测方法 - Google Patents

磁流变弹性体的响应时间检测装置及检测方法 Download PDF

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CN110940586A CN201911277046.7A CN201911277046A CN110940586A CN 110940586 A CN110940586 A CN 110940586A CN 201911277046 A CN201911277046 A CN 201911277046A CN 110940586 A CN110940586 A CN 110940586A
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Abstract

本发明公开了一种磁流变弹性体的响应时间检测装置及检测方法，该装置包括夹具安装座以及安装在夹具安装座上的夹具组件；通过夹持组件对待检样品施加拉伸作用力或/和压缩作用力或/和剪切作用力；再通过采集待检样品受到的作用力信息以及待检样品在该作用力下的电阻值变化信息，并计算作用力以及电阻值变化规律之间的时间差值，并根据时间差值得到样品的响应时间。本发明通过检测待检样品的受力情况以及电阻变化情况，直接获取磁流变弹性体本身的响应时间，最大可能地避免了检测装置的电气响应时间以及机械响应时间对磁流变弹性体响应时间检测的影响；并且该发明不再依据微观模型理论计算响应时间，不受模型误差限制，准确度和可靠度较高。

Description

磁流变弹性体的响应时间检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及一种磁流变弹性体的响应时间检测装置及检测方法。
背景技术
作为一种智能材料，磁流变材料受到外部激励作用时，其内部导电颗粒的微观结构如颗粒间距和分布状态等会发生变化，从而在宏观上表现出独特的力学、电学、磁学性能，拥有巨大的应用前景。这些材料是制造传感“皮肤”的最佳候选之一，能够模拟人体皮肤所需的高顺应性，但是磁流变材料的主要缺点是响应的滞后现象，这可能影响测量的可重复性。不同的制备手段，磁性颗粒的性质、检测方法使得磁流变材料的响应特性存在着很大的差异，为了提高磁流变材料的性能，获得准确的响应时间具有重要的意义。
目前，已有针对磁流变液自身响应特性进行测试的装置和方法研究，如CN108535140A，CN110346244A等，但是由于磁流变弹性体与磁流变液的响应机理不同，适用于磁流变液的测量装置和方法并不适用于检测磁流变弹性体的响应时间。
对于磁流变弹性体响应时间的研究主要集中在磁流变弹性体器件的响应分析上，器件响应时间受到磁流变材料，器件线圈电感、线圈芯涡流、驱动电子学响应时间、器件几何形状等因素的共同影响。GU等人对磁流变弹性体隔离器的响应时间进行了测试，并探索了减小响应时延的两种可行方法，BAI等人研究了磁流变弹性体驱动器的响应时间，并对其进行了理论分析。以上研究都未能得到具体的磁流变弹性体本身对外部磁场的响应时间。另外，Mi Zhu等人通过检测磁流变弹性体在压缩模式下的磁致法向力来确定磁流变响应时间，该方法在偶极子模型基础上建立磁致法向力与时间的关系，但因为引入模型的局限性，分析结果与实际测量结果有较大出入。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁流变弹性体的响应时间检测装置及检测方法，能够对磁流变弹性体的响应时间进行检测。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于磁流变弹性体的响应时间检测装置，该装置包括夹具安装座以及安装在所述夹具安装座上的夹具组件；所述夹持组件包括安装在所述夹具安装座上的固定夹具以及与所述固定夹具配合形成夹持作用的活动夹具；
待检样品固定在固定夹具和活动夹具之间，活动夹具通过传动装置驱动其向待检样品施加使待检样品产生形变的作用力；所述活动夹具对待检样品的作用力包括拉伸作用力或/和压缩作用力或/和剪切作用力；
所述固定夹具和活动夹具之间还设有用于检测所述待检样品受到的作用力信息以及待检样品的电阻值变化信息的数据采集装置，通过比较计算所述作用力信息与电阻值变化信息之间的时间差得到待检样品的响应时间。
进一步地，所述活动夹具对待检样品的作用力包括拉伸作用力；所述数据采集装置包括成对设置的第一电极板Ⅰ和第二电极板Ⅰ，所述待检样品固定在所述第一电极板Ⅰ和第二电极板Ⅰ之间；所述第一电极板Ⅰ固定在所述固定夹具上，所述活动夹具包括活动夹板Ⅰ，所述第二电极板Ⅰ与所述活动夹具Ⅰ之间安装有拉力传感器Ⅰ。
进一步地，所述活动夹具对待检样品的作用力包括压缩作用力；所述数据采集装置包括成对设置的第一电极板Ⅱ和第二电极板Ⅱ，所述待检样品固定在所述第一电极板Ⅱ和第二电极板Ⅱ之间；所述第一电极板Ⅱ固定在所述固定夹具上，所述活动夹具包括活动夹板Ⅱ，所述第二电极板Ⅱ与所述活动夹具Ⅱ之间安装有压力传感器Ⅱ。
进一步地，所述活动夹具对待检样品的作用力包括剪切作用力；所述固定夹具包括通过支撑杆Ⅲ固定在夹具安装座上的固定夹具安装架Ⅲ以及固定在所述固定夹具安装架Ⅲ上的两个相对置的固定夹板Ⅲ，两个相对置的所述固定夹板Ⅲ之间设有一个剪切力加载板Ⅲ，所述剪切力加载板Ⅲ与两个所述固定夹板Ⅲ之间均设有成对设置的第一电极板Ⅲ和第二电极板Ⅲ，待测样品固定在所述第一电极板Ⅲ与第二电极板Ⅲ之间，所述剪切力加载板Ⅲ的底部通过压力传感器Ⅲ与活动夹具连接。
进一步地，所述固定夹具包括水平部，所述水平部通过支撑部安装在所述夹具安装座上，所述第一电极板上设有耳板，所述耳板通过紧固件固定在所述固定夹具的水平部。
进一步地，所述固定架具为倒立固定在所述夹具安装上的U形架。
进一步地，所述传动装置包括偏心轮、与所述偏心轮上的偏心连接轴转动配合连接的滑杆以及与所述滑杆转动配合连接的活动杆，所述活动杆远离所述滑杆的一端设有通过活动杆与所述活动夹具传动配合连接。
此外，该发明还公开了一种基于磁流变弹性体的响应时间检测方法，该方法采用上述检测装置检测磁流变弹性体的响应时间；
该方法具体包括以下步骤：
S1：采集待检样品受到的拉伸作用力或/和压缩作用力或/和剪切作用力以及待检样品在所述作用力下的电阻值变化信息；
S2：计算待检样品受到的拉伸作用力或/和压缩作用力或/和剪切作用力的变化规律与检样品在所述作用力下的电阻值变化规律之间的时间差值，并根据所述时间差值得到样品的响应时间。
进一步地，通过向电机输入PWM信号控制电机的转速，再通过传动装置将电机转动转换为呈正弦变化的作用力，再将该作用力波形与检样品在该作用力下的电阻值波形作对比，根据两信号波形的峰值时间即可得到电阻信号滞后于拉压力信号的时间差，该时间差即为样品的响应时间。
进一步地，通过向固定在待检样品两侧的电极板施加电压，再通过分析反馈电流的大小即可计算得到待检样品的电阻值变化信息。
本发明的有益效果为：通过检测待检样品的受力情况以及电阻变化情况，直接获取磁流变弹性体本身的响应时间，最大可能地避免了检测装置的电气响应时间以及机械响应时间对磁流变弹性体响应时间检测的影响；并且，该发明不再依据微观模型理论计算响应时间，不受模型误差限制，准确度和可靠度较高。
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结构示意图；
图2为本发明一个实施例的拉伸模式夹具的结构示意图；
图3为本发明一个实施例的压缩模式夹具的结构示意图；
图4为本发明一个实施例的剪切模式夹具的结构示意图；
图5为本发明一个实施例的传动装置的结构示意图；
图6为本发明一个实施例的传动装置的工作原理图；
图7为本发明一个实施例的控制原理图；
图8为本发明一个实施例的响应时间检测波形图；
图9为本发明一个实施例的磁流变弹性体的电阻值随压强变化曲线图。
其中：1、夹具组件；10、拉力传感器Ⅰ；101、拉力传感器输出端子Ⅰ；11、第一电极板Ⅰ；12、待检样品；13、第二电极板Ⅰ；14、紧固件Ⅰ；15、活动夹具Ⅰ；16、活动杆Ⅰ；17、U形架Ⅰ；18、夹具安装座Ⅰ；20、压力传感器Ⅱ；201、压力传感器输出端子Ⅱ；21、第一电极板Ⅱ；22、待检样品；23、第二电极板Ⅱ；24、紧固件Ⅱ；25、活动夹具Ⅱ；26、活动杆Ⅱ；27、固定夹板Ⅱ；271、支撑杆Ⅱ；28、夹具安装座Ⅱ；30、压力传感器Ⅲ；301、压力传感器输出端子Ⅲ；31、第一电极板Ⅲ；32、待检样品；33、第二电极板Ⅲ；34、固定螺丝Ⅲ；35、剪切力加载板Ⅲ；36、活动杆Ⅲ；37、固定夹具安装架Ⅲ；371、支撑杆Ⅲ；372、固定夹板Ⅲ；38、夹具安装座Ⅲ；4、传动装置；41、偏心轮；42、滑杆；43、滑槽；44、活动杆；5、电机；6、台架底座；7、台架；8、夹具支撑平台；9、控制柜。
具体实施方式
如图1所示的基于磁流变弹性体的响应时间检测装置，该检测装置包括夹具安装座以及安装在所述夹具安装座上的夹具组件1，所述夹持组件包括安装在所述夹具安装座上的固定夹具以及与所述固定夹具配合形成夹持作用的活动夹具；待检样品固定在固定夹具和活动夹具之间，活动夹具通过传动装置4驱动其向待检样品施加使待检样品产生形变的作用力；所述活动夹具对待检样品的作用力包括拉伸作用力或/和压缩作用力或/和剪切作用力；所述固定夹具和活动夹具之间还设有用于检测所述待检样品受到的作用力信息以及待检样品的电阻值变化信息的数据采集装置，通过比较计算所述作用力信息与电阻值变化信息之间的时间差得到待检样品的响应时间。
本发明通过检测待检样品的受力情况以及电阻变化情况，直接获取磁流变弹性体本身的响应时间，最大可能地避免了检测装置的电气响应时间以及机械响应时间对磁流变弹性体响应时间检测的影响。所述夹具安装座可拆卸式安装在一夹具支撑平台8上，所述夹具支撑平台8上设有台架7，所述夹具组件1安装在所述台架7内，所述夹具支撑平台8下方设有台架底座6，在检测过程中可根据需施加的作用力配置不同的夹具组件1。
A、当所述活动夹具对待检样品的作用力为拉伸作用力：
如图2所示，所述数据采集装置包括成对设置的第一电极板Ⅰ11和第二电极板Ⅰ13，所述待检样品固定在所述第一电极板Ⅰ11和第二电极板Ⅰ13之间；所述第一电极板Ⅰ11固定在所述固定夹具上，所述活动夹具包括活动夹板Ⅰ15，所述第二电极板Ⅰ13与所述活动夹具Ⅰ15之间安装有拉力传感器Ⅰ10。
工作时通过传动装置4带动活动夹板Ⅰ15向第一电极板Ⅰ11和第二电极板Ⅰ13向待检样品Ⅰ12施加拉伸作用力，同时向固定在待检样品Ⅰ12两侧的电极板施加电压，然后利用拉力传感器采集此时活动夹具Ⅰ15施加的拉伸作用力，同时采集电极的反馈电流大小即可计算得到待检样品Ⅰ12的电阻值变化信息。
B、所述活动夹具对待检样品的作用力为压缩作用力时：
如图3所示，所述数据采集装置包括成对设置的第一电极板Ⅱ21和第二电极板Ⅱ23，所述待检样品固定在所述第一电极板Ⅱ21和第二电极板Ⅱ23之间；所述第一电极板Ⅱ21固定在所述固定夹具Ⅱ25上，所述活动夹具包括活动夹板Ⅱ25，所述第二电极板Ⅱ23与所述活动夹板Ⅱ25之间安装有压力传感器Ⅱ20。
工作时通过传动装置4带动活动夹板Ⅱ25向第一电极板Ⅱ21和第二电极板Ⅱ23向待检样品Ⅱ22施加拉伸作用力，同时向固定在待检样品Ⅱ22两侧的电极板施加电压，然后利用压力传感器采集此时活动夹具Ⅱ25施加的拉伸作用力，同时采集第一电极板Ⅱ21和第二电极板Ⅱ23的反馈电流大小即可计算得到待检样品Ⅱ22的电阻值变化信息。
所述固定夹具包括水平部(如图3中所示的支撑杆Ⅱ271)，所述水平部通过支撑部(如图3中所示的固定夹板Ⅱ27)安装在所述夹具安装座上，所述第一电极板上设有耳板，所述耳板通过紧固件Ⅱ24固定在所述固定夹具的水平部。此外，所述固定架还可直接设置在为倒立固定在所述夹具安装上的U形架Ⅰ17(如图2所示)。
C、所述活动夹具对待检样品的作用力为剪切作用力时：
如图4所示，所述固定夹具包括通过支撑杆Ⅲ371固定在夹具安装座上的固定夹具安装架Ⅲ37以及固定在所述固定夹具安装架Ⅲ37上的两个相对置的活动夹板Ⅲ372，两个相对置的所述活动夹板Ⅲ372之间设有一个剪切力加载板Ⅲ35，所述剪切力加载板Ⅲ35与两个所述活动夹板Ⅲ372之间均设有成对设置的第一电极板Ⅲ31和第二电极板Ⅲ33，待测样品固定在所述第一电极板Ⅲ31与第二电极板Ⅲ33之间，所述活动夹具包括活动夹板Ⅲ，所述剪切力加载板Ⅲ35的底部通过压力传感器Ⅲ30与活动夹板Ⅲ连接。此时，第一电极板Ⅲ31和第二电极板Ⅲ33和压力传感器Ⅲ30共同构成数据采集装置。
工作时通过传动装置4带动活动夹板Ⅲ向剪切力加载板Ⅲ35施加拉压力，利用剪切力加载板Ⅲ35的上下运动实现对两侧的待测样品Ⅲ32施加剪切作用力。同时向固定在待检样品Ⅲ32两侧的电极板施加电压，然后利用压力传感器采集此时活动夹板Ⅲ施加的作用力，同时采集第一电极板Ⅲ31与第二电极板Ⅲ33的反馈电流大小即可计算得到待检样品Ⅲ32的电阻值变化信息。
如图5所示，所述传动装置4包括偏心轮41、与所述偏心轮41上的偏心连接轴转动配合连接的滑杆42以及与所述滑杆42转动配合连接的活动杆44，所述活动杆44远离所述滑杆42的一端设有通过活动杆(图2中的活动杆Ⅰ16、图3中的活动杆Ⅱ26以及图4中的活动杆Ⅲ36)与所述活动夹具传动配合连接。
本发明通过传动装置4将电机5的转动转换为呈正弦变化的作用力，如图6所示，当偏心轮41沿水平方向转动α角时，滑杆42的位移量h＝＝r·sin α，r为偏心轮41半径。因为偏心轮41由电机5带动，α＝ωt，其中ω为电机5转动的角速度，当电机5转速恒定时，滑杆42的位移量呈正弦变化，产生一个竖直向上的正弦力。
采用上述检测装置来检测磁流变弹性体的响应时间的采用的检测方法具体包括以下步骤：
S1：将样品固定在相对应的夹具上，并通过传动装置4向活动夹具施加相应的作用力，采集待检样品受到的拉伸作用力或/和压缩作用力或/和剪切作用力以及待检样品在所述作用力下的电阻值变化信息；
S2：计算待检样品受到的拉伸作用力或/和压缩作用力或/和剪切作用力的变化规律与检样品在所述作用力下的电阻值变化规律之间的时间差值，并根据所述时间差值得到样品的响应时间；
S3：将检测模式、信号波形和样品响应时间的最终结果输出到显示屏幕上。
在实际检测过程中，可以采用向固定在待检样品两侧的电极板施加电压，再通过分析反馈电流的大小即可计算得到待检样品的电阻值变化信息，具体可采用LCR测试仪测试待检样品的电阻值；通过微处理器控制电机5驱动模块产生PWM信号作为电机5驱动信号控制电机5的转速，再通过传动装置4将电机5转动转换为呈正弦变化的作用力，再将该作用力波形与检样品在该作用力下的电阻值波形作对比，根据两信号波形的峰值时间即可得到电阻信号滞后于拉压力信号的时间差τ1＝ta-tb，该时间差τ1即为样品的响应时间；其中，ta为拉力(压力)信号峰值出现的时间点，tb是滞后于拉力(压力)信号峰值时间点ta的第一个电阻信号峰值出现的时间点。该方法计算简单，不再依据微观模型理论计算响应时间，不受模型误差限制，准确度和可靠度较高。
此外，如图9所示，根据实验可知，当磁流变弹性体受到的压强在0～150KPa范围内时，其电阻值都会随压强的变化产生变化；并且，当磁流变弹性体受到的压强0～100KPa范围内时，其电阻值随压强变化产生变化线性度较好，故通过向磁流变弹性体施加使其电阻值随受到的压强呈线性变化的作用力，即可采用上述方法准确可靠地测量出磁流变弹性体的响应时间。
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 (10)

1.一种基于磁流变弹性体的响应时间检测装置，其特征在于，包括夹具安装座以及安装在所述夹具安装座上的夹具组件；所述夹持组件包括安装在所述夹具安装座上的固定夹具以及与所述固定夹具配合形成夹持作用的活动夹具；
待检样品固定在固定夹具和活动夹具之间，活动夹具通过传动装置驱动其向待检样品施加使待检样品产生形变的作用力；所述活动夹具对待检样品的作用力包括拉伸作用力或/和压缩作用力或/和剪切作用力；
所述固定夹具和活动夹具之间还设有用于检测所述待检样品受到的作用力信息以及待检样品的电阻值变化信息的数据采集装置，通过比较计算所述作用力信息与电阻值变化信息之间的时间差得到待检样品的响应时间。
2.根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的响应时间检测装置，其特征在于，所述活动夹具对待检样品的作用力包括拉伸作用力；所述数据采集装置包括成对设置的第一电极板Ⅰ和第二电极板Ⅰ，所述待检样品固定在所述第一电极板Ⅰ和第二电极板Ⅰ之间；所述第一电极板Ⅰ固定在所述固定夹具上；所述活动夹具包括活动夹板Ⅰ，所述第二电极板Ⅰ与所述活动夹具Ⅰ之间安装有拉力传感器Ⅰ。
3.根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的响应时间检测装置，其特征在于，所述活动夹具对待检样品的作用力包括压缩作用力；所述数据采集装置包括成对设置的第一电极板Ⅱ和第二电极板Ⅱ，所述待检样品固定在所述第一电极板Ⅱ和第二电极板Ⅱ之间；所述第一电极板Ⅱ固定在所述固定夹具上；所述活动夹具包括活动夹板Ⅱ，所述第二电极板Ⅱ与所述活动夹具Ⅱ之间安装有压力传感器Ⅱ。
4.根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的响应时间检测装置，其特征在于，所述活动夹具对待检样品的作用力包括剪切作用力；所述固定夹具包括通过支撑杆Ⅲ固定在夹具安装座上的固定夹具安装架Ⅲ以及固定在所述固定夹具安装架Ⅲ上的两个相对置的固定夹板Ⅲ，两个相对置的所述固定夹板Ⅲ之间设有一个剪切力加载板Ⅲ，所述剪切力加载板Ⅲ与两个所述固定夹板Ⅲ之间均设有成对设置的第一电极板Ⅲ和第二电极板Ⅲ，待测样品固定在所述第一电极板Ⅲ与第二电极板Ⅲ之间，所述剪切力加载板Ⅲ的底部通过压力传感器Ⅲ与活动夹具连接。
5.根据权利要求2或3所述的基于磁流变弹性体的响应时间检测装置，其特征在于，所述固定夹具包括水平部，所述水平部通过支撑部安装在所述夹具安装座上，所述第一电极板上设有耳板，所述耳板通过紧固件固定在所述固定夹具的水平部。
6.根据权利要求2或3所述的基于磁流变弹性体的响应时间检测装置，其特征在于，所述固定架具为倒立固定在所述夹具安装上的U形架。
7.根据权利要求1-4任一所述的基于磁流变弹性体的响应时间检测装置，其特征在于，所述传动装置包括偏心轮、与所述偏心轮上的偏心连接轴转动配合连接的滑杆以及与所述滑杆转动配合连接的活动杆，所述活动杆远离所述滑杆的一端设有通过活动杆与所述活动夹具传动配合连接。
8.一种基于磁流变弹性体的响应时间检测方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一所述的检测装置检测磁流变弹性体的响应时间；该检测方法具体包括以下步骤：
S1：采集待检样品受到的拉伸作用力或/和压缩作用力或/和剪切作用力以及待检样品在所述作用力下的电阻值变化信息；
S2：计算待检样品受到的拉伸作用力或/和压缩作用力或/和剪切作用力的变化规律与检样品在所述作用力下的电阻值变化规律之间的时间差值，并根据所述时间差值得到样品的响应时间。
9.根据权利要求8所述的基于磁流变弹性体的响应时间检测方法，其特征在于，通过向电机输入PWM信号控制电机的转速，再通过传动装置将电机转动转换为呈正弦变化的作用力，再将该作用力波形与检样品在该作用力下的电阻值波形作对比，根据两信号波形的峰值时间即可得到电阻信号滞后于拉压力信号的时间差，该时间差即为样品的响应时间。
10.根据权利要求8或9所述的基于磁流变弹性体的响应时间检测方法，其特征在于，通过向固定在待检样品两侧的电极板施加电压，再通过分析反馈电流的大小即可计算得到待检样品的电阻值变化信息。
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