CN111812566A - 一种液态材料磁特性的测量系统和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态材料磁特性的测量系统和测量方法，该测量系统包括：用于产生磁场的磁场发生装置和设置在磁场中的辅助装置；辅助装置包括用于容纳液体材料的容器，第一线圈、第二线圈、第一电压表和第二电压表；第一线圈设置在容器内，第二线圈紧贴容器外壁设置；第一线圈和第二线圈所在的平面均与磁场方向垂直；第一电压表和第二电压表分别用于测量第一线圈和第二线圈的电压；容器采用不导磁材料制成。通过将液态材料容置到容器中，辅助装置在外加磁场的作用下，通过第一电压表和第二电压表，能够测出第一线圈和第二线圈的电压，从而能够计算得到此时通过液态材料的磁感应强度B和磁场强度H，然后即可得到待测液态材料的磁导率。

Description

一种液态材料磁特性的测量系统和测量方法

技术领域

本发明涉及材料的磁特性领域，尤其是一种液态材料磁特性的测量系统和测量方法。

背景技术

目前，由于大多数的液体为不导磁材料，专门用于导磁的液态材料磁导率的测量装置及测量系统较少，当需要测量时，大多采用测量固态材料磁导率的装置进行测量，测量的过程极为不便，且由于液态材料的流动性和不定型性，不能对液体材料进行较长时间的持续监测。特别是对于磁场变化较为敏感的磁性液体和磁流变液的磁特性测量。

磁流变液与磁性液体都是磁性微粒分散在基载液中形成的，二者最根本的区别就是磁性微粒的粒度，磁流变液的磁性微粒粒度一般为1-10微米；而磁性液体的为1-100nm。对于磁流变液，其微粒的布朗运动作用可以忽略，在外加磁场下磁流变液表现出很高的剪切屈服应力，且存在沉降现象，根据磁流变液在磁场作用下，流变特性可控的特点，内含磁流变液的阻尼器件，可以根据震动的情况变换磁场，从而达到控制磁流变液流变性能进行减震的目的。磁性液体中的微粒的布朗运动十分激烈，在外加磁场作用下，不能表现出很高的流变特性，但没有沉降现象发生，类似于一种胶体。因此，在磁性液体广泛用于密封，例如，旋转轴与外壳的密封，在旋转轴处于高速旋转的状态下能够保证真空密封，且旋转轴与外壳之间无机械磨损，旋转产生的热量较小，具有较高的使用寿命。

在磁流体和磁流变液的应用过程中，会构成磁路的一部分，其磁特性会影响外加磁场的分布，准确测量磁流体和磁流变液的磁导率等液态材料的磁特性，能够充分地认识和分析磁流体和磁流变液等液态材料的磁特性，有助于磁流体和磁流变液等液态材料更好地应用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种液态材料磁特性的测量系统和测量方法，通过该系统能够较准确测得磁性液体及磁流变液等液体材料的磁特性，该测量系统结构简单，易于实现。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种液态材料磁特性的测量系统，包括：用于产生磁场的磁场发生装置和设置在所述磁场中的辅助装置；所述辅助装置包括用于容纳液体材料的容器，第一线圈、第二线圈、第一电压表和第二电压表；所述第一线圈设置在所述容器内，所述第二线圈紧贴所述容器外壁设置；所述第一线圈和所述第二线圈所在的平面均与所述磁场方向垂直；所述第一电压表和所述第二电压表分别用于测量所述第一线圈和所述第二线圈的电压；所述容器采用不导磁材料制成。

进一步，所述磁场发生装置包括：智能控制模块，处理模块，位于所述磁场两端的两个铁磁绕组；所述智能控制模块用于向所述处理模块发送电流模型信号，所述处理模块采用相应的电流模型分别向两个所述铁磁绕组的线圈供电，两个所述铁磁绕组的相对端产生的磁极方向相反；所述第一电压表和所述第二电压表分别将测得的第一电压和第二电压发送给所述处理模块，所述处理模块还用于将所述第一电压和所述第二电压发送给所述智能控制模块。

进一步，所述处理模块包括处理器、低通滤波器、功率放大器和隔离放大器，其中，所述处理器依次与所述低通滤波器、所述功率放大器连接，所述功率放大器分别与两个所述铁磁绕组的线圈连接；所述处理器还与所述隔离放大器连接，所述隔离放大器还分别与所述第一电压表和所述第二电压表连接。

进一步，所述铁磁绕组包括C形磁芯，以及分别绕制在所述C形磁芯开口两端的两个线圈。

进一步，所述C形磁芯由若干片C形硅钢片叠置而成。

进一步，所述第二线圈绕制在固定板上，所述固定板的平面紧贴所述容器外壁固定，且所述第二线圈与所述第一线圈的位置对应，所述固定板采用不导磁材料制成。

进一步，所述测量系统还包括盒盖，所述盒盖扣盖在所述容器上，所述盒盖采用非导磁材料制成。

本发明的液态材料磁特性测量系统，通过将液态材料容置到容器中，当辅助装置在外加磁场的作用下，通过第一电压表和第二电压表，能够测出第一线圈和第二线圈的电压，通过这两个线圈的电压值，能够计算得到此时通过液态材料的磁感应强度B和磁场强度H，然后即可得到待测液态材料的磁导率。

本发明还提供了一种采用上述测量系统进行液态材料磁特性的测量方法，包括：

接收所述第一线圈的电压和所述第二线圈的电压；

计算所述液态材料的磁导率。

进一步，所述测量方法还包括：

在接收所述第一线圈的电压和所述第二线圈的电压之前，向所述容器中注入所述液态材料，所述液态材料浸没所述第一线圈；

开启所述测量系统。

本发明采用上述测量系统进行液态材料磁特性测量的方法，操作简便，测量方便，具有较高的测量效率。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的液态材料磁特性的测量系统原理示意图；

图2为本发明实施例1中的铁磁绕组和辅助装置结构示意图；

图3为本发明实施例1中的辅助装置结构示意图；

图4为本发明实施例1中第一线圈和第二线圈截面示意图；

图5为本发明实施例1中第一线圈与第一电压表、第二线圈与第二电压表连接的示意图。

图中：

1、磁场发生装置；11、磁芯；12、线圈；2、辅助装置；21、容器；22、第一线圈；23、第二线圈；24、固定板；

V₁—第一电压表；V₂—第二电压表；

A_S—第一线圈的横截面积；A_H—第二线圈的横截面积；

H_1t—通过第一线圈的磁场强度；H_2t—通过第二线圈的磁场强度。

具体实施方式

为清楚地说明本发明的设计思想，下面结合示例对本发明进行说明。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的方案，下面结合本发明示例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例仅仅是本发明的一部分示例，而不是全部的示例。基于本发明的中示例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施方式都应当属于本发明保护的范围。

在本实施方式的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区别类似的对象，而不能理解为特定的顺序或先后次序，应该理解这样的使用在适当情况下可以互换。

本发明的示例提供了一种液态材料磁特性的测量系统，包括：用于产生磁场的磁场发生装置和设置在磁场中的辅助装置；辅助装置包括用于容纳液体材料的容器，第一线圈、第二线圈、第一电压表和第二电压表；第一线圈设置在容器内，第二线圈紧贴容器外壁设置；第一线圈和第二线圈所在的平面均与磁场方向垂直；第一电压表和第二电压表分别用于测量第一线圈和第二线圈的电压；容器采用不导磁材料制成。

采用本发明的液态材料磁特性测量系统测量液态材料的磁特性时，将液态材料容置到容器中，并且液态材料将第一线圈浸没，当辅助装置在外加磁场的作用下，通过第一电压表和第二电压表，能够测出第一线圈和第二线圈的电压，通过这两个线圈的电压值，能够计算得到此时通过液态材料的磁感应强度B和磁场强度H，具体地，通过测出的第一线圈的电压得到B，通过测出的第二线圈的电压得到H，然后即可得到待测液态材料的磁导率。

需要说明的是，在辅助装置中，若容器内设置与容器侧壁固定连接的隔板在隔板的上方用于容置液态材料和设置第一线圈，在隔板的下方设置第二线圈，实际上该隔板属于该容器的外壁，因此，以上容器、第一线圈、第二线圈的设置方案仍属于本发明的保护范围。

为了更加清晰的对本发明中的技术方案进行阐述，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1-5所示，本实施例提供了本发明液态材料磁特性的测量系统的一种实施方式，包括：用于产生磁场的磁场发生装置1和设置在磁场中的辅助装置2；辅助装置2包括用于容纳液体材料的容器21，第一线圈22、第二线圈23、第一电压表V₁和第二电压表V₂；第一线圈22设置在容器内，第二线圈23紧贴容器21外壁设置；第一线圈22和第二线圈23所在的平面均与磁场方向垂直；第一电压表V₁和第二电压表V₂分别用于测量第一线圈22和第二线圈23的电压；容器21采用不导磁材料制成，容器21为盒状。

如图1-2所示，磁场发生装置包括：智能控制模块，处理模块，位于磁场两端的两个铁磁绕组；智能控制模块用于向处理模块发送电流模型信号，其中，智能控制模块可以是计算机或单片机，将数字信号发送给处理模块；处理模块采用相应的电流模型分别向两个铁磁绕组的线圈12供电，第一电压表V₁和第二电压表V₂分别将测得的第一电压和第二电压发送给处理模块，处理模块还用于将所述第一电压和所述第二电压发送给智能控制模块。处理模块包括处理器、低通滤波器、功率放大器和隔离放大器，其中，处理器依次与低通滤波器、功率放大器连接，功率放大器分别与两个铁磁绕组的线圈12连接，处理器用于将计算机或单片机发送的电流模型信号转换成相应的电流模型，经过滤波和放大后，分别通入两个铁磁绕组的线圈12，使两个铁磁绕组的相对端产生的磁极方向相反，这可以通过两种方式实现：一是两个线圈12的绕制方向相同，分别向两个线圈12中通入相反(包括频率和相位等)的电流，但是这种方式增加该测量系统的模块和设置的复杂程度；二是两个线圈12的绕制方向相反，通入相同的电流，该方式易于实现，如图2所示，本实施例中即采用该种方式。此外，本示例中的电流模型信号可以是恒定的直流信号、正弦电流信号、矩形脉冲电流信号或锯齿波电流信号等等。本实施例中选用的是正弦电流信号。

处理器还与隔离放大器连接，隔离放大器还分别与第一电压表和第二电压表连接，第一电压表V₁和第二电压表V₂分别将测得的第一电压和第二电压发送给隔离放大器，经过隔离放大后发送给处理器，处理器中设置数据采集卡，数据采集卡用于采集第一电压值和第二电压值，并将第一电压值和第二电压值发送给计算机或单片机，由计算机或单片机经过计算得到待测液态材料的磁导率。

此外，采用该测量系统还可以测量在不同的外加磁场的情况下，对液态材料导磁性能的影响。

如图2所示，铁磁绕组包括磁芯和绕制在磁芯上的线圈12，本实施例中的磁芯为C形磁芯，两个线圈12分别绕制在C形磁芯开口两端，能够保证在开口处磁场分布的更加均匀，提高测量的精度。

本实施例中的C形磁芯由若干片C形硅钢片叠置而成，能够有效降低涡流损耗。

如图3所示，在本实施例中第二线圈23固定在容器21的底壁上，在其他实施方式中第二线圈23也可以固定在容器21的侧壁上。此外，为了便于第一线圈22和第二线圈23的固定，在容器21内部的底壁和侧壁设置用于容置第一线圈22的凹槽，同理，也可以在容器21底壁或侧壁外设置用于容置第二线圈23的凹槽，以便于第一线圈22和第二线圈23的固定。为了便于第二线圈23紧贴固定在容器21外壁上，第二线圈23绕制在固定板24上，固定板24的平面紧贴容器21外壁固定，且第二线圈23与第一线圈22的位置对应，固定板24采用不导磁材料制成。固定板24与容器外壁的固定方式为，固定板24上未缠绕第二线圈23的平面通过胶粘接或者铆钉铆接等方式固定到容器21的侧壁或底壁上。

本实施例中，测量系统还包括盒盖，盒盖扣盖在容器上，防止液态材料从容器21中溢出，盒盖采用非导磁材料制成，防止对液态材料磁特性的测量造成硬性。

实施例2

本实施例提供了采用实施例1中的测量系统测量液态材料磁特性方法的一种实施方式，该方法包括：

向容器21中注入液态材料，该液态材料浸没第一线圈22；

开启实施例1中的液态材料磁特性的测量系统；

智能控制模块接收第一线圈22的第一电压值E_B(t)和第二线圈23的第二电压值E_H(t)；

计算液态材料的磁导率。具体计算过程如下：

在磁场发生装置1的外加磁场情况下，第一线圈22感应出第一电压E_B(t)：

其中，N_B为第一线圈22的匝数，如图4所示，A_S为第一线圈22的横截面积，由公式(1)能够推出流经第一线圈22内部空间液态材料的磁感应强度B(t)：

磁场强度的测量原理是根据电磁感应定律和磁场强度交界面条件即在不同媒质交界面处磁场强度的切向分量连续，如图5所示，因此根据磁场强度交界面条件有：

其中，H_1t为容器21中的磁场强度，H_2t为第二线圈23中的磁场强度，B₀为第二线圈23中的磁通密度，μ₀为已知的空气磁导率。B₀的计算同样是根据电磁感应定律，由第二线圈23的感应电压(第二电压值E_H(t))积分得到，方法与公式(2)相同。被测液态材料中的磁场强度可由下式计算：

其中，N_A为第二线圈23的匝数，如图4所示，A_H为第二线圈23的横截面积，E_H(t)为第二线圈23的感应电压。在分别由公式(2)和公式(4)得到被测液态材料的磁通密度和磁场强度后，便可以通过以下公式计算得到被测液态材料的磁导率μ_r(t)：

在本实施例中，电流模型信号为正弦电流信号的情况下，通过计算机还能够得到被测液态材料的磁滞回线。

需要说明的是，除了上述给出的具体示例之外，实施例1中的容器21中还可以设置用于测量液体流动性或黏度等参数的仪器，以便测量在外加磁场情况下对磁性液体其他性能的影响，等等；而这些都是本领域技术人员在理解本发明思想的基础上基于其基本技能即可做出的，故在此不再一一例举。

最后，可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种液态材料磁特性的测量系统，其特征在于，包括：用于产生磁场的磁场发生装置和设置在所述磁场中的辅助装置；所述辅助装置包括用于容纳液体材料的容器，第一线圈、第二线圈、第一电压表和第二电压表；所述第一线圈设置在所述容器内，所述第二线圈紧贴所述容器外壁设置；所述第一线圈和所述第二线圈所在的平面均与所述磁场方向垂直；所述第一电压表和所述第二电压表分别用于测量所述第一线圈和所述第二线圈的电压；所述容器采用不导磁材料制成。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述磁场发生装置包括：智能控制模块，处理模块，位于所述磁场两端的两个铁磁绕组；所述智能控制模块用于向所述处理模块发送电流模型信号，所述处理模块采用相应的电流模型分别向两个所述铁磁绕组的线圈供电，两个所述铁磁绕组的相对端产生的磁极方向相反；所述第一电压表和所述第二电压表分别将测得的第一电压和第二电压发送给所述处理模块，所述处理模块还用于将所述第一电压和所述第二电压发送给所述智能控制模块。

3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述处理模块包括处理器、低通滤波器、功率放大器和隔离放大器，其中，所述处理器依次与所述低通滤波器、所述功率放大器连接，所述功率放大器分别与两个所述铁磁绕组的线圈连接；所述处理器还与所述隔离放大器连接，所述隔离放大器还分别与所述第一电压表和所述第二电压表连接。

4.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述铁磁绕组包括C形磁芯，以及分别绕制在所述C形磁芯开口两端的两个线圈。

5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述C形磁芯由若干片C形硅钢片叠置而成。

6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述第二线圈绕制在固定板上，所述固定板的平面紧贴所述容器外壁固定，且所述第二线圈与所述第一线圈的位置对应，所述固定板采用不导磁材料制成。

7.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括盒盖，所述盒盖扣盖在所述容器上，所述盒盖采用非导磁材料制成。

8.一种采用如权利要求1-7任一项所述的测量系统进行液态材料磁特性的测量方法，包括：

接收所述第一线圈的电压和所述第二线圈的电压；

计算所述液态材料的磁导率。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，还包括：

在接收所述第一线圈的电压和所述第二线圈的电压之前，向所述容器中注入所述液态材料，所述液态材料浸没所述第一线圈；

开启所述测量系统。

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