CN116498677A - 一种基于磁流变弹性体的缓冲垫及动态力校准系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁流变弹性体的缓冲垫，涉及动态力测量技术领域，包括：磁流变弹性体；及邻近所述磁流变弹性体设置的电磁装置，其用于产生一围绕所述磁流变弹性体的可调控磁场，可调控磁场作用于所述磁流变弹性体以改变其刚度和阻尼，所述电磁装置包括铁芯、与铁芯配合的励磁线圈及与所述励磁线圈电连接的供电组件。本发明还公开了一种动态力校准系统，用于对传感器进行动态力校准，包括缓冲垫，所述缓冲垫为前述的缓冲垫。本发明中缓冲垫设置有磁流变弹性体，通过改变磁场大小能够改变磁流变弹性体的刚度和阻尼，对力传感器的校准更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及动态力测量技术领域，具体涉及一种基于磁流变弹性体的缓冲垫及动态力校准系统。
背景技术
动态力是指随时间变化的力，包括循环力、冲击力等。一般情况下，常采用力传感器对动态力进行测量。为了测量结果的准确性，需要对力传感器进行校准。然而，绝大多数力传感器仅能进行静态校准，这使得力传感器对动态力无法进行准确的测量评价，从而使动态力测量结果存在较大误差。根据校准装置的激励源的不同可将动态力校准方法分为稳态正弦式、阶跃式、脉冲式等。脉冲式相较于正弦式，可以得到较宽频带及较大力值的动态载荷，还具有装置简单、分析迅速等优点；与阶跃式相比，具有载荷易于产生，易于保持等特点。
一般采用落锤式发生装置产生脉冲式力来校准传感器，即利用高处的落锤冲击在传感器上产生一个脉冲式的瞬时冲击力，力值不仅与落锤高度，还与材质的均匀性和加速度的分布等有关。其中，落锤式发生装置的缓冲垫的刚度和阻尼对所复现的动态力的准确性有很大影响。
相关技术中的缓冲垫通常由橡胶、牛皮等材质制成。这类缓冲垫自身的阻尼和刚度不可调节。且随着使用次数的增加，缓冲垫压缩、变形和破损会使阻尼与刚度发生不宜被察觉与量化的变化，影响对力传感器的校准。
发明内容
本发明旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供了一种基于磁流变弹性体的缓冲垫，具有刚度和阻尼可调的优点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于磁流变弹性体的缓冲垫，包括：磁流变弹性体；及邻近所述磁流变弹性体设置的电磁装置，其用于产生一围绕所述磁流变弹性体的可调控磁场，可调控磁场作用于所述磁流变弹性体以改变其刚度和阻尼，所述电磁装置包括铁芯、设置在铁芯内的励磁线圈及与所述励磁线圈电连接的供电组件，所述电磁装置通过调控磁场以调控所述磁流变弹性体的刚度和阻尼。
在本发明中，缓冲垫设置有磁流变弹性体，磁流变弹性体是由可在磁场下磁化的固体颗粒和弹性基体等混合物在磁场作用下固化制作而成。由于磁流变效应，颗粒在基体中形成链或柱状有序结构。这种固化后的各向异性结构在磁场作用下具有许多独特的性能，比如其拉伸或剪切模量会随所加磁场强度而变化，因而通过外加磁场可控制其刚度和阻尼等性质。通过改变其外加磁场，缓冲垫的刚度和阻尼发生变化。采用落锤式发生装置产生脉冲式力来校准传感器时，高处的落锤冲击在传感器上产生一个脉冲式的瞬时冲击力，缓冲垫安装于需要校准的力传感器的受力面，缓冲垫用于在落锤和传感器发生碰撞时提供缓冲和控制脉冲力的脉宽，避免需要校准的力传感器受损。缓冲垫的刚度和阻尼与落锤撞击在传感器上产生的脉冲式力载荷的频带宽度呈负相关，即通过改变缓冲垫的刚度和阻尼，可以调节落锤撞击产生的脉冲式力载荷的频带宽度，增加缓冲垫的精度和灵敏度。缓冲垫的刚度和阻尼越小，落锤撞击产生的脉冲式力载荷的频带宽度越宽，力传感器测得的冲击力值也更加精准。需要说明的是，缓冲垫所吸收的冲击力可以忽略不计，并不会影响传感器的测量结果。
电磁装置围绕在磁流变弹性体设置，能够在磁流变弹性体周围产生可调节的磁场。利用磁流变弹性体的磁流变效应，电磁装置能够调节磁流变弹性体的刚度和阻尼。
可选的，所述磁流变弹性体具有相互平行的上端面和下端面，所述磁流变弹性体由高分子聚合物和软磁颗粒构成，所述软磁颗粒呈链状排列形成若干软磁颗粒链，软磁颗粒链的中轴线垂直于所述磁流变弹性体的上端面和下端面。高分子聚合物和软磁颗粒混合制得磁流变弹性体，磁流变弹性体兼具高分子聚合物的超弹性与软磁颗粒带来的磁控特性，具有很高的工程应用价值。软磁颗粒经过预结构化后排列成软磁颗粒链，若干软磁颗粒链均匀分布在磁流变弹性体内，且软磁颗粒链的中轴线垂直于弹性体的上端面和下端面。
可选的，所述软磁颗粒的粒径为0.5μm~6μm。选用微米级软磁颗粒，粉体颗粒更加均匀和细小，具有更高的比表面积和电阻率，制成的磁流变弹性体具有更低的损耗。
可选的，所述磁流变弹性体的厚度为3~10mm。磁流变弹性体的作用是在落锤和传感器发生碰撞时提供缓冲和控制脉冲力的脉宽，避免需要校准的力传感器受损，所以需要磁流变弹性体提供足够的厚度使传感器不会损坏。另外，磁流变弹性体也不能过厚，不然会影响力传感器的测量结果。
可选的，所述供电组件产生的电流为0~8A的恒定电流。供电组件能够产生0~8A范围内的恒定电流，通过调控该电流的大小能够改变励磁线圈产生的磁场强度，进而改变磁流变弹性体的刚度和阻尼。作为进一步的优选，供电组件产生的电流为0~5A，即可满足磁流变弹性体调整常用的刚度和阻尼的需求。
可选的，所述供电组件包括电源和可调电阻，所述可调电阻与所述励磁线圈串联。通过调整电阻的大小以改变供电组件提供给励磁线圈的电流大小，进而改变励磁线圈产生的磁场强度。
可选的，所述励磁线圈配置在所述铁芯内，所述励磁线圈由漆包铜导线绕制而成，所述漆包铜导线的直径为0.5~1mm。漆包铜导线能够传递电流，当导线通过电流时，导线周围的空间将产生圆形磁场。导线中流过的电流越大，产生的磁场越强。将励磁线圈配置在铁芯内，其产生的磁场能够更直接的作用于磁流变弹性体。
可选的，磁流变弹性体和铁芯之间填充有用于缓冲的弹性材料。具体地，弹性材料一般为软质材料。另外，弹性材料也可以很好的抵消弹性体因中间部分压缩膨胀而导致的外表面径向膨胀。具体的，弹性材料分别与磁流变弹性体和铁芯的外表面粘接以连接磁流变弹性体与铁芯。铁芯的材质为电工纯铁、硅钢、锰锌铁氧体等磁导率较大的材料。所述弹性材料为海绵、天然乳胶、泡沫棉中的一种或几种。弹性材料通过胶水等粘接剂分别与磁流变弹性体和铁芯粘接。弹性材料可以很好的抵消弹性体因中间部分压缩膨胀而导致的外表面径向膨胀，同时弹性材料也能起到一定的缓冲作用，保护力传感器不被损坏。
此外，本发明还提供了一种动态力校准系统，包括缓冲垫，所述缓冲垫为前述的缓冲垫。本发明所提供的缓冲垫与前述缓冲垫的有益效果推理过程相似，在此不再赘述。
可选的，动态力校准系统还包括从上到下依次排列的激光干涉仪、落锤和底座，所述底座用于支撑所述传感器，所述传感器上放置有所述缓冲垫，所述落锤沿一导向机构释放或提升。该动态力校准系统用于校准力传感器，激光干涉仪设置在落锤的正上方，用以测量落锤在冲击过程中标准的加速度，将测得的落锤加速度应用在牛顿第二定律上，即可得到落锤的动态力值F1。另外，落锤自高处沿导向机构下落冲击力传感器，产生脉冲力激励，给力传感器输入一个类半正弦脉冲力信号，力传感器能够测量出落锤的动态力值F2。将动态力值F1和动态力值F2进行比较，得到校准结果。
本发明中的校准系统采用沿导向机构下落的锤体与需要校准的力传感器撞击的方式产生脉冲力激励，脉冲力能够溯源到下落锤体的质量及撞击过程中锤体的运动加速度。这类校准系统结构设计、工作原理简单，直接采用竖直向下的重力作用于落锤产生脉冲力激励，并通过改变锤体的竖直高度能够调节脉冲力量值大小。
力传感器动态校准是实现机械结构动态载荷高精度测量的基础，被广泛地应用于起落架着陆冲击载荷试验、机翼载荷校准试验、整车碰撞试验等动态力 学特性的评估，对精密高端装备的力学计量意义重大。
1.本发明中的缓冲垫应用于落锤式动态力校准系统中，避免被校准的力传感器受损，缓冲垫设置有磁流变弹性体，通过改变磁场大小能够改变磁流变弹性体的刚度和阻尼，进而实现缓冲垫刚度和阻尼可调，使缓冲垫的阻尼和刚度可控，对力传感器的校准更加准确。
2.本发明中，缓冲垫的刚度和阻尼与落锤撞击在传感器上产生的脉冲式力载荷的频带宽度呈负相关，即通过改变缓冲垫的刚度和阻尼，可以调节落锤撞击产生的脉冲式力载荷的频带宽度，便于力传感器的测量结果更加准确。
3.本发明中，通过调整电阻的大小来调节供电组件供给给励磁线圈的电流大小，进而改变励磁线圈产生的磁场强度和缓冲垫的阻尼，操作简单方便，无需根据不同测量需求更换不同阻尼的缓冲垫。
本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式以及附图中进行详细的揭露。本发明最佳的实施方式或手段将结合附图来详尽表现，但并非是对本发明技术方案的限制。另外，在每个下文和附图中出现的这些特征、要素和组件是具有多个，并且为了表示方便而标记了不同的符号或数字，但均表示相同或相似构造或功能的部件。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明中动态力校准系统的结构示意图；
图2为本发明中缓冲垫的剖视图；
图3为本发明中缓冲垫的部分剖视图。
其中，1.缓冲垫；11.磁流变弹性体；12.电磁装置；121.铁芯；122.励磁线圈；123.供电组件；13.弹性材料；2.激光干涉仪；3.落锤；4.底座；5.导向机构。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。基于实施方式中的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本说明书中引用的“一个实施例”或“实例”或“例子”意指结合实施例本身描述的特定特征、结构或特性可被包括在本专利公开的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书中的各位置的出现不必都是指同一个实施例。
实施例：
如图2和图3所示，本实施例提供一种基于磁流变弹性体11的缓冲垫1，包括圆柱形的磁流变弹性体11和邻近磁流变弹性体11外侧设置的用于供磁的电磁装置12。电磁装置12包括铁芯121、与铁芯121配合的励磁线圈122及与励磁线圈122电连接的供电组件123。铁芯121的作用是增加磁场强度,铁芯121把励磁线圈122周围的磁力线都集中,从铁芯121中流通。其中，圆柱形铁芯121套设在磁流变弹性体11外周。在其他实施例中，铁芯121和磁流变弹性体11的形状也可以为圆台、长方体等其他形状。具体地，铁芯121内部具有一端开口的空腔，励磁线圈122设置在空腔内。在其他实施例中，励磁线圈122也可以缠绕在铁芯121的外壁上。另外，铁芯121也可以不套设在磁流变弹性体11外侧，只要铁芯121和励磁线圈122能够为磁流变弹性体11提供可调磁场即可。具体地，磁流变弹性体11和铁芯121之间粘接有海绵，可以很好的抵消弹性体中间部分压缩膨胀而导致的外表面径向膨胀。当然，磁流变弹性体11和铁芯121之间也可以粘接天然乳胶或泡沫棉等其他弹性材料13。
具体地，磁流变弹性体11为直径150mm，厚度6mm的圆柱体。在其他实施例中，磁流变弹性体11的厚度在3~10mm之间均可。铁芯121的材质为电工纯铁。在其他实施例中，铁芯121的材质也可以为硅钢或锰锌铁氧体等导磁性好的材料。
磁流变弹性体11的上端面和下端面相互平行，其由高分子聚合物和软磁颗粒混合制成。将高分子聚合物和粒径0.5μm~6μm的软磁颗粒的混合物倾斜固定在磁场中，进行预结构化，使软磁颗粒在磁场作用下呈链状排列形成若干软磁颗粒链，软磁颗粒链的中轴线垂直于弹性体的上端面和下端面，即预结构化后的软磁颗粒沿着材料的厚度方向排列成链状；结构化完成后，将材料在一定温度下进行固化，获得刚度和阻尼可调的磁流变弹性体11。
供电组件123与励磁线圈122电连接并为励磁线圈122提供0~8A的恒定电流，使励磁线圈122产生可调磁场，电流越大，磁场强度越大。具体地，供电组件123包括恒压电源和可调电阻，可调电阻与励磁线圈122串联，电阻越大流经励磁线圈122的电流越小。
励磁线圈122由漆包铜导线绕制而成，漆包铜导线的直径为0.5~1mm。在其他实施例中，励磁线圈122也可以由漆包铝线或漆包合金线等其他导线绕制而成。
如图1所示，本实施例还提供一种动态力校准系统，包括从上到下依次排列的激光干涉仪2、落锤3和底座4，且激光干涉仪2、落锤3及底座4的中轴线重合。将传感器平放在底座4上，使底座4支撑传感器。再将前述的缓冲垫1置于传感器上，避免落锤3冲击传感器时传感器受损。另外，落锤3的两侧竖直设置有导向机构5，该导向机构5用于限制落锤3向左右移动，保证落锤3释放后竖直下落。需要说明的是，动态力校准系统还包括一驱动组件，该驱动组件与落锤3连接，其用于牵引提升落锤3或释放落锤3。具体地，该驱动组件包括曳引机与安装在曳引机上的钢丝绳，落锤3固定在钢丝绳的末端，通过驱动钢丝绳顺时针移动或逆时针移动能够释放或提升落锤3。落锤3的驱动有多种方式，此处不再一一赘述。
本发明通过调整流经励磁线圈122的电流大小以改变励磁线圈122产生的磁场的强度，使得缓冲垫1中的磁流变弹性体11区域磁感应强度发生变化，进而调节磁流变弹性体11自身的刚度和阻尼，调节落锤3撞击产生的脉冲式力载荷的频带宽度，便于得到更准确的冲击力值，提高动态力校准系统的测试精度。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (10)
1.一种基于磁流变弹性体（11）的缓冲垫，其特征在于，包括：
磁流变弹性体（11）；
及邻近所述磁流变弹性体（11）设置的电磁装置（12），其用于产生一围绕所述磁流变弹性体（11）的可调控磁场，可调控磁场作用于所述磁流变弹性体（11）以改变其刚度和阻尼，所述电磁装置（12）包括铁芯（121）、与铁芯（121）配合的励磁线圈（122）及与所述励磁线圈（122）电连接的供电组件（123）。
2.根据权利要求1所述的缓冲垫，其特征在于，所述磁流变弹性体（11）具有相互平行的上端面和下端面，所述磁流变弹性体（11）由高分子聚合物和软磁颗粒构成，所述软磁颗粒呈链状排列形成若干软磁颗粒链，软磁颗粒链的中轴线垂直于所述磁流变弹性体（11）的上端面和下端面。
3.根据权利要求2所述的缓冲垫，其特征在于，所述软磁颗粒的粒径为0.5μm~6μm。
4.根据权利要求1或2或3所述的缓冲垫，其特征在于，所述磁流变弹性体（11）的厚度为3~10mm。
5.根据权利要求1所述的缓冲垫，其特征在于，所述供电组件（123）产生的电流为0~8A的恒定电流。
6.根据权利要求1或5所述的缓冲垫，其特征在于，所述供电组件（123）包括电源和可调电阻，所述可调电阻与所述励磁线圈（122）串联。
7.根据权利要求1或5所述的缓冲垫，其特征在于，所述励磁线圈（122）配置在所述铁芯（121）内，所述励磁线圈（122）由漆包铜导线绕制而成，所述漆包铜导线的直径为0.5~1mm。
8.根据权利要求1所述的缓冲垫，其特征在于，所述磁流变弹性体（11）和所述铁芯（121）之间填充有弹性材料（13），所述弹性材料（13）为海绵、天然乳胶、泡沫棉中的一种或几种。
9.一种动态力校准系统，用于对传感器进行动态力校准，包括缓冲垫（1），其特征在于，所述缓冲垫（1）为权利要求1-8任一项所述的缓冲垫（1）。
10.根据权利要求9所述的动态力校准系统，其特征在于，还包括从上到下依次排列的激光干涉仪（2)、落锤（3）和底座（4），所述底座（4）用于支撑所述传感器，所述传感器上放置有所述缓冲垫（1），所述落锤（3）沿一导向机构（5）释放或提升。
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