CN1746654A - 磁流变液流变特性测量系统 - Google Patents

Abstract

一种测量技术领域的磁流变液流变特性测量系统，包括：转轴、测量空间、环形磁导体、环氧密封环、引线孔、励磁线圈、主磁导体、传热液导孔和基座。转轴的上部为圆柱形，基座保持了流变仪原有基座的外轮廓机械尺寸，在基座内部设有环形磁导体和主磁导体，环形磁导体和主磁导体之间构成测量空间，转轴下部的剪切臂能伸入测量空间剪切其中的磁流变液，励磁线圈设置于主磁导体中，励磁线圈的两个末端经引线孔导出，励磁线圈的上部用环氧胶密封形成环氧密封环，基座的下部桶壁和主磁导体的外桶壁中设置一个连通的传热液导孔。本发明的剪切速率均匀，剪切臂与磁流变液可靠地接触，剪切面积稳定，流变仪不会过载，磁流变液的用量少，测量空间清洁方便。

Description

磁流变液流变特性测量系统

技术领域

本发明涉及的是一种测量技术领域的设备，具体是一种磁流变液流变特性测量系统。

背景技术

磁流变液是一种智能流体材料，流变特性是其最基本和最关键的特性，测量磁流变液流变特性的仪器和方法也多种多样。现有的磁流变液流变特性测量仪器和方法基本上是在已有的用于普通流体流变特性测量的流变仪上进行改装和升级。通常的做法就是在测量系统上增加磁场发生装置，在测量系统的测量空间形成磁场。现有的商品化旋转式流变仪在精度和功能方面都十分完善，基本结构都是一个提供旋转运动的动力机构和一个测量转矩的测量机构，二者可以上下分置，也可以复合在一起。由英国MALVERN公司生产的CVO100就是一种动力机构和测量机构复合的旋转式流变仪，两个平板之间放置流体样本，动力机构驱动上平板作旋转运动，剪切流体样本，剪切力矩由测量机构测量获得。该仪器是为石油等普通流体的流变特性测量设计的高精度流变仪，剪切应力分辨率和剪切速率分辨率很高，但是最大驱动力矩只有0.1N·m。当负载转矩大于流变仪的最大驱动力矩，流变仪就不能正常工作。实际应用表明，应用圆形平板测量头，在磁流变液样品下放置磁钢提供磁场，该流变仪不能获得稳定的剪切速率值，过载是其主要原因。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利号：01113648.0，发明名称：磁流变液流变特性的测量系统，该专利采用了双平板的结构型式，上下两个平板都为圆形，由导磁材料制成。环形励磁线圈与圆形平板同轴，当电流通过励磁线圈以后，两个平板之间就会产生轴向的磁场，从而平板之间的磁流变液产生磁流变效应。上平板剪切磁流变液，下平板轴上的应变片检测相应的剪切应力。由于两个平板由导磁材料制成，在使用中极易受到不平衡磁力的作用。驱动上平板的步进电机和调整下平板高度的螺纹丝杆中的配合间隙都会影响两个平板间距实际值和设定值的差异，从而导致计算误差。其次，由于上、下平板的引出轴的材料为黄铜，中心处的磁感应强度相对较低。第三，在圆形双平板结构中，剪切速率沿径向是不均匀的，只能以一个平均的剪切速率代替。所以无法准确和可靠地测量磁流变液的流变特性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种磁流变液流变特性测量系统，使其实现准确和可靠地测量磁流变液的流变特性。在用于英国MALVERN公司生产的CVO100流变仪时，能避免流变仪过载影响流变仪剪切速率的稳定性。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括：转轴、测量空间、环形磁导体、环氧密封环、引线孔、励磁线圈、主磁导体、传热液导孔和基座。转轴的上部为圆柱形，基座保持了流变仪原有基座的外轮廓机械尺寸，在基座内部设有环形磁导体和主磁导体，环形磁导体和主磁导体之间构成磁路和磁流变液的测量空间，转轴下部的剪切臂能伸入测量空间剪切其中的磁流变液，励磁线圈设置于主磁导体中，励磁线圈的两个末端经引线孔导出，励磁线圈的上部用环氧胶密封形成环氧密封环，基座的下部桶壁和主磁导体的外桶壁中设置一个连通的传热液导孔。

转轴的中部为环形，在环形部分以下是两个狭窄的沿轴向延伸的薄片，每个薄片的弧长为2mm，长度11mm，厚度0.5mm，两个薄片沿半径为10.75mm的圆周以圆心对称分布。

主磁导体的外桶壁与基座的内壁紧配，主磁导体的中心圆柱和其桶壁之间放置励磁线圈。

主磁导体中的半径为10mm的中心圆柱的上部圆柱面和环形磁导体的内表面构成宽度为1.5mm的环形测量空间。测量空间的深度为11mm。

当转轴的底面和主磁导体的半径为10mm的中心圆柱的上表面接触时，剪切臂伸入测量空间的长度为10mm，剪切臂的内表面与主磁导体的半径为10mm的中心圆柱的外圆柱面之间的距离为0.5mm，剪切臂的外表面与环形磁导体的内圆柱面之间的距离为0.5mm。

因为CVO100是为石油等普通流体的流变特性测量设计的高精度流变仪，高磁感应强度下的磁流变液在上平板的剪切作用下，屈服前它对上平板的反作用力往往几倍于屈服后对上平板的反作用力。为避免流变仪过载影响流变仪剪切速率的稳定性，转轴特地采用了上述的狭长剪切臂的结构型式。

本发明工作时，励磁线圈的两根导线分别接到电流源的正、负输出端。将磁流变液注入测量空间中，将转轴下降使它的底面和主磁导体的半径为10mm的中心圆柱的上表面接触时，设定此时的上、下距离为零。将转轴上升2mm，于是剪切臂在测量空间中的长度为8mm。转轴旋转时，剪切臂剪切测量空间中的磁流变液，剪切臂受到的剪切力矩经转轴被流变仪中的力矩传感器所检测，由剪切臂的力臂长度和剪切面积可以计算得到磁流变液的剪切应力值。磁流变液的流变特性可以用不同磁感应强度下的剪切速率和剪切应力之间的关系加以描述。

由于剪切臂的厚度远小于剪切臂的半径R，因此可以认为剪切臂的内、外剪切面的力臂长度都为R。设剪切臂浸入测量空间的长度为H，剪切臂的弧长为L，剪切力矩为M，剪切应力

$\mathrm{\τ}=\frac{M}{4\mathrm{RHL}}$

设剪切臂的剪切线速度为V，剪切臂的内表面与主磁导体的半径为10mm的中心圆柱的圆柱面以及剪切臂的内表面与环形磁导体的内圆柱面之间的距离为D，剪切速率

$\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}=\frac{V}{D}$

由不同磁感应强度下的剪切应力和剪切速率的测量数据可以得到各种磁流变液流变特性模型的具体参数。

与现有技术相比，本发明的剪切速率的均匀性优于双平板测量系统，因为在双平板测量系统中剪切速率沿径向是不均匀的。由于剪切臂的下部是浸泡在磁流变液中，二者能可靠地接触。虽然磁流变液的剪切应力远大于普通流体，但是本发明的剪切面积很小，同时还可以通过转轴的上、下移动进一步加以限制，使转轴所受到的最大剪切转矩小于流变仪的最大驱动力矩，以保证流变仪的正常测量工作。转轴受到的磁场力为径向，且合力为零，转轴与基座的垂直方向距离稳定。磁流变液体只需填满测量系统的测量空间，磁流变液的用量少。测量完成后，通过拆卸环形磁导体即可清洁测量空间。本发明充分利用了现有流变仪的功能并克服其局限性，高电压供电不影响测量精度，磁流变液用量少，清理方便，有利于磁流变液的材料研究。

附图说明

图1本发明整体结构示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：转轴1、测量空间2、环形磁导体3、环氧密封环4、引线孔5、励磁线圈6、主磁导体7、传热液导孔8和基座9。

转轴由导磁材料制成，转轴1的上部为圆柱形，可以被流变仪的夹具夹持，并在电机的驱动下旋转；转轴1的中部为环形，在环形部分以下是两个狭窄的沿轴向延伸的薄片，每个薄片的弧长为2mm，长度11mm，厚度0.5mm，两个薄片沿半径为10.75mm的圆周以圆心对称分布。基座9保持了流变仪原有基座的外轮廓机械尺寸。基座9的中间是磁路元件，其中主磁导体7的外桶壁与基座9的内壁紧配，主磁导体7中的半径为10mm的中心圆柱的上部圆柱面和环形磁导体3的内表面构成宽度为1.5mm的环形测量空间2，测量空间2的深度为11mm；主磁导体7的中心圆柱和其桶壁之间放置励磁线圈6，励磁线圈6的两个末端经引线孔5导出；励磁线圈6的上部用环氧胶密封形成环氧密封环4，防止测量空间2中的磁流变液进入励磁线圈6所在的空间；基座9的下部桶壁和主磁导体7的外桶壁中设置一个连通的传热液导孔8。当转轴1的底面和主磁导体7的半径为10mm的中心圆柱的上表面接触时，剪切臂伸入测量空间2的长度为10mm，剪切臂的内表面与主磁导体7的半径为10mm的中心圆柱的外圆柱面之间的距离为0.5mm，剪切臂的外表面与环形磁导体3的内圆柱面之间的距离为0.5mm。励磁线圈6中通过电流以后，测量空间2中的磁感应强度为径向辐射方向，剪切臂伸入测量空间2中沿切线方向剪切其中的磁流变液。

测量时，励磁线圈6的两根导线分别接到电流源的正、负输出端。将磁流变液注入测量空间2中，将转轴1下降使它的底面和主磁导体7的半径为10mm的中心圆柱的上表面接触时，设定此时的上、下距离为零。将转轴1上升2mm，于是剪切臂在测量空间2中的高度为8mm。转轴1旋转时，剪切臂剪切测量空间2中的磁流变液，剪切臂受到的剪切力矩经转轴1被流变仪中的力矩传感器所检测，由剪切臂的力臂长度和剪切面积可计算得到磁流变液的剪切应力值。

Claims (8)

1、一种应用于旋转式流变仪的磁流变液流变特性测量系统，包括：环形磁导体(3)、环氧密封环(4)、引线孔(5)、励磁线圈(6)、传热液导孔(8)和基座(9)，其特征在于，还包括：转轴(1)、测量空间(2)和主磁导体(7)，转轴(1)的上部为圆柱形，基座(9)保持了流变仪原有基座的外轮廓机械尺寸，在基座(9)内部设有环形磁导体(3)和主磁导体(7)，环形磁导体(3)和主磁导体(7)之间构成磁路和磁流变液的测量空间(2)，转轴(1)下部的剪切臂能伸入测量空间(2)剪切其中的磁流变液，励磁线圈(6)设置于主磁导体(7)中，励磁线圈(6)的两个末端经引线孔(5)导出，励磁线圈(6)的上部用环氧胶密封形成环氧密封环(4)，基座(9)的下部桶壁和主磁导体(7)的外桶壁中设置一个连通的传热液导孔(8)。

2、根据权利要求1所述的磁流变液流变特性测量系统，其特征是，转轴(1)的中部为环形，在环形部分以下是两个狭窄的沿轴向延伸的薄片，每个薄片的弧长为2mm，长度11mm，厚度0.5mm。

3、根据权利要求2所述的磁流变液流变特性测量系统，其特征是，所述的薄片，两个薄片沿半径为10.75mm的圆周以圆心对称分布。

4、根据权利要求1所述的磁流变液流变特性测量系统，其特征是，主磁导体(7)的外桶壁与基座(9)的内壁紧配，主磁导体(7)的中心圆柱和其桶壁之间放置励磁线圈(6)。

5、根据权利要求1或者4所述的磁流变液流变特性测量系统，其特征是，主磁导体(7)中的半径为10mm的中心圆柱的上部圆柱面和环形磁导体(3)的内表面构成宽度为1.5mm的环形测量空间(2)。

6、根据权利要求1或者4所述的磁流变液流变特性测量系统，其特征是，励磁线圈(6)通以电流以后，环形测量空间(2)的磁感应强度的方向为径向。

7、根据权利要求1所述的磁流变液流变特性测量系统，其特征是，测量空间(2)的深度为11mm。

8、根据权利要求1所述的磁流变液流变特性测量系统，其特征是，当转轴(1)的底面和主磁导体(7)的半径为10mm的中心圆柱的上表面接触时，剪切臂伸入测量空间(2)的长度为10mm，剪切臂的内表面与主磁导体(7)的半径为10mm的中心圆柱的外圆柱面之间的距离为0.5mm，剪切臂的外表面与环形磁导体(3)的内圆柱面之间的距离为0.5mm。

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