一种磁流体热膨胀系数测量系统及方法与流程

本发明属于材料热膨胀系数测量领域，具体涉及一种磁流体热膨胀系数测量系统及方法。

背景技术：

磁流体动力学(magnetohydrodynamic,简称mhd)角振动传感器因其高带宽、低噪声、小体积、响应快等性能优势，已被应用到航天器在轨宽带微角振动测量等领域中。

mhd角振动传感器利用了磁流体材料导电的特性，其基本思想是电磁感应的原理，由检测电路和敏感元件两大部分组成。磁流体是敏感元件的重要组成部分，被充入传感器环形腔体内形成流体环。永磁体位于圆环中间，并与环形腔体以及待测载体固定在一起。当载体有角速度ω振动时，由于磁流体的粘度很小，因此相对于固定的惯性坐标系几乎不动，这样磁流体和永磁体之间将产生一个相对速度v，磁流体切割磁感线，在内外电极之间产生一个与ω成线性关系的动生电动势e，通过检测e就可以得到当前输入角速度ω。

由于在实际应用中，mhd角振动传感器工作的环境温度会发生变化，环形容腔内的磁流体的体积也相应发生变化，使容腔内的压力急剧改变。这不仅对传感器的性能产生影响，严重时甚至破坏传感器的结构。针对此问题，需要精确测量磁流体的热膨胀系数，在对传感器结构进行优化设计时提供数据支撑。现有的热膨胀系数测量装置有以下问题：(1)没有稳定的温控系统；(2)没有气体环境保护装置，无法避免空气氧化造成的测量误差；(3)测量时人工读数，误差较大，自动化程度低，不能实时测量等。因此现有技术难以满足对磁流体热膨胀系数测量的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种磁流体热膨胀系数测量系统及方法，能够更精确地测量磁流体的热膨胀系数，为mhd角振动传感器的结构优化提供数据支撑。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种磁流体热膨胀系数测量系统，包括温控仪、pi电加热膜片、薄膜铂电阻式温度传感器、探头式温度传感器、电子分析天平、计算机、氮气仓、浮子、称重组件、磁流体容器和容器固定组件；所述pi电加热膜片、薄膜铂电阻式温度传感器、探头式温度传感器、磁流体容器、容器固定组件、称重组件、电子分析天平位于氮气仓内；温控仪和计算机设置于氮气仓外部；

所述电子分析天平放置于氮气仓底部正中位置，称重组件放置于电子分析天平上表面正中位置；称重组件由底座、支撑圆柱体、横架和配重块组成，横架平行于氮气仓；所述配重块固定于横架一端，横架另一端通过钨丝连接有所述浮子，所述磁流体容器通过所述容器固定组件固定于电子分析天平一侧的氮气仓底部上，磁流体容器内用于放置待测磁流体，测试时所述浮子置于所述磁流体容器内且完全浸没于待测磁流体中；

所述pi电热膜片通过导热硅胶环绕胶结于磁流体容器的外壁中部位置，薄膜铂电阻式温度传感器通过导热硅胶胶结固定在磁流体容器的外壁下部位置，探头式温度传感器用于放置于待测磁流体中，pi电热膜片、薄膜铂电阻式温度传感器和探头式温度传感器均与所述温控仪相连组成温控系统，计算机分别与温控仪和电子分析天平连接。

进一步的，所述氮气仓用于隔绝空气，防止磁流体被氧化；测量时向氮气仓内充入氮气，并保持在一个大气压下；氮气仓的仓壁上设置有出气孔、进气孔和氮气仓操作口，所述氮气仓上还设置有气压表。

进一步的，所述称重组件的底座放置于电子分析天平上，所述支撑圆柱体通过螺纹紧固在底座上，所述横架通过螺钉紧固在支撑圆柱体上；所述配重块通过粘合剂固定在横架一端，配重块用于消除力矩对测量精度的影响。

进一步的，容器固定组件包括底板、铜柱和支撑板；所述底板开有圆形槽，放置于电子分析天平一侧的氮气仓底部，圆柱形的所述磁流体容器嵌入圆形槽；两个所述铜柱通过螺纹连接于底板；所述支撑板通过螺钉紧固在铜柱上，支撑板中间开有圆形孔，所述磁流体容器从支撑板中间的圆形孔中穿过。

此外本发明还提供一种磁流体热膨胀系数测量方法的技术方案，具体包括以下步骤：

(1)向氮气仓内缓慢充入氮气，观察压力计，使氮气仓内气压稳定在一个大气压；

(2)开启计算机，通过上位机界面打开温控仪、电子分析天平，预热30分钟后，记录下此时称重组件在不受浮力时的总重m；

(3)通过氮气仓操作口操作氮气仓内的仪器，向磁流体容器内加入待测磁流体，将浮子完全浸没在待测磁流体中；

(4)加热磁流体至设定温度t1，t2，…，tm，…,tn…，记录下温度及对应的称重组件视重w1，w2，…，wm，…,wn…，设此时的磁流体密度分别为：ρ1，ρ2，…，ρm,…,ρn…，设浮子的体积分别为：v1，v2，…，vm,…,vnn…,根据阿基米德浮力原理，有：

mg-wm＝ρmvmg,①

mg-wn＝ρnvng，②

设浮子的热膨胀系数为β′，由于温度变化，浮子的体积也发生变化：

vn≈vm[1+β′(tn-tm)]，③

设磁流体在tm→tn时平均热膨胀系数为β，有：

ρn≈ρm[1+β(tn-tm)]，④

联立①-④式可得出待测磁流体在tm→tn时的平均热膨胀系数β：

其中，浮子热膨胀系数β′可根据常见材料热膨胀系数表查阅得知。

(5)选取合适的温度梯度对待测磁流体进行加热，计算机通过串口线与温控系统和电子分析天平建立通信，实时读取温度和称量视重的数据；通过根据公式⑤编写的计算机程序计算出各个温度差下的平均热膨胀系数β，然后进行多项式拟合，最终得到待测磁流体的温度-热膨胀系数曲线。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明通过温控装置实时改变待测磁流体的温度，通过磁流体容器外壁贴片式传感器和磁流体内部探头式传感器两个温度传感差值对比使控制温度更精确；

(2)本发明通过电子分析天平、称重组件、浮子装置将磁流体的热膨胀系数测量转化为浮子所受浮力的测量，只需测量浮力值即可计算出热膨胀系数，使操作更加简单，测量结果更加精确。

(3)在测量时，会向氮气仓内充满惰性气体，并使其保持在一个大气压，关闭进出气孔，此时磁流体置于惰性气体氛围中，避免磁流体由于被氧化带来的测量误差。同时，氮气仓内没有气体流动，避免了气流对测量系统的影响。

(4)本发明所涉及的装置自动化程度高，计算机实时采集温控系统和电子分析天平数据，得出不同温度下的磁流体热膨胀系数。

(5)本装置结构简单合理，成本低。

附图说明

图1是本发明磁流体热膨胀系数测量系统的结构示意图；

图2是本发明磁流体容器及其固定组件的剖视结构示意图；

附图标记：1-温控仪，2-出气孔，3-磁流体容器，4-钨丝，5-进气孔，6-氮气仓，7-横架，8-称重组件，9-电子分析天平，10-气压表，11-配重块，12-计算机，13-氮气仓操作口，14-容器固定组件，15-pi电加热膜片，16-薄膜铂电阻式温度传感器，17-探头式温度传感器，18-浮子，19-待测磁流体。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2所示，一种磁流体热膨胀系数的测量系统，包括温控仪1、pi电加热膜片15、薄膜铂电阻式温度传感器16、探头式温度传感器17、电子分析天平9、计算机12、氮气仓6、浮子18、称重组件8、磁流体容器3、容器固定组件14。pi电加热膜片15、薄膜铂电阻式温度传感器16、探头式温度传感器17、磁流体容器3、容器固定组件14、称重组件8、电子分析天平9位于氮气仓6内。

称重组件8包括底座、支撑圆柱体、横架7和配重块11。底座放置在电子分析天平9上；支撑圆柱体通过螺纹紧固在底座上，横架7通过螺钉紧固在支撑圆柱体上，配重块11通过粘合剂固定在横架7一端，横架7另一端连接浮子18，配重块11的作用是消除力矩对测量精度的影响。本实施例中浮子的材料为钨。

容器固定组件14包括底板、铜柱、支撑板；底板上开有圆形槽，放置在氮气仓6中靠左侧位置，圆柱形的磁流体容器3嵌入圆形槽；两个铜柱通过螺纹分别连接在底板上；支撑板通过螺钉紧固在铜柱上，支撑板中间开有圆形孔，磁流体容器3从支撑板中间圆形孔穿过。本实施例中磁流体容器3的材料为铜。

电子分析天平9位于氮气仓6正中位置，称重组件8放在电子分析天平9上正中位置，横架7平行于氮气仓6；横架右端固定配重块11，左端通过钨丝4连接浮子18；浮子完全浸没在待测磁流体19中；磁流体容器3通过容器固定组件14固定，防止倾覆；pi电加热膜片15通过导热硅胶胶结环绕固定在磁流体容器3的外壁中部位置，同时与温控仪1相连；薄膜铂电阻式温度传感器16通过导热硅胶胶结固定在磁流体容器3外壁下部位置，用于测量磁流体容器外壁的温度及温度变化并将测量数据传送至温控仪1；探头式温度传感器17置于待测磁流体19中，用于测量待测磁流体的温度及温度变化；两者通过接触的方式测量，并将测量数据传送给温控仪1；pi电加热膜片15、薄膜铂电阻式温度传感器16和探头式温度传感器17三者均与温控仪1相连形成温控系统，用于控制待测磁流体19的温度。计算机12通过串口线与温控系统1和电子分析天平9连接；计算机上编有处理数据的软件程序。

氮气仓6用于隔绝空气，防止磁流体被氧化；测量时向氮气仓内充入氮气，并保持在一个大气压；氮气仓6的仓壁上设置有出气孔2、进气孔5和氮气仓操作口13，氮气仓上还设置有气压表10。

具体的，pi电加热膜片15、薄膜铂电阻式温度传感器16和探头式温度传感器17三者均与温控仪1相连形成温控系统，经设定目标温度，通过pi电加热膜片对待测磁流体进行加热，当温度传感器16、17温度差丨δ丨＜0.1℃并稳定时，通过计算机采集温控仪1和电子分析天平9的数据，计算测量结果并实时显示；

具体的，一种磁流体热膨胀系数的测量方法，包括以下步骤：

(1)向氮气仓内缓慢充入氮气，观察压力计，使其稳定在一个大气压；

(2)开启计算机，通过上位机界面打开温控仪、电子分析天平，预热系统30分钟后，记录下此时称重组件在不受浮力时的总重m；

(3)通过氮气仓操作口操作氮气仓内的仪器，向磁流体容器内加入待测磁流体，将浮子完全浸没在待测磁流体中；

(4)在计算机上设定目标温度，计算机通过数据线将目标温度传至温控仪，加热待测磁流体；

(5)待两传感器温度差丨δ丨＜0.1℃并稳定时，计算机采集待测磁流体当前温度tn和电子分析天平视重示数wn；

(6)按一定的温度梯度重复(2)(3)步骤，得到各个温度下的数据，经过上位机程序计算，得到各个温度下待测磁流体的热膨胀系数β。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。