一种用于磁性液体的流变原位表征测量装置

本发明涉及流变测量与表征技术领域，具体涉及一种用于磁性液体的流变原位表征测量装置。

背景技术：

磁性液体密封作为一种能够实现“零泄漏”的密封方法，在越来越多的行业中得到广泛应用。相关技术中的流变测量装置的测量模式、测量精度和结构形式等不能满足磁性液体的流变特性测量的需求，因此，需要设计一种专门针对磁性液体的流变原位表征测量装置。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种用于磁性液体的流变原位表征测量装置。

根据本发明实施例的用于磁性液体的流变原位表征测量装置包括：

底座；

测试管，所述测试管具有在其延伸方向上相对的第一口和第二口，所述测试管包括用于容纳待测试磁性液体的直管段，所述直管段沿水平方向延伸，所述直管段采用透明材料制成以便外置摄像机拍摄所述磁性液体；

第一调节机构，所述第一调节机构与所述底座相连，所述测试管与所述第一调节机构相连以便通过所述第一调节机构调节所述测试管的倾斜角度和位置；

磁源，所述磁源能够与所述直管段配合以便对所述磁性液体提供磁场力；

第二调节机构，所述第二调节机构与所述底座相连，所述磁源与第二调节机构相连以便通过所述第二调节机构调节所述磁源的倾斜角度；以及

x射线发射器和x射线接收器，所述x射线发射器和所述x射线接收器分设在所述测试管的相对的两侧，所述x射线发射器能够与所述直管段配合以便朝向所述磁性液体发射小角x射线，所述x射线接收器能够与所述直管段配合以便接收经过所述磁性液体的x射线。

根据本发明实施例的用于磁性液体的流变原位表征测量装置可以同时实现磁性液体的宏观流变参数测量和微观结构变化情况表征。

在一些实施例中，所述直管段的截面为矩形。

在一些实施例中，所述直管段的截面的长和宽的比值为1.8-2.2。

在一些实施例中，进一步包括加样平台，所述加样平台与所述第一调节机构相连，所述测试管与所述加样平台相连，所述加样平台包括加样表面，所述加样表面上设有凹陷部，所述测试管设置在所述凹陷部的下方，所述第一口与所述凹陷部上下相对设置。

在一些实施例中，所述测试管进一步包括连接段，所述连接段沿上下方向延伸，所述连接段和所述直管段呈l形，所述连接段与所述加样平台相连，所述第一口设置在所述连接段的远离所述直管段的一端，所述第二口设置在所述直管段的远离所述连接段的一端。

在一些实施例中，所述磁源包括线圈以便在所述线圈通电时产生磁场力。

在一些实施例中，所述线圈为亥姆霍兹线圈，所述线圈包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈沿上下方向间隔开地布置，所述直管段在上下方向上位于所述第一线圈和所述第二线圈之间，所述直管段沿水平方向穿过所述第一线圈和所述第二线圈。

在一些实施例中，所述第一调节机构包括：

水平运动机构，所述水平运动机构包括水平运动架和第一电机，所述水平运动架沿水平方向可活动的设置在所述底座上，所述第一电机用于驱动所述水平运动架沿水平方向活动；

竖直运动机构，所述竖直运动机构包括升降平台和第二电机，所述第二电机用于驱动所述升降平台升降，所述升降平台与水平运动架相连；和

倾斜运动机构，所述倾斜运动机构包括倾斜运动平台和第三电机，所述第三电机用于驱动所述倾斜运动平台倾斜，所述倾斜运动平台与所述升降平台相连，所述测试管与所述倾斜运动平台相连。

在一些实施例中，所述第二调节机构为stewart并联机构平台，所述第二调节机构包括第一平台、第二平台和多个支链，所述第一平台和所述第二平台沿上下方向间隔开地设置，多个所述支链中的每一者与所述第一平台和所述第二平台中的每一者相连，所述第一平台与所述底座相连，所述第二平台与所述磁源相连。

在一些实施例中，所述第二调节机构沿水平方向可活动地设置在所述底座上。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的用于磁性液体的流变原位表征测量装置的结构示意图。

图2是根据本发明一个实施例的用于磁性液体的流变原位表征测量装置的另一视角的结构示意图。

图3是图1中测试管的结构示意图。

附图标记：流变原位表征测量装置100；

底座1；第一导轨101；第二导轨102；

测试管2；直管段201；连接段202；第一口203；第二口204；

第一调节机构3；水平运动机构301；水平运动架3011；导向槽30111；第一电机3012；竖直运动机构302；剪叉式升降平台3021；第二电机3022；第一调节机构3；倾斜运动机构303；倾斜运动平台3031；第三电机3032；

磁源4；线圈401；

第二调节机构5；第一平台501；第二平台502；支链503；滑台504；

x射线发射器6；

x射线接收器7；

加样平台8；加样表面801。

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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-图3所示，根据本发明实施例的用于磁性液体的流变原位表征测量装置100(以下简称流变原位表征测量装置100)包括底座1、测试管2、第一调节机构3、磁源4、第二调节机构5、x射线发射器6和x射线接收器7。

测试管2具有在其延伸方向上相对的第一口203和第二口204，测试管2包括用于容纳待测试磁性液体的直管段201，直管段201沿水平方向延伸。直管段201采用透明材料制成以便外置摄像机拍摄磁性液体。磁源4能够与直管段201配合以便对磁性液体提供磁场力。

第一调节机构3与底座1相连，测试管2与第一调节机构3相连以便通过第一调节机构3调节测试管2的倾斜角度和位置。第二调节机构5与底座1相连，磁源4与第二调节机构5相连以便通过第二调节机构5调节磁源4的倾斜角度。

x射线发射器6和x射线接收器7分设在测试管2的相对的两侧，x射线发射器6与直管段201配合以便朝向磁性液体发射小角x射线，x射线接收器7与直管段201配合以便接收经过磁性液体的x射线。

根据本发明实施例的流变原位表征测量装置100利用磁源4可以使直管段201内的磁性液体处于磁场内；利用第一调节机构3可以调节直管段201的倾斜角度，以便调节直管段201内的磁性液体的内部应力(剪切力)以及使直管段201内的磁性液体在重力作用下沿直管段201的延伸方向发生层流；利用第二调节机构5可以调节磁源4的磁场方向，以便使直管段201内的磁性液体处于磁场均匀度较高的磁场内以及改变直管段201内的磁性液体与磁源4的磁场力方向间的角度。

由此，磁性液体在直管段201内流动过程中利用外置摄像机对磁性液体的位置进行拍摄，可以得到磁性液体的流速，从而利用流速以及直管段201的相关参数可以得到磁性液体的剪切速率；利用直管段201的倾斜角度可以得到磁性液体的剪切应力；进而利用得到的剪切应力和剪切速率可以得到磁性液体的粘度，从而实现磁性液体的宏观流变参数的测量。

此外，利用第一调节机构3可以调节直管段201的位置和倾斜角度或者利用第一调节机构3仅调节直管段201的位置，从而使得直管段201内的流动的磁性液体，始终处于x射线发射器6发射的小角x射线的散射光路中，并在小角x射线经过磁性液体后被x射线接收器7接收。实现直管段201内的磁性液体流动过程中内部微观结构的实时原位表征，实现磁性液体的微观结构变化情况的表征。

因此，根据本发明实施例的流变原位表征测量装置100可以同时实现磁性液体的宏观流变参数测量和微观结构变化情况表征。

下面参考附图详细描述根据本发明实施例的流变原位表征测量装置100。

如图1-图3所示，根据本发明实施例的流变原位表征测量装置100包括底座1、测试管2、第一调节机构3、磁源4、第二调节机构5、x射线发射器6和x射线接收器7。

测试管2具有在其延伸方向上相对的第一口203和第二口204，测试管2包括用于容纳待测试磁性液体的直管段201，直管段201沿水平方向延伸。

直管段201采用透明材料制成以便外置摄像机拍摄磁性液体。例如，直管段201采用玻璃制作，优选地，直管段201采用石英玻璃制作。摄像机可以为高速摄像机。

在一些实施例中，直管段201的截面为矩形。换言之，直管段201为矩形管段。由此，在小角x射线光束穿过直管段201内的磁性液体时，发生散射的部分磁性液体膜厚度均匀，有利于提高流变原位表征测量装置100的测试准确性。

优选地，直管段201的截面的长和宽的比值为1.8-2.2。换言之，以直管段201的在上下方向上的高度为l1，以直管段201的在水平方向上的宽度为l2,l1与l2的比值为1.8-2.2。例如，直管段201的截面的长和宽的比值为2。

具体使用时，x射线发射器6沿水平方向朝向磁性液体发射小角x射线。

在一些实施例中，流变原位表征测量装置100进一步包括加样平台8，加样平台8与第一调节机构3相连，测试管2与加样平台8相连，加样平台8包括加样表面801，加样表面801上设有凹陷部，测试管2设置在凹陷部的下方，第一口203与凹陷部上下相对设置。

例如，加样表面整体中间低、边沿高，此时，加样表面整体构成凹陷部；又例如，加样表面的其中一部分凹陷设置构成凹陷部，其余部分为高度一致的平面。

由此，在利用第一口203向测试管2内加磁性液体时，可以直接将磁性液体加在加样表面801的凹陷部处，接着磁性液体在重力作用下经第一口203进入测试管2内，便于将磁性液体加入测试管2内。

在另一些实施例中，也可以不设置加样平台，此时，直接将磁性液体从第一口203加入测试管2内。此时，为方便将磁性液体加入测试管2内，可以利用滴管等辅助设备进行加样操作。

优选地，测试管2进一步包括连接段202，连接段202沿上下方向延伸，连接段202和直管段201呈l形，连接段202与加样平台8相连，第一口203设置在连接段202的远离直管段201的一端，第二口204设置在直管段201的远离连接段202的一端。

例如，如图3所示，测试管2为l形管，l形管的竖直部分为连接段203，l形管的水平部分为直管段204，第一口203设置在竖直部分的上端部上，第二口204设置在水平部分的远离竖直部分的端部上。

由此，利用长度较长的连接段202与加样平台8相连，便于测试管2与加样平台连接。

优选地，对测试管2的内表面进行疏水改性。由此，避免磁性液体流动过程中发生堵塞。

磁源4能够与直管段201配合以便对磁性液体提供磁场力。例如，直管段201位于磁源4的磁场内，利用磁源4对直管段201内的磁性液体提供磁场力。

在一些实施例中，磁源4包括线圈401以便在线圈通电时产生磁场力。

由此，通过改变流过线圈的电流大小可以改变磁场力的大小，通过改变流过线圈的电流的方向可以改变磁场力的方向，便于实现不同磁场条件下从宏观和微观上对磁性液体的进行测量和表征。

优选地，线圈为亥姆霍兹线圈，线圈401包括第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈沿上下方向间隔开地布置，直管段201在上下方向上位于第一线圈和第二线圈之间，直管段201沿水平方向穿过第一线圈和第二线圈。

由此，亥姆霍兹线圈通电时形成的磁场在较大范围内为均匀磁场，有利于使磁性液体实习中处于磁场均匀度较高区域。

第一调节机构3与底座1相连，测试管2与第一调节机构3相连以便通过第一调节机构3调节测试管2的倾斜角度和位置。第二调节机构5与底座1相连，磁源4与第二调节机构5相连以便通过第二调节机构5调节磁源4的倾斜角度。

在一些实施例中，第一调节机构3包括水平运动机构301、竖直运动机构302和倾斜运动机构303。

水平运动机构301包括水平运动架3011和第一电机3012，水平运动架3011沿水平方向可活动的设置在底座1上，第一电机3012用于驱动水平运动架3011沿水平方向活动。

竖直运动机构302包括升降平台3021和第二电机3022，第二电机3022用于驱动升降平台3021升降，升降平台3021与水平运动架3011相连。

倾斜运动机构303包括倾斜运动平台3031和第三电机3032，第三电机3032用于驱动倾斜运动平台3031倾斜，倾斜运动平台3031与升降平台3021相连，测试管2与倾斜运动平台3031相连。

由此，利用水平运动机构301方便实现测试管2的水平方向的位置调节，利用竖直运动机构302方便实现测试管2的竖直方向的位置调节，利用倾斜运动机构303方便实现测试管2的倾斜角度的调节。

在另一些实施例中，水平运动机构301、竖直运动机构302和倾斜运动机构303可以是已知的。

优选地，底座1上设有第一导轨101，第一导轨101沿水平方向延伸，水平运动架3011上设有导向槽30111，导向槽30111与第一导轨101配合。由此，利用第一导轨101和导向槽30111之间的导向作用，有利于提高水平运动机构301的可靠性。

优选地，第一电机3012和水平运动架3011之间设有滚珠丝杠，第一电机3012通过滚珠丝杠驱动水平运动架3011沿水平方向移动。

优选地，升降平台3021为剪叉式升降平台，由此，升降平台3021升降运动的平稳性好，有利于提高升降平台3021的运动可靠性。

优选地，倾斜运动机构303的角度变化范围为0-15°。

x射线发射器6和x射线接收器7分设在测试管2的相对的两侧，x射线发射器6与直管段201配合以便朝向磁性液体发射小角x射线，x射线接收器7与直管段201配合以便接收经过磁性液体的x射线。

在一些实施例中，第二调节机构5为stewart并联机构平台，第二调节机构5包括第一平台501、第二平台502和多个支链503，第一平台501和第二平台502沿上下方向间隔开地设置，多个支链503中的每一者与第一平台501和第二平台502中的每一者相连，第一平台501与底座1相连，第二平台502与磁源4相连。

由此，利用stewart并联机构平台可以实现磁源4的六自由度的运动，便于对磁源4的磁场方向、直管段201与磁场方向的夹角以及直管段201内的磁性液体在磁场内的位置进行调节。

在一些实施例中，第二调节机构5沿水平方向可活动地设置在底座1上。

由此，利用流变原位表征测量装置100进行测量时，可以先通过沿水平方向移动第二调节机构5实现直管段201和磁源4之间的位置进行粗调，再利用第一调节机构3和第二调节机构5分别对直管段201和磁源4的位置进行微调，便于高效的进行测试管2和磁源4的位置调节，有利于提高测量效率。

优选地，流变原位表征测量装置100进一步包括滑台504，底座1上设有第二导轨102，第二导轨102沿水平方向延伸，滑台504与第二导轨102配合，第二调节机构5与滑台504相连。由此，利用第二导轨102和滑台504之间的导向作用，有利于提高第二调节机构5沿水平方向运动的可靠性。

根据本发明实施例的流变原位表征测量装置100实现了磁性液体的流变原位表征功能，结构合理可靠，使磁性液体宏观流变特性背后的微观机理表征成为可能。可以用于磁性液体的性能研究上，例如，利用得到的宏观信息和微观信息进行对照，以便对磁性液体的性能进行优化。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。