专利名称：一种磁流变脂(液)电磁学特性测试方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于可控流体电磁学特性检测技术领域，特别是磁流变(体)电磁学特性检测，具体涉及磁流体与磁流变脂(液)电磁学特性检测方法和装置。
背景技术：
磁流变脂(液)是ー种智能流体材料，由磁性粒子、基液以及添加剂组成。在无外磁场作用吋，磁流变脂(液)呈现流动性良好的液体状态；在外加磁场作用下其表观粘度可在短时间(毫秒级)内増加到两个数量级以上，从而呈现类似固体的状态。在撤掉外磁场后“固态”磁流变脂(液)可快速转换为流体状态(Wojciech Szelag. Finite elementanalysis of the magnetorheo-logical fluid braKe transients[J].2004,23 (3)758-766.)。利用这种特性开发的可控器件，其机械结构简单，功耗低，响应时间快等优点，可广泛应用于振动控制、阻尼控制、电子控制等领域。磁流变脂(液)的电阻率、介电常数、磁导率及基于磁流变脂(液)的电阻、电感、电容是磁流变脂(液)的主要电磁学特性，在先技术对磁流变脂(液)电阻、电感、电容等电磁学特性检测未见报道。在先技术用万用表、电桥法只能测出磁流变脂(液)电阻、电感、电容的大小，精度较低，不能实时显示磁场对磁流变脂(液)电阻、电容、电感的影响规律，并且在先技术无法有效地测量磁流变脂(液)的电阻率、介电常数和磁导率大小以及实时显示磁场对磁流变脂(液)电阻率、介电常数和磁导率的影响规律。
发明内容
为了能够有效地测试磁流变脂(液)的电磁学特性，本发明提出ー种磁流变脂(液)电磁学特性检测方法和装置。该装置主要分为磁流变脂(液)电阻和电阻率测试、磁流变脂(液)电容和介电常数测试、磁流变脂(液)电感和磁导率测试三部分。该装置由磁流变脂(液)电磁学特性转换器、信号预处理、信号放大与滤波、数据处理及显示五部分组成。磁流变脂(液)电阻转换器是由磁流变脂(液)电阻、反馈电阻和运算放大器构 成的比例运算电路。用一直流电压信号对该比例运算电路进行激励后，将磁流变脂(液)电阻或电阻率随外磁场的变化转换成相应的直流电压信号。用虚拟仪器或嵌入式系统或单片机对该直流电压信号进行数据运算和处理，即可检测出磁流变脂(液)电阻和电阻率的大小及实时显示外磁场对其影响规律。磁流变脂(液)电容转换器是由磁流变脂(液)电容、反馈电阻、反馈电容和运算放大器构成的比例运算电路。用一交流电压信号对该比例运算电路进行激励后，将磁流变脂(液)电容或介电常数随外磁场的变化转换成交流电压信号。用虚拟仪器或嵌入式系统或单片机对该交流电压信号进行数据运算和处理，即可检测出磁流变脂(液)电容和介电常数的大小及实时显示外磁场对其影响规律。磁流变脂(液)电感和磁导率检测部分用一交流电压信号对已知电阻和磁流变脂(液)电感组成的串联回路进行激励，根据串联分压原理，电感两端产生电压降。将磁流变脂(液)电感或磁导率随外磁场的变化转换成磁流变脂(液)电感两端电压信号。用虚拟仪器或嵌入式系统或单片机对该电压信号进行数据运算和处理，即可检测出磁流变脂(液)电感和磁导率的大小及实时显示外磁场对其影响规律。本发明不但可以有效地检测及实时显示磁流变脂(液)电阻特性、磁流变脂(液)电感特性、磁流变脂(液)电容特性在外磁场下的变化规律，而且可有效地检测及实时显示磁流变脂(液)的电阻率特性、介电常数特性和磁导率特性在外磁场下的变化规律。本发明所采用的技术方案如下ー种磁流变脂(液)电磁学特性检测装置，该装置包括磁流变脂(液)电磁学特性转换器、信号预处理、信号放大与滤波、数据处理及显示五部分。所述磁流变脂(液)电磁学特性转换器包括磁流变脂(液)电阻转换器、磁流变脂(液)电容转换器和磁流变脂(液)电感转换器。所述磁流变脂(液)电阻转换器由磁流变脂(液)电阻和电阻——电压转换电路两部分組成。所述磁流变脂(液)电阻由绝缘材料、磁流变脂(液)、两块金属平板、导线构成。两块金属平板作为电极且相向放置，用绝缘材料将两电极封装构成一封闭器，内部充满磁流变脂(液)。导线从金属平板电极上引出构成磁流变脂(液)电阻。所述电阻——电压转换电路由磁流变脂(液)电阻、运算放大器和反馈电阻组成。磁流变脂(液)电阻、运算放大器和反馈电阻构成比例运算电路。当测试时，向电路输入一直流电压信号，该信号将对此比例运算电路进行激励，从而将磁流变脂(液)电阻或电阻率随外磁场的变化转换成相应的直流电压信号。所述磁流变脂(液)电容转换器由磁流变脂(液)电容和电容——电压转换电路两部分組成。所述磁流变脂(液)电容与磁流变脂(液)电阻结构一祥。所述电容——电压转换电路由磁流变脂(液)电容、运算放大器、反馈电阻、反馈电容组成。磁流变脂(液)电容、运算放大器、反馈电阻、反馈电容构成比例运算电路。当测试吋，向电路输入一交流电压信号，该信号将对此比例运算电路进行激励，从而将磁流变脂(液)电容或介电常数随外磁场的变化转换成交流电压信号。所述磁流变脂(液)电感转换器由磁流变脂(液)电感和电感——电压转换电路两部分組成。所述磁流变脂(液)电感为エ字型电感，由导线、绝缘材料、密绕铜线圈、磁流变脂(液)构成。该电感エ字型骨架用绝缘材料组成，其内部充满磁流变脂(液)，在该骨架上密绕铜线圈，导线由密绕铜线圈引出构成磁流变脂(液)电感。所述电感——电压转换电路由磁流变脂(液)电感和分压电阻组成。磁流变脂(液)电感和分压电阻构成串联回路。当测试时，向电路输入一交流电压信号，该信号对分压电阻进行激励，激励电流经由磁流变脂(液)电感后，将磁流变脂(液)电感或磁导率随外磁场的变化转换成磁流变脂(液)电感两端交流电压信号。
所述磁流变脂(液)也可是磁流体。所述绝缘材料为粉云母及云母制品，玻璃、玻璃纤维及其制品，以及电瓷、氧化铝月旲等。所述金属平板为导磁很小或不导磁的铝板、钢板、钛合金或钨铜合金等。所述金属极板形状为圆形、多边形、半球形、及其组合。所述信号放大与滤波、数据处理及显示系统由虚拟仪器、嵌入式系统或单片机组成。根据上述检测装置，本发明进一歩提出ー种磁流变脂(液)电磁学特性的检测方法，该方法包括以下步骤(I)设计磁流变脂(液)电磁学特性转换器，该转换器由磁流变脂(液)电阻转换器、磁流变脂(液)电容转换器、磁流变脂(液)电感转换器三部分组成。即设计磁流变脂 (液)电阻、磁流变脂(液)电容、磁流变脂(液)电感及其相应转换电路。(2)通过磁流变脂(液)电磁学特性转换器将转换后的电压信号经过预放大电路后输入虚拟仪器或嵌入式系统或单片机运算。(3)通过可编程的虚拟仪器或嵌入式系统或单片机对上述电压信号采集、数据处理和运算，从而得到磁流变脂(液)电磁学特性參数以及其在外磁场下的变化规律。(4)利用虚拟仪器或嵌入式系统或单片机实时显示磁流变脂(液)的电磁学特性參数及其在外磁场下的变化曲线。本发明的有益效果是(I)设计出磁流变脂(液)电阻、磁流变脂(液)电容、磁流变脂(液)电感。(2)可以检测出磁流变脂(液)电阻、磁流变脂(液)电感、磁流变脂(液)电容在外磁场下的大小(3)可以实时显示磁流变脂(液)电阻、磁流变脂(液)电感、磁流变脂(液)电容在外磁场下的变化曲线(4)可以检测出磁流变脂(液)的电阻率、介电常数、磁导率在外磁场下的大小(5)可以实时显示磁流变脂(液)的电阻率、介电常数、磁导率在外磁场下的变化曲线(6)可以将磁流变脂(液)电磁学特性參数进一歩应用于磁流变智能传感技术，尤其是磁流变脂(液)阻尼器、磁流变脂(液)抛光器、自诊断等领域，从而进一歩扩大磁流变脂(液)的应用领域。
下面结合附图和实施例对本发明进ー步说明。图I是本发明磁流变脂(液)电磁学特性检测方法原理图；图2是磁流变脂(液)电磁学特性转换电路(电阻——电压转换电路，电容——电压转换电路，电感——电压转换电路)； 图3是イ目号处通和显不框图；图4是磁流变脂(液)电阻/电容立体图；图中I.绝缘封装材料，2.磁流变脂(液)通道，3.铝制圆极板4.导线图5是磁流变脂(液)电感立体图。图中5.导线，6.エ字型绝缘骨架，7.密绕铜线圈，8.磁流变脂(液)通道
图6是磁流变脂(液)电阻与磁流变脂(液)电阻率随外磁场的变化曲线7是磁流变脂(液)电容与磁流变脂(液)介电常数随外磁场的变化曲线8是磁流变脂(液)电感与磁流变脂(液)磁导率随外磁场的变化曲线图
具体实施例方式參照图1，本发明所涉及的磁流变液电磁学特性检测方法和装置包括磁流变液电磁学特性转换器(磁流变液电阻转换器、磁流变液电容转换器、磁流变液电感转换器)、信号预处理、信号放大与滤波、数据处理及显示五部分。由单刀三掷开关K选择磁流变液相关电磁学特性參数测试，测试信号经过预放大电路后进入虚拟仪器。经过虚拟仪器对信号进行运算和处理即可检测出磁流变液相关电磁学特性參数。所用磁流变液是MRF-J01T。參照图2，磁流变液电磁学特性转换电路由待测磁流变液电阻、电容、电感、已知电阻、电容、运算放大器构成。其中U1为IOV直流电压，Rx为待测磁流变液电阻(兆欧级别)，B为外加磁感应强度，R1为50兆欧电阻，R2为30兆欧电阻；U2 (t)为10KHZ正弦信号，Cx为 待测磁流变电容(为皮法级别)，C2和C3分别为20PF电容，R3为47K电阻，C1为100PF电容；U3(t)为50kHZ正弦信号，Lx为磁流变液电感(为毫亨级别)，R4为Ik电阻。參照图3，信号放大与滤波电路由虚拟仪器自带放大与滤波模块构成。数据处理及显示系统由虚拟仪器数据处理模块及显示控件构成。通过虚拟仪器采集信号，采样频率为1MHZ。利用Iabview数值运算模块和数值显示控件、图形显示控件对数据进行处理及显示。參照图4，磁流变液电阻/电容由有机玻璃封装I、磁流变液通道2、铝制圆盘电极
3、导线4构成。铝制圆盘电极3平行相向放置，导线4接在铝制圆盘电极3上，在铝制圆盘电极3上设置磁流变液通道2，磁流变液通过磁流变液通道2注满有机玻璃封装1，用螺钉封闭磁流变液通道2构成磁流变液电阻/电容。其中铝制圆盘电极3半径为2厘米，两电极间隔为3毫米。參照图5，磁流变液电感由导线5、エ字型绝缘骨架6、密绕铜线圈7、磁流变液通道
8、构成。在エ字型绝缘骨架6上密绕铜线圈7，导线5由密绕铜线圈7引出，在エ字型绝缘骨架6上设置磁流变液通道8，磁流变液通过磁流变液通道8注满エ字型绝缘骨架6，用螺钉封闭磁流变液通道8构成磁流变液电感。其中エ字型绝缘骨架6半径为I. 5厘米，长度为10厘米。铜线线径为0. 6毫米。參照图2、3、4，磁流变液电阻及磁流变液电阻率测量方案为由虚拟仪器向电路输出直流信号U1，通过直流信号U1对磁流变液电阻进行激励，激励电流经由反馈电阻R1和运算放大器组成的检测器转换成直流电压UE，由运算放大器“虚短”和“虚短”特性，可得待测磁流变液电阻值为
权利要求
1.一种磁流变脂(液)电磁学特性检测装置，该装置包括磁流变脂(液)电磁学特性转换器、信号预处理、信号放大与滤波、数据处理及显示五部分，其特征为 所述磁流变脂(液)电磁学特性转换器包括磁流变脂(液)电阻转换器、磁流变脂(液)电容转换器和磁流变脂(液)电感转换器。
所述磁流变脂(液)电阻转换器由磁流变脂(液)电阻和电阻一电压转换电路两部分组成。
所述磁流变脂(液)电阻由绝缘材料、磁流变脂(液)、两块金属平板、导线构成。两块金属平板作为电极且相向放置，用绝缘材料将两电极封装构成一封闭器，内部充满磁流变月旨(液)。导线从金属平板电极上引出构成磁流变脂(液)电阻。
所述电阻一电压转换电路由磁流变脂(液)电阻、运算放大器和反馈电阻组成。磁流变脂(液)电阻、运算放大器和反馈电阻构成比例运算电路。当测试时，向电路输入一直流电压信号，该信号将对此比例运算电路进行激励，从而将磁流变脂(液)电阻或电阻率随外磁场的变化转换成相应的直流电压信号。
所述磁流变脂(液)电容转换器由磁流变脂(液)电容和电容一电压转换电路两部分组成。
所述磁流变脂(液)电容与磁流变脂(液)电阻结构一样。
所述电容一电压转换电路由磁流变脂(液)电容、运算放大器、反馈电阻、反馈电容组成。磁流变脂(液)电容、运算放大器、反馈电阻、反馈电容构成比例运算电路。当测试时，向电路输入一交流电压信号，该信号将对此比例运算电路进行激励，从而将磁流变脂(液)电容或介电常数随外磁场的变化转换成交流电压信号。
所述磁流变脂(液)电感转换器由磁流变脂(液)电感和电感一电压转换电路两部分组成。
所述磁流变脂(液)电感为工字型电感，由导线、绝缘材料、密绕铜线圈、磁流变脂(液)构成。该电感工字型骨架用绝缘材料组成，其内部充满磁流变脂(液)，在该骨架上密绕铜线圈，导线由密绕铜线圈引出构成磁流变脂(液)电感。
所述电感一电压转换电路由磁流变脂(液)电感和分压电阻组成。磁流变脂(液)电感和分压电阻构成串联回路。当测试时，向电路输入一交流电压信号，该信号对分压电阻进行激励，激励电流经由磁流变脂(液)电感后，将磁流变脂(液)电感或磁导率随外磁场的变化转换成磁流变脂(液)电感两端交流电压信号。
所述磁流变液，也可是磁流变脂，磁流体。
所述绝缘材料为粉云母及云母制品，玻璃、玻璃纤维及其制品，以及电瓷、氧化铝膜等。
所述金属平板为导磁很小或不导磁的铝板、钢板、钛合金或钨铜合金等。
所述金属极板形状为圆形、多边形、半球形、及其组合。
所述信号放大与滤波、数据处理及显示系统由虚拟仪器、嵌入式系统或单片机组成。
根据上述检测装置，本发明进一步提出一种磁流变脂(液)电磁学特性的检测方法，该方法包括以下步骤 (I)设计磁流变脂(液)电磁学特性转换器，该转换器由磁流变脂(液)电阻转换器、磁流变脂(液)电容转换器、磁流变脂(液)电感转换器三部分组成。即设计磁流变脂(液)电阻、磁流变脂(液)电容、磁流变脂(液)电感及其相应转换电路。(2)通过磁流变脂(液)电磁学特性转换器将转换后的电压信号经过预放大电路后输入虚拟仪器或嵌入式系统或单片机运算。
(3)通过可编程的虚拟仪器或嵌入式系统或单片机对上述电压信号采集、数据处理和运算，从而得到磁流变脂(液)电磁学特性参数以及其在外磁场下的变化规律。
(4)利用虚拟仪器或嵌入式系统或单片机实时显示磁流变脂(液)的电磁学特性参数及其在外磁场下的变化曲线。
2.根据权利要求I所述的检测装置，其特征为所述磁流变脂(液)电阻/电容用绝缘材料封装，在金属平板电极上设置磁流变脂(液)通道，磁流变脂(液)通过磁流变脂(液)通道注满绝缘材料封装，用螺钉封闭磁流变脂(液)通道构成磁流变脂(液)电阻。
3.根据权利要求I所述的检测装置，其特征为所述磁流变脂(液)电感为工字型电 感，其工字型骨架用绝缘材料构成，在该骨架上密绕铜线圈，并设置磁流变脂(液)通道，磁流变脂(液)通过磁流变脂(液)通道注满绝缘材料封装，用螺钉封闭磁流变脂(液)通道构成磁流变脂(液)电感。
4.根据权利要求I所述的检测装置，其特征为所述数据处理及显示系统由虚拟仪器或嵌入式系统或单片机组成。通过虚拟仪器或嵌入式系统或单片机可实时显示处理后数据。
5.利用权利要求I所述的磁流变脂(液)电磁学特性检测装置进行磁流变脂(液)电磁学特性检测方法，该方法包括以下步骤 (1)设计磁流变脂(液)电磁学特性转换器，该转换器由磁流变脂(液)电阻转换器、磁流变脂(液)电容转换器、磁流变脂(液)电感转换器三部分组成。即设计磁流变脂(液)电阻、磁流变脂(液)电容、磁流变脂(液)电感及其相应转换电路。
(2)通过磁流变脂(液)电磁学特性转换器将转换后的电压信号经过预放大电路后输入虚拟仪器或嵌入式系统或单片机运算。
(3)由磁流变脂(液)电磁学特性转换器系统可得出 磁流变脂(液)电阻为 Rx(B) = -^Rl Ur 其中Rx⑶为磁流变脂(液)电感，U1为已知直流电压，Ue为运算放大器输出电压，R1为已知电阻。
磁流变脂(液)电阻率为 P(B) = 其中P (B)为磁流变脂(液)电阻率，s为磁流变脂(液)电阻横截面积，I为磁流变月旨(液)电阻长度。
磁流变脂(液)电容为Cx(B) =U2(t) 其中Cx(B)为磁流变脂(液)电容，U2 (t)为已知正弦激励，Uc (t)为运算放大器输出交流电压，C1为已知电容。磁流变脂(液)介电常数为 ら⑷=輕 S 其中Sx(B)为磁流变脂(液)介电常数，d为磁流变脂(液)电容两极板间长度,s为磁流变脂(液)电容极板横截面积。
磁流变脂(液)电感为L伽^7 其中Lx(B)为磁流变脂(液)电感，U为已知正弦激励有效值，队为磁流变脂(液)电感两端电压有效值，R2为已知电阻，《为已知正弦激励角频率。
磁流变脂(液)磁导率为 M(B) 其中U (B)为磁流变脂(液)磁导率，为真空中磁导率，Ltl为已知未加磁流变脂(液)时的空心电感值。
(4)通过可编程的虚拟仪器或嵌入式系统或单片机对上述电压信号采集、数据处理和运算，从而得到磁流变脂(液)电磁学特性參数以及其在磁场下的变化规律。
(5)利用虚拟仪器或嵌入式系统或单片机实时显示磁流变脂(液)的电磁学特性參数及其在磁场下的变化曲线。
全文摘要
本发明涉及一种磁流变脂(液)电磁学特性检测方法及装置，主要用于检测磁流变脂(液)电阻、磁流变脂(液)电容、磁流变脂(液)电感、磁流变脂(液)电阻率、磁流变脂(液)介电常数、磁流变脂(液)磁导率在外磁场作用下的变化规律。所用磁流变脂(液)电阻、磁流变脂(液)电容、磁流变脂(液)电感主要由绝缘材料和金属电极构成，用绝缘材料封装金属电极，内部充满磁流变脂(液)。所用磁流变脂(液)电磁学特性转换器由磁流变脂(液)电阻转换器、磁流变脂(液)电容转换器、磁流变脂(液)电感转换器组成。利用磁流变脂(液)电磁学特性转换器，将磁流变脂(液)电磁学特性参数转换为电压信号输入虚拟仪器或嵌入式系统或单片机进行运算和处理，可实时、有效的显示磁流变脂(液)电磁学特性参数及其在外磁场下的变换规律。
文档编号G01R27/22GK102654534SQ201110050640
公开日2012年9月5日 申请日期2011年3月3日 优先权日2011年3月3日
发明者何国田, 冉迎春, 刘云杰, 张德胜, 戴鹏飞, 李明, 王松, 谷明信, 马燕 申请人:重庆师范大学