一种磁流变阻尼器件内部磁流变液的沉降监测方法与流程

本发明属于磁流变液阻尼器领域，具体涉及一种磁流变阻尼器件内部磁流变液的沉降监测方法。

背景技术：

磁流变阻尼器件一旦静置，由于运行产生的有效流动停止，在重力作用下，磁流变液表现为动力学不平衡的非均相体系，沉降过程立即开始。和其他悬浮体系沉降研究一致，目视法最早被用来观测磁流变液沉降，并指出静置磁流变液在重力作用下将出现水平分层，从上到下依次为上清液区初始浓度区可变浓度区和沉积区其界线分别称为泥线、凝胶线和沉积线，如图5所示，上下箭头表示界线的发展趋势，泥线和凝胶线将随沉降过程最终消失而三线合一，仅存上清液区和沉积区。根据观察，静置磁流变液总是先在容器底部形成高浓度沉降体，然后沉降体累积高度逐渐增加，但沉降体的体积分数基本稳定，直到上清液出现时，沉降体即有板结趋势。

为了更为精确的获得磁流变液的沉降规律，人们将磁流变液盛装在透明试管中构成磁流变液柱，并开展了大量的沉降监测研究。部分监测研究基于磁流变液热导率、电导率随磁流变液浓度的变化规律，将探测传感器固定于磁流变液柱中的某一位置获取局部位置监测参数的时变信息。如上文所述，由于底部率先形成沉降体后其内部磁流变液浓度保持相对稳定，这种基于局部位置探测的监测方法就受到了限制。还有部分研究以人为设定时间间隔开展垂向扫描，基于磁流变液磁导率获得磁流变液浓度的垂向分布，这种方法既能得到磁流变液浓度的时间间隔变化，也能得到分布信息，但真实磁流变阻尼器件中的磁流变液一般由铁磁缸筒包围，位于试管外部的电感探测将不再有效，且位移扫描方式也无法使用。

磁流变阻尼器件内部磁流变液的沉降进行监测，必须针对非透明、磁屏蔽缸筒的现实情况，适应阻尼器件在装备上的安装与运行条件，伴随磁流变阻尼器件服役全过程，且具有结构紧凑、无需人工干预等特点。

因此，现有技术中需要一种能够克服上述问题的磁流变阻尼器件内部磁流变液的沉降监测方法。

技术实现要素：

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种磁流变阻尼器件内部磁流变液的沉降监测方法，包括如下步骤：

1)布置监测磁路结构。

1.1)将工字架安装在底置双通道磁流变阻尼器的缸筒底部中。具体地，所述底置双通道磁流变阻尼器包括外缸筒、内缸筒、活塞、活塞杆、分散桨和电机。

所述外缸筒上端封闭，下端连接有底座。所述内缸筒位于外缸筒内部，其上端连接在外缸筒的封闭端上，下端连接在底座上。所述内缸筒下端形成磁轭。所述内缸筒上下端的外壁上均设置有若干流通孔。所述活塞位于内缸筒内。所述活塞杆一端与活塞固定连接，另一端从外缸筒上端穿出。所述分散桨位于内缸筒下端的磁轭内。所述电机的输出轴穿入底座并连接分散桨。

所述工字架包括空心轴、两个激励臂和两个感测臂。

所述两个激励臂和两个感测臂交错布置在所述空心轴上，两个激励臂的轴线和两个感测臂的轴线均位于同一平面上。

所述工字架位于内缸筒底部。其中，所述工字架的空心轴固定在底座中。所述两个激励臂和两个感测臂位于磁轭内，并位于底座和分散桨之间。所述两个激励臂和两个感测臂的安装位置均高于内缸筒下端的流通孔。所述两个激励臂与磁轭间无间隙配合，与磁轭形成连续磁路。所述两个感测臂与磁轭间具有感测间隙，记感测间隙为δ。

将两个激励臂分别记为上激励臂和下激励臂。所述上激励臂上套有上激励线圈。所述下激励臂上套有下激励线圈。所述上激励线圈和下激励线圈反向串联。

将两个感测臂分别记为上感测臂和下感测臂。所述上感测臂上套有上感测线圈。所述下感测臂上套有下感测线圈。所述上感测线圈和下感测线圈反向串联。

1.2)计算上感测线圈的磁路总磁阻rmh。

式(1)中，μ0为真空磁导率，μs为工字架的相对磁导率，h为激励臂与感测臂的轴心距离，d2为空心轴的外径，d1为空心轴的内径，d为磁轭的内径，t为磁轭的壁厚，μh为上感测间隙磁流变液相对磁导率，d为感测臂直径。

1.3)计算下感测线圈的磁路总磁阻rml。

式(2)中，μl为下感测间隙磁流变液相对磁导率。

1.4)将总磁阻简化。

式(3)中，

2)通过交流电流源向磁路的上、下激励线圈施加小幅值交流电流i(t)。

i(t)＝isin(ωt)(4)

2.1)计算小谐波激励i(t)在两个激励臂磁路中的磁通，公式为：

式(5)中，为上激励臂的磁通量，为下激励臂的磁通量，n1为上激励线圈或下激励线圈的匝数。

2.2)磁通全部通过上感测线圈和下感测线圈，计算互感系数,公式为：

式(6)中，mh为上感测线圈互感系数，ml为下感测线圈互感系数，n2为上感测线圈或下感测线圈匝数。

3)计算当阻尼器内沉降未发生时的监测输出

当阻尼器刚沉降尚未发生时，工字架被均匀磁流变液包围，有μh＝μl，上感测线圈和下感测线圈的感应电动势相等，此时监测系统输出为：

4)计算当阻尼器内沉降体生成并逐渐累积时的监测输出当阻尼器内沉降体生成并逐渐累积时，上感测间隙磁流变液浓度逐渐增加，下感测间隙率先被沉降体包围，有μh<μl，将上感测线圈和下感测线圈的感应电动势差动输出，有：

式(7)中，ω为谐波激励频率。

进一步，还包括步骤5)计算工字架被沉降体完全包围后的任一感测线圈电压输出

当工字架被沉降体完全包围时，上感测臂和下感测臂的感生电动势相等，由于μm＝μh＝μl，有：

式(8)中，rm为为磁路总磁阻，μm为为上下感测间隙内磁流变液的磁导率。

任一感测线圈电压输出为：

式(9)中，因此：

进一步，所述上激励线圈和下激励线圈反向串联后通过底座引出，并连接交流电流源。

进一步，所述上感测线圈和下感测线圈反向串联后通过底座引出，连接变压器。

进一步，所述内缸筒下端的外壁上加工环槽并绕有励磁线圈。

进一步，所述工字架与磁轭材质相同。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，通过在阻尼器内缸底部布置监测磁路结构，基于互感变压器式传感原理，能够实时检测阻尼器中磁流变液的的沉降状态；同时，当磁路结构被沉降体包围后，通过测量任一感测线圈的电压输出，并根据磁流变液浓度与磁导率的表征结果，可以测量得到磁流变液均匀悬浮体系或者均匀沉降体的浓度特征。

附图说明

图1为监测磁路结构与阻尼器的安装示意图；

图2为本发明的磁路模型示意图；

图3为本发明的监测磁路等效电路图；

图4为转换电路图；

图5为静置磁流变液在重力作用下的水平分层示意图

图中：外缸筒1、内缸筒2、流通孔201、活塞杆4、分散桨5、底座7、励磁线圈8、空心轴9、激励臂10和感测臂11。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开一种磁流变阻尼器件内部磁流变液的沉降监测方法，包括如下步骤：

1)布置监测磁路结构。

1.1)将工字架安装在底置双通道磁流变阻尼器的缸筒底部中。具体地，参见图1，所述底置双通道磁流变阻尼器包括外缸筒1、内缸筒2、活塞活塞杆4、分散桨5和电机。

所述外缸筒1上端封闭，下端连接有底座7。所述内缸筒2位于外缸筒1内部，其上端连接在外缸筒1上端的封闭处，下端连接在底座7上。所述内缸筒2下端形成磁轭。所述内缸筒2下端的外壁上加工有环槽，环槽内绕有励磁线圈8。所述内缸筒2上下端的外壁上均设置有若干流通孔201。所述活塞位于内缸筒2内。所述活塞杆4一端与活塞固定连接，另一端从外缸筒1上端穿出。所述分散桨5位于内缸筒2下端的磁轭内。所述电机的输出轴穿入底座7并连接分散桨5。

参见图2，所述工字架包括空心轴9、两个激励臂10和两个感测臂11。所述工字架与磁轭材质相同。

所述两个激励臂10和两个感测臂11交错布置在所述空心轴9上，两个激励臂10的轴线和两个感测臂11的轴线均位于同一平面上。

所述工字架位于内缸筒2底部。其中，所述工字架的空心轴9固定在底座7中。所述两个激励臂10和两个感测臂11位于磁轭内，并位于底座7和分散桨5之间。所述两个激励臂10和两个感测臂11的安装位置均高于内缸筒2下端的流通孔201。所述两个激励臂10与磁轭间无间隙配合，与磁轭形成连续磁路。所述两个感测臂11与磁轭间具有感测间隙，记感测间隙为δ。所述上激励线圈和下激励线圈反向串联后通过底座7引出，并连接交流电流源。所述上感测线圈和下感测线圈反向串联后通过底座7引出，连接变压器。

阻尼器的循环流道位于内缸筒2与外缸筒1之间，当阻尼器静置时，沉降的磁性颗粒在工字架周围累积，通过驱动电机带动分散桨5旋转产生泵效应，迫使磁流变液扫过沉积区并穿过流通孔201形成循环流动，有效分散沉降态的磁流变液。阻尼器运行时磁流变液也通过这一循环流道，且励磁线圈8位于磁轭上，在与外缸筒间的流动通道上形成主动间隙，以达成阻尼控制功能。

将两个激励臂10分别记为上激励臂和下激励臂。所述上激励臂上套有上激励线圈。所述下激励臂上套有下激励线圈。所述上激励线圈和下激励线圈反向串联。

将两个感测臂11分别记为上感测臂和下感测臂。所述上感测臂上套有上感测线圈。所述下感测臂上套有下感测线圈。所述上感测线圈和下感测线圈反向串联。

1.2)假定磁路局限在磁轭中的工字架平面中传播，基于磁路的对称结构，计算上感测线圈的磁路总磁阻rmh：

式(1)中，μ0为真空磁导率，μs为工字架的相对磁导率，h为激励臂10与感测臂11的轴心距离，d2为空心轴9的外径，d1为空心轴9的内径，d为磁轭的内径，t为磁轭的壁厚，μh为上感测间隙磁流变液相对磁导率，d为感测臂11直径。

1.3)计算下感测线圈的磁路总磁阻rml：

式(2)中，μl为下感测间隙磁流变液相对磁导率。

1.4)采用纯铁制作工字架和磁轭，其相对磁导率μs高达7000-10000，虽然δ也比其他结构参数小，但结构磁阻仍比感测间隙磁阻小得多。在一定误差宽范围内忽略结构磁阻，将总磁阻简化为：

式(3)中，是一个与结构几何相关的常数。

2)如图3所示，通过交流电流源向磁路的上、下激励线圈施加小幅值交流电流i(t)，

i(t)＝isin(ωt)(4)

2.1)计算小谐波激励i(t)在两个激励臂10磁路中的磁通，公式为：

式(5)中，为上激励臂的磁通量，为下激励臂的磁通量，n1为上激励线圈或下激励线圈的匝数。

2.2)由于导磁材料的磁路约束，磁通全部通过上感测线圈和下感测线圈，计算互感系数,公式为：

式(6)中，mh为上感测线圈互感系数，ml为下感测线圈互感系数，n2为上感测线圈或下感测线圈匝数。

3)计算当阻尼器内沉降未发生时的监测输出

当阻尼器刚开始静置时沉降尚未发生时，工字架被均匀磁流变液包围，有μh＝μl，上感测线圈和下感测线圈的感应电动势相等，此时监测系统输出为：

4)计算当阻尼器内沉降体生成并逐渐累积时的监测输出随着阻尼器件静置时间增长，当阻尼器内沉降体生成并逐渐累积时，上感测间隙磁流变液浓度虽有增加，但下感测间隙率先被沉降体包围，有μh<μl，将上感测线圈和下感测线圈的感应电动势差动输出，有：

式(7)中，j为虚数符号，ω为谐波激励频率。

随着沉降过程继续，上感测间隙也逐渐被浓度相近的磁流变液沉降体充满时，由于两个感测间隙磁流变液浓度差消失，系统输出再次近于零，可以作为启动主动分散机制的判据之一。值得说明的是，设计不同的感测间隙垂向高差可以控制主动分散机制的介入进程，当阻尼器倾斜安装时，两个感测间隙间的垂向高差增加，此时差动输出从零增大在减小到零的过程也将更长。由于沉降的缓变特性，实际监测系统可以按照一定的时间间隔运行。

5)计算工字架被沉降体完全包围后的任一感测线圈电压输出

磁流变阻尼器件持续运行时磁流变液处于均匀状态，长时间静置后底部沉降体不断累积并逐渐淹没监测磁路结构，使包围磁路结构的磁流变液成为均匀沉降体。沉降过程监测可以获取沉降的动态变化过程，但磁路结构被沉降体包围后，沉降体浓度虽均匀但仍有小幅变化直至板结，获取阻尼器件磁流变液均匀悬浮体系和均匀沉降体的浓度状态，仍然具有积极意义。

当工字架被沉降体完全包围时，上感测臂和下感测臂的感生电动势相等，由于μm＝μh＝μl，有：

式(8)中，rm为为磁路总磁阻，μm为为上下感测间隙内磁流变液的磁导率。

任一感测线圈电压输出为：

式(9)中，因此：

变压器电压(或电流)始终遵循匝数比关系，但随着感测间隙磁流变液浓度提高而磁路磁阻减小，互感增加将导致感测线圈从激励线圈获取的功率增加。当激励电流i(t)保持稳定时，与包围磁路结构的磁流变液磁导率成正比，根据磁流变液浓度与磁导率的表征结果，可以测量得到磁流变液均匀悬浮体系或者均匀沉降体的浓度特征。结合沉降过程监测和沉降状态测量的结果，综合确立主动分散机制控制策略。

参见图4，基于传统的电压输出整流电路作为转换电路，两个整流回路电压的差动输出为沉降过程监测输出，当沉降过程差动输出为零时，通过读取整流回路电压输出，作为磁流变液状态测量输出量。

本实施例公开的磁流变阻尼器件内部磁流变液的沉降监测方法，通过在阻尼器内缸底部布置监测磁路结构，基于互感变压器式传感原理，能够实时检测阻尼器中磁流变液的的沉降状态；同时，当磁路结构被沉降体包围后，通过测量任一感测线圈的电压输出，并根据磁流变液浓度与磁导率的表征结果，可以测量得到磁流变液均匀悬浮体系或者均匀沉降体的浓度特征。

实施例2：

本实施例公开一种较为基础的实现方式，一种磁流变阻尼器件内部磁流变液的沉降监测方法，包括如下步骤：

1)布置监测磁路结构。

1.1)将工字架安装在底置双通道磁流变阻尼器的缸筒底部中。具体地，参见图1，所述底置双通道磁流变阻尼器包括外缸筒1、内缸筒2、活塞、活塞杆4、分散桨5和电机。

所述外缸筒1上端封闭，下端连接有底座7。所述内缸筒2位于外缸筒1内部，其上端连接在外缸筒1上端的封闭处，下端连接在底座7上。所述内缸筒2下端形成磁轭。所述内缸筒2上下端的外壁上均设置有若干流通孔201。所述活塞位于内缸筒2内。所述活塞杆4一端与活塞固定连接，另一端从外缸筒1上端穿出。所述分散桨5位于内缸筒2下端的磁轭内。所述电机的输出轴穿入底座7并连接分散桨5。

参见图2，所述工字架包括空心轴9、两个激励臂10和两个感测臂11。所述工字架与磁轭材质相同。

所述两个激励臂10和两个感测臂11交错布置在所述空心轴9上，两个激励臂10的轴线和两个感测臂11的轴线均位于同一平面上。

所述工字架位于内缸筒2底部。其中，所述工字架的空心轴9固定在底座7中。所述两个激励臂10和两个感测臂11位于磁轭内，并位于底座7和分散桨5之间。所述两个激励臂10和两个感测臂11的安装位置均高于内缸筒2下端的流通孔201。所述两个激励臂10与磁轭间无间隙配合，与磁轭形成连续磁路。所述两个感测臂11与磁轭间具有感测间隙，记感测间隙为δ。

阻尼器的循环流道位于内缸筒2与外缸筒1之间，当阻尼器静置时，沉降的磁性颗粒在工字架周围累积，通过驱动电机带动分散桨5旋转产生泵效应，迫使磁流变液扫过沉积区并穿过流通孔201形成循环流动，有效分散沉降态的磁流变液。

将两个激励臂10分别记为上激励臂和下激励臂。所述上激励臂上套有上激励线圈。所述下激励臂上套有下激励线圈。所述上激励线圈和下激励线圈反向串联。

将两个感测臂11分别记为上感测臂和下感测臂。所述上感测臂上套有上感测线圈。所述下感测臂上套有下感测线圈。所述上感测线圈和下感测线圈反向串联。

1.2)假定磁路局限在磁轭中的工字架平面中传播，基于磁路的对称结构，计算上感测线圈的磁路总磁阻rmh：

式(1)中，μ0为真空磁导率，μs为工字架的相对磁导率，h为激励臂10与感测臂11的轴心距离，d2为空心轴9的外径，d1为空心轴9的内径，d为磁轭的内径，t为磁轭的壁厚，μh为上感测间隙磁流变液相对磁导率，d为感测臂11直径。

1.3)计算下感测线圈的磁路总磁阻rml：

式(2)中，μl为下感测间隙磁流变液相对磁导率。

1.4)采用纯铁制作工字架和磁轭，其相对磁导率μs高达7000-10000，虽然δ也比其他结构参数小，但结构磁阻仍比感测间隙磁阻小得多。在一定误差宽范围内忽略结构磁阻，将总磁阻简化为：

式(3)中，是一个与结构几何相关的常数。

2)如图3所示，通过交流电流源向磁路的上、下激励线圈施加小幅值交流电流i(t)，

i(t)＝isin(ωt)(4)

2.1)计算小谐波激励i(t)在两个激励臂10磁路中的磁通，公式为：

式(5)中，为上激励臂的磁通量，为下激励臂的磁通量，n1为上激励线圈或下激励线圈的匝数。

2.2)由于导磁材料的磁路约束，磁通全部通过上感测线圈和下感测线圈，计算互感系数,公式为：

式(6)中，mh为上感测线圈互感系数，ml为下感测线圈互感系数，n2为上感测线圈或下感测线圈匝数。

3)计算当阻尼器内沉降未发生时的监测输出

当阻尼器刚开始静置时沉降尚未发生时，工字架被均匀磁流变液包围，有μh＝μl，上感测线圈和下感测线圈的感应电动势相等，此时监测系统输出为：

4)计算当阻尼器内沉降体生成并逐渐累积时的监测输出随着阻尼器件静置时间增长，当阻尼器内沉降体生成并逐渐累积时，上感测间隙磁流变液浓度虽有增加，但下感测间隙率先被沉降体包围，有μh<μl，将上感测线圈和下感测线圈的感应电动势差动输出，有：

式(7)中，j为虚数符号，ω为谐波激励频率。

随着沉降过程继续，上感测间隙也逐渐被浓度相近的磁流变液沉降体充满时，由于两个感测间隙磁流变液浓度差消失，系统输出再次近于零，可以作为启动主动分散机制的判据，通过驱动电机带动分散桨5旋转产生泵效应，迫使磁流变液扫过沉积区并穿过流通孔201形成循环流动，有效分散沉降态的磁流变液。

值得说明的是，设计不同的感测间隙垂向高差可以控制主动分散机制的介入进程，当阻尼器倾斜安装时，两个感测间隙间的垂向高差增加，此时差动输出从零增大在减小到零的过程也将更长。由于沉降的缓变特性，实际监测系统可以按照一定的时间间隔运行。

本实施例公开的磁流变阻尼器件内部磁流变液的沉降监测方法，通过在阻尼器内缸底部布置监测磁路结构，基于互感变压器式传感原理，能够实时检测阻尼器中磁流变液的的沉降状态。

实施例3：

本实施例主要步骤同实施例2，进一步，还包括步骤5)计算工字架被沉降体完全包围后的任一感测线圈电压输出

磁流变阻尼器件持续运行时磁流变液处于均匀状态，长时间静置后底部沉降体不断累积并逐渐淹没监测磁路结构，使包围磁路结构的磁流变液成为均匀沉降体。沉降过程监测可以获取沉降的动态变化过程，但磁路结构被沉降体包围后，沉降体浓度虽均匀但仍有小幅变化直至板结，获取阻尼器件磁流变液均匀悬浮体系和均匀沉降体的浓度状态，仍然具有积极意义。

当工字架被沉降体完全包围时，上感测臂和下感测臂的感生电动势相等，由于μm＝μh＝μl，有：

式(8)中，rm为为磁路总磁阻，μm为为上下感测间隙内磁流变液的磁导率。

任一感测线圈电压输出为：

式(9)中，因此：

电压始终遵循匝数比关系，但随着感测间隙磁流变液浓度提高而磁路磁阻减小，互感增加将导致感测线圈从激励线圈获取的功率增加。当激励电流i(t)保持稳定时，与包围磁路结构的磁流变液磁导率成正比，根据磁流变液浓度与磁导率的表征结果，可以测量得到磁流变液均匀悬浮体系或者均匀沉降体的浓度特征。结合沉降过程监测和沉降状态测量的结果，综合确立主动分散机制控制策略。

实施例4：

本实施例主要步骤同实施例2，进一步，所述内缸筒2下端的外壁上加工有环槽，环槽内绕置有励磁线圈8。阻尼器工作时，通过对励磁线圈8施加电流，产生磁场，以达成阻尼控制功能。

实施例5：

本实施例主要步骤同实施例2，进一步，所述上激励线圈和下激励线圈反向串联后通过底座7引出，并连接交流电流源。

实施例6：

本实施例主要步骤同实施例2，进一步，所述上感测线圈和下感测线圈反向串联后通过底座7引出，连接变压器。参见图4，基于传统的电压输出整流电路作为转换电路，两个整流回路电压的差动输出为沉降过程监测输出，当沉降过程差动输出为零时，通过读取整流回路电压输出，作为磁流变液状态测量输出量。