蘇 杭 ,張紅輝, ,鄒致遠(yuǎn) ,廖昌榮

(重慶大學(xué)a.光電工程學(xué)院;b.光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044)

磁流變液(MRF)是以微米級(jí)羰基鐵粉為分散相,以硅油為分散介質(zhì)制備而成的智能材料,其表觀粘度在外部磁場(chǎng)誘導(dǎo)下可發(fā)生可逆變化,在工程減振領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力[1-2]。由于分散相與分散介質(zhì)間巨大的密度差,即使添加劑技術(shù)已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步,磁流變液靜置后仍不可避免地發(fā)生沉降,限制了該類(lèi)材料的工程應(yīng)用范圍。

目前,磁流變液沉降監(jiān)測(cè)主要使用目視法、熱導(dǎo)率法、電感法以及電勢(shì)法等。目視法通過(guò)觀測(cè)泥線的變化來(lái)分析磁流變液沉降,無(wú)法用于非透明容器內(nèi)的磁流變液沉降觀測(cè);熱導(dǎo)率法將溫度探頭安裝在磁流變液樣品液柱底部,在固定位置獲得磁流變液熱導(dǎo)率[3],由于熱導(dǎo)率與濃度有關(guān)而轉(zhuǎn)化為對(duì)磁流變液沉降的監(jiān)測(cè),受限于樣品的熱環(huán)境穩(wěn)定性;電感法使用垂直移動(dòng)掃描的自感傳感器跟蹤泥線下降評(píng)估磁流變液沉降[4-5],無(wú)法適用于金屬容器內(nèi)磁流變液沉降監(jiān)測(cè)?？傮w而言,這些研究只能在實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)非服役狀態(tài)下的磁流變液樣品,屬于非原位監(jiān)測(cè),無(wú)法滿(mǎn)足鋼制缸筒內(nèi)、服役條件下磁流變阻尼器中的磁流變液沉降監(jiān)測(cè)需要。

磁流變液原位監(jiān)測(cè)方法指在監(jiān)測(cè)對(duì)象內(nèi)部構(gòu)建的具有伴隨運(yùn)行能力的監(jiān)測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)基于傳感器的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并輸出結(jié)果。原位監(jiān)測(cè)廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋資源探測(cè)等方面,相較而言,磁流變液沉降原位監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)磁流變阻尼器件內(nèi)部連續(xù)、實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

綜上所述,為減少測(cè)量方法對(duì)磁流變液沉降過(guò)程的影響,實(shí)現(xiàn)對(duì)磁流變液器件內(nèi)部沉降特性的局部、在線、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),通過(guò)研究磁流變液濃度梯度與沉降體介電常數(shù)的關(guān)系,設(shè)計(jì)了基于開(kāi)放電容的磁流變液沉降狀態(tài)的原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng),采用電磁有限元開(kāi)展傳感器特性仿真與設(shè)計(jì),試驗(yàn)研究了系統(tǒng)對(duì)磁流變液靜沉降過(guò)程監(jiān)測(cè)的有效性。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

如圖1所示,原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由帶中心孔的底部極板及與之垂直同軸的中心柱極組成,下方的圓形板的底部是絕緣層,開(kāi)放極板設(shè)計(jì)可保證監(jiān)測(cè)范圍充分覆蓋整個(gè)沉降區(qū)域。該系統(tǒng)將開(kāi)放極板電容放置在缸筒中,因此,該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)阻尼器件的沉降狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)。

圖1 原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.1 The in-situ monitoring system

由于小電容測(cè)量容易產(chǎn)生較大的誤差,在缸筒直徑的約束下,電容極板直徑越大越好,以提高測(cè)量精度。缸筒內(nèi)徑為42 mm,底部極板直徑設(shè)計(jì)為41 mm,底部極板中心孔尺寸直徑為8 mm,用于中心柱極穿過(guò)。底部極板與中心柱極距離越近,電容器電容值越大,因此將中心柱極直徑設(shè)定為7 mm,電容器中心柱極高度對(duì)沉降監(jiān)測(cè)具有較大影響,通過(guò)電場(chǎng)有限元仿真確定。

2 數(shù)值仿真

由于沒(méi)有正對(duì)面積,開(kāi)放極板電容難以建立理論模型,筆者采用有限元仿真研究特定介質(zhì)條件下的電場(chǎng)分布。利用Maxwell軟件仿真分析中心柱極高度對(duì)電容器電容的影響,對(duì)開(kāi)放極板電容器的設(shè)計(jì)非常重要。

研究中,仿真模型材料屬性有2種:銅、介質(zhì),介質(zhì)選為空氣,介電常數(shù)約為1,從材料庫(kù)中選取,中心柱極高度分別設(shè)定為10,12,14,16 mm。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同中心柱極高度下的電場(chǎng)強(qiáng)度分布仿真結(jié)果Fig.2 Electric field under different center pillar heights

從仿真結(jié)果可以看出,越靠近中心柱極位置場(chǎng)強(qiáng)越大。圖3顯示的是中心柱極高度與電容器電容之間的關(guān)系曲線,隨著中心柱極高度的增加,電容器的電容值越來(lái)越大。為提高測(cè)量精度,在條件允許范圍內(nèi),電容器中心柱極高度越高越好。研究中為了設(shè)計(jì)合理性,電容器中心柱極高度設(shè)定為16 mm。

圖3 中心柱極高度與電容器電容關(guān)系Fig.3 The relationship between the height of the center pillar and the capacitance

3 實(shí)驗(yàn)分析

開(kāi)放電容設(shè)計(jì)難以計(jì)算理論容值,只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)才能準(zhǔn)確證明其可行性。商業(yè)化的磁流變液在數(shù)十天以上才發(fā)生分層,沉降過(guò)程緩慢,這將使實(shí)驗(yàn)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。為了加快試驗(yàn)過(guò)程,將羰基鐵粉(粒徑為3.5μm～5μm)與硅油(粘度為100cP)充分?jǐn)嚢璨⒒旌现苽?自制簡(jiǎn)單磁流變液樣品開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究。研究中的所有樣品均表示為MRFQS,其中QS表示顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[6-7]。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖4所示,實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括開(kāi)放極板電容器,鋼瓶,鐵架臺(tái),LCR 電容測(cè)量?jī)x和計(jì)算機(jī)。鋼瓶是帶蓋的缸筒,高度為120 mm。電容器安裝在鋼瓶底部的中央。導(dǎo)線從鋼瓶底部的中心孔引出,并連接到LCR 電容測(cè)量?jī)x器以記錄電容。研究選取的電容測(cè)量設(shè)備為高頻率商用電橋LCR 測(cè)量?jī)x,型號(hào)為victor 4092,精度為0.01p F。LCR 采集頻率的選取與測(cè)量的電容值大小有關(guān),由于開(kāi)放極板電容器電容值為數(shù)p F,采集頻率設(shè)定為100 k Hz。

圖4 原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.4 The schematic of the in-situ monitoring system

為了確定樣品濃度與容值之間的關(guān)系,制備了7種磁流變液濃度的樣品,分別為MRF10,MRF20,……,MRF70。將100 ml已知濃度磁流變液樣品倒入測(cè)量容器中,確保磁流變液樣品的液柱高度大于中心柱極高度,記錄測(cè)得的電容,每個(gè)磁流變液樣品測(cè)量5次并做算術(shù)平均。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)裝置是固定的,測(cè)量容器的外壁連接到LCR 表的接地端子,以屏蔽電磁干擾。為了確保測(cè)量精度,在20 ℃恒溫器中進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)。圖5為獲得的磁流變液樣品濃度和開(kāi)放極板電容器容值間的關(guān)系。可見(jiàn),開(kāi)放極板電容器容值與磁流變液濃度間呈現(xiàn)較為復(fù)雜的正相關(guān)關(guān)系,并且呈現(xiàn)兩邊變化大而中間濃度影響較為穩(wěn)定的特征[8-12]。

圖5 電容器電容與樣品濃度關(guān)系Fig.5 Relationship between capacitance and sample concentration

由于MRF20,MRF30,MRF40的磁流變液樣品與容值的關(guān)系較為穩(wěn)定,對(duì)其沉降特性開(kāi)展了更為細(xì)致的試驗(yàn)驗(yàn)證。測(cè)量容器中沉降區(qū)濃度隨時(shí)間逐漸增加,直到濃度值穩(wěn)定,圖6(a)顯示了3組磁流變液樣品沉降區(qū)濃度與時(shí)間的關(guān)系曲線,MRF20、MRF30、MRF40樣品沉降達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間分別為550 min、1 350 min和1 750 min。隨著沉降的進(jìn)行,沉降體的高度將逐漸增加,導(dǎo)致沉降體的介電常數(shù)增加,電容值逐漸增加。分析曲線斜率,3種磁流變液樣品在沉降初期,沉積區(qū)的濃度變化較快,對(duì)沉降初期曲線進(jìn)行細(xì)分,隨著初始濃度增加,沉降的初始斜率逐漸減小,說(shuō)明低濃度樣品在沉積區(qū)濃度變化速率更快[13-14]。

為了更深入的分析沉降體的沉降特性,對(duì)濃度 時(shí)間曲線進(jìn)行求導(dǎo)得到3種磁流變液樣品的沉降速率與時(shí)間的關(guān)系曲線,如圖6(b)所示。沉降初期,MRF20的樣品濃度變化率高于MRF30樣品和MRF40樣品,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,MRF20樣品的沉降率逐漸低于其他2個(gè)樣品。3種磁流變液樣品沉降速率都由快變慢?？梢?jiàn),沉降的初始階段,樣品液柱各區(qū)域濃度相對(duì)較低,原始濃度區(qū)域和可變濃度區(qū)域中的鐵磁顆粒沉降到了沉積區(qū),從而導(dǎo)致沉積區(qū)濃度的顯著變化,各區(qū)域沉降的分散相在沉積區(qū)不斷積累,這導(dǎo)致沉降體濃度變化非常明顯。隨著沉降的進(jìn)行,各區(qū)域的顆粒濃度增加,沉積區(qū)沉降速率進(jìn)一步降低,沉降體濃度隨時(shí)間變化為指數(shù)關(guān)系。

圖6 (a)沉積體濃度隨時(shí)間變化關(guān)系(b)沉積體濃度變化速率Fig.6 (a)Concentration change of the sediment,(b)Concentration change rate of the sediment

4 結(jié)論

研究針對(duì)真實(shí)阻尼器件中靜置磁流變液的沉降特性,提出了基于開(kāi)放極板電容的原位監(jiān)測(cè)方法。通過(guò)開(kāi)放極板電容設(shè)計(jì),電容容值隨磁流變液沉降狀態(tài)而改變,基于LCR 儀獲取電容值來(lái)表征磁流變液的靜置沉降特性,并得到如下結(jié)論:

1)開(kāi)放極板電容容值與其沉降區(qū)濃度變化呈正相關(guān)關(guān)系,隨著沉降區(qū)磁流變液濃度增大,電容值增大,且在沉降初期,低濃度樣品在沉積區(qū)濃度變化速率更快。

2)基于開(kāi)放極板電容的沉降原位監(jiān)測(cè)方法能夠有效地用于磁流變液靜置沉降狀態(tài)的測(cè)量,并克服現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法對(duì)容器透明性和材質(zhì)的限制,可以用于真實(shí)磁流變器件,實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部磁流變液沉降特性的在線監(jiān)測(cè)。