本發(fā)明涉及磁流變液材料性能檢測技術，尤其是涉及不同形態(tài)的超聲近場和磁場耦合下的磁流變液圓環(huán)型剪切性能檢測技術，具體地說是一種磁流變液在超聲近場和無級可調磁場作用下圓環(huán)型剪切特性測試平臺。

背景技術：

超聲波是一種振動頻率在超聲頻段的機械波。在距離這種機械波輻射面很近的位置會產(chǎn)生較強的聲輻射力，通過聲輻射力的變化可來操控顆粒的位置，達到微觀顆粒操控的目的。當然，超聲也有其他眾多諸如超聲空化這樣的物理效益，這是多年來超聲領域研究的重點之一。

磁流變液是一種流變特性可控的新型智能材料，其物理狀態(tài)和流變特性能伺服于外加磁場：在零磁場作用下其表現(xiàn)出牛頓流體特性；而在磁場作用下，則能快速響應(毫秒級)呈現(xiàn)出高粘度、低流動性的類固體力學特征，并且磁流變液流變剪切屈服強度與磁場強度存在穩(wěn)定關系。磁流變液理論領域已經(jīng)取得了很多成果，但都是集中于磁流變液在磁場和溫度場下的各種剪切模式特性以及測試磁流變液的性能參數(shù)。

隨著磁流變液的廣泛應用，在不同的領域有著不同性能要求。由于磁流變液粘度隨磁場增加的響應極快，但是在某些應用要求磁流變液粘度可精確調控并且調控更加廣泛。在現(xiàn)有超聲近場對微觀顆粒研究的基礎上以及考慮到磁流變液剪切模式應用的廣泛性，發(fā)明人向磁流變液施加超聲場，但目前并沒有多種形態(tài)超聲場和磁場耦合下的磁流變圓環(huán)型剪切效應的測試設備與裝置。

故發(fā)明人考慮到該技術領域空白以及成本、直觀性和高效便捷性，設計了磁流變液在超聲場作用下的圓環(huán)型剪切特性測試平臺，可大規(guī)模應用于多場耦合下的磁流變液機理研究。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對目前因缺少磁流變液在超聲和磁場作用下剪切特性檢測裝置而不能充分了解磁流變液性能特征的問題，設計一種能夠同時向磁流變液施加不同強度行波、駐波超聲場和磁場，并且可檢測在不同強度超聲場和不同強度磁場耦合作用或者單個場分別作用下的磁流變液圓環(huán)型剪切特性測試平臺。

本發(fā)明中的技術方案：

一種磁流變液在超聲近場和無級可調磁場作用下圓環(huán)型剪切特性測試平臺，其特征在于：平臺驅動部件利用電機為動力源，通過聯(lián)軸器帶動扭矩傳感器測試出電機輸出扭矩，再連接上連接軸穿過中空型光電編碼器測試出輸出轉速，整個部件雖采用立式結構，但重心偏下較穩(wěn)定。平臺工作部件包括定子、轉子和磁場發(fā)生三個核心組件：定子由磷青銅材料制得，下表面鑲嵌入上導磁環(huán)以減少磁路磁阻。壓電陶瓷貼于定子上表面，壓電陶瓷貼上表面貼有導電膜，壓電陶瓷通電以激勵定子的面外振動模態(tài)，使上導磁環(huán)下表面(即聲輻射面)對轉子容腔中的磁流變液輻射超聲場，且通單相和兩相正交電壓可分別輻射駐波和行波型的超聲場。定子轉軸根部位置設計有結構孔，使得所需要的面外振動模態(tài)與其他振動模態(tài)盡可能的分離，避免模態(tài)干擾。定子與止動軸連接，以通過止動板和止動螺釘防止定子組件轉動，定子下軸頭安裝有滾動軸承，軸承嵌入轉子中以保證剪切穩(wěn)定性。轉子外圓安裝軸承，其下端軸頭與連接軸相連接，整個轉子組件在隔磁套中自由轉動，從而對磁流變液施加剪切運動。在轉子磁流變液容腔的底部嵌入下導磁環(huán)以減少磁路磁阻，在磁流變液容腔內(nèi)側設計有磁流變液補給腔，用于存儲多余的磁流變液，置于內(nèi)側可避免磁流變液因轉子旋轉慣性而分布不均。在磁流變液容腔外側設計有十字型布置的螺紋孔便于添加磁流變液，徑向螺紋孔可插入高斯計的探針，測試時則用螺釘膠接堵死密封，軸向螺紋孔在添加完磁流變液后用螺釘擰緊。磁流變液容腔環(huán)槽與上導磁環(huán)以及上下導磁板的凸環(huán)在徑向位置上對齊，轉子由低磁導率的黃銅材料制得，避免磁流變液容腔中的磁場分布不均。定轉子之間留有一定大小的間隙防止轉子卡死的同時，也可使磁流變液透氣散熱并能保持一定的磁流變液密封性。在磁場發(fā)生組件中，線圈和其尼龍耐熱骨架裝配在隔磁套外圓上，而隔磁套與下導磁板通過螺釘緊固。隔磁套由低磁導率的黃銅制得，這使線圈產(chǎn)生的磁感線依次經(jīng)過上導磁板、定轉子組件、磁流變液、下導磁板和導磁套形成回路，上下導磁板、上下導磁環(huán)和導磁套均有磁導率很高的電工純鐵制得。整個回路中除了留有壓電陶瓷導電膜焊點高度和回轉間隙外均保持緊密連接以減小磁阻和磁漏，磁流變液容腔中的磁場強度和超聲場強度及形態(tài)并可通過調節(jié)相應電流或電壓而調整，整個工作部件通過支撐套立于平臺驅動部件之上并與之相連。

本平臺使用時，先用注射器將一定量的磁流變液材料注射于磁流變液容腔中，然后依次擰上堵塞螺釘和導磁螺釘，接通壓電陶瓷驅動信號，此時定子振動，上導磁環(huán)下表面作為聲輻射面向磁流變液施加超聲場。再將線圈通電并且緩慢增加線圈中的電流，向磁流變液施加磁場，最后打開電機驅動器開關，從而實施剪切運動。通過調節(jié)施加的電壓或者電流信號分別調節(jié)超聲場和磁場的強度，記錄下電機扭矩和轉速的數(shù)據(jù)，根據(jù)磁流變液的bingham模型本構方程：

τ＝τy+η·γ

τ為磁流變液的剪切應力；τy為磁流變液的屈服應力，為磁流變液的屈服強度，由磁流變液的性能和加在磁流變液上的磁場強度決定；η為磁力變液的粘度，γ為磁流變液的剪應變率。剪切應力和剪切變率均可分別由扭矩和轉速表征而得，屈服應力與磁場強度存在關系。據(jù)此，保持同一剪切變率(即保證轉速不變)，可以在不同超聲形態(tài)及強度下對比轉矩的變化，間接可以反映出超聲場對磁流變液的影響。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明可以檢測出不同形態(tài)超聲近場對磁流變液效應的影響，同時采用線圈和磁軛施加無級可調磁場。

本發(fā)明結構簡單，易于實現(xiàn)，所使用的電機、扭矩傳感器和光電編碼器也是實驗室常用設備，容易獲得，故成本不高，便于實驗室應用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的測試系統(tǒng)示意圖。

圖2是本發(fā)明的定轉子三分之一剖面軸測示意圖。

圖3是本發(fā)明的定子模態(tài)圖。

圖4是本發(fā)明的定轉子能量傳導圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

如圖1、圖2所示。

一種磁流變液在超聲近場和無級可調磁場作用下圓環(huán)型剪切特性測試平臺，它包括平臺驅動部件、平臺工作部件、力矩檢測裝置、轉速檢測裝置和磁場檢測裝置，平臺驅動部件利用電機1為動力源，通過聯(lián)軸器2帶動扭矩傳感器3測試出電機1輸出扭矩，再連接上連接軸6穿過光電編碼器5測試出輸出轉速，整個部件雖采用立式結構，但重心偏下較穩(wěn)定。平臺工作部件包括定子23、轉子7和磁場發(fā)生(線圈13)三個核心組件：定子23由磷青銅材料制得，定子23下表面鑲嵌入上導磁環(huán)19以減少磁路磁阻。壓電陶瓷24貼于定子23上表面，壓電陶瓷24上表面貼有導電膜，壓電陶瓷24通電激勵定子23的面外振動模態(tài)，從而使上導磁環(huán)19下表面(即聲輻射面)對轉子容腔17中的磁流變液輻射超聲場，且通單相和兩相正交電壓可分別輻射駐波和行波型的超聲場。定子23轉軸根部位置設計有結構孔29，使得所需要的面外模態(tài)(如圖3)與其他振動模態(tài)盡可能的分離，定子23上端頭與止動軸20連接，以通過止動板21和止動螺釘22防止定子組件轉動。定子23下端軸上外圓安裝有滾動軸承，其嵌入轉子7中以保證剪切穩(wěn)定性。轉子7外圓安裝軸承9，其下端軸頭與連接軸6相連接，整個轉子7組件在隔磁套26中自由轉動，從而對磁流變液施加剪切運動。在轉子7磁流變液容腔的底部嵌入下導磁環(huán)8以減少磁路磁阻，在磁流變液容腔內(nèi)側設計有磁流變液補給腔30，以存儲添加多余下的磁流變液，置于內(nèi)側可防止磁流變液因轉子旋轉慣性而分布不均。在磁流變液容腔外側設計有十字型布置的螺紋孔以便于添加磁流變液，徑向螺紋孔可插入高斯計的探針，測試時則用螺釘25膠接堵死密封。軸向螺紋孔在添加完磁流變液后用螺釘28擰緊，磁流變液容腔環(huán)槽與上導磁環(huán)19以及上下導磁板15、11的凸環(huán)在徑向位置上對齊，轉子7由高磁阻的黃銅材料制得使得磁流變液容腔17中的磁場分布均勻。定子23、轉子7之間留有一定大小的間隙防止轉子7卡死的同時可使磁流變液透氣散熱并能保持一定的磁流變液密封性。在磁場發(fā)生組件中，線圈13和其尼龍耐熱骨架27裝配在隔磁套26上，而隔磁套26與下導磁板15通過螺釘緊固。隔磁套26由高磁阻的黃銅制得，這使線圈13產(chǎn)生的磁感線16依次經(jīng)過上導磁板15、定轉子組件、磁流變液、下導磁板11和導磁套12形成回路。上下導磁板、上下導磁環(huán)和導磁套12均有磁導率很高的電工純鐵制得，整個回路中除了留有壓電陶瓷24上導電膜焊點高度和回轉間隙外均保持緊密連接以減小磁阻和磁漏，磁流變液容腔中的磁場強度和超聲場強度及形態(tài)可通過調節(jié)相應電流而調節(jié)，整個工作部件通過支撐套立于平臺驅動部件之上并與之相連。

實施時，整個工作部件可視為基于超聲場和磁場耦合下的阻尼器或者作動器，并且將其嵌入其他系統(tǒng)中，這一點也在權利保護范圍之內(nèi)。另外，具體實施時，線圈、壓電陶瓷驅動器、光電編碼器、扭矩傳感器的數(shù)據(jù)采集卡和電機的驅動驅動和控制器可以集成在系統(tǒng)中，通過usb接口直接與計算機相連，并開發(fā)控制軟件以便可以控制向磁流變液施加的超聲場和磁場的強度，仍然納入本發(fā)明保護范圍內(nèi)。