磁性液體懸浮性能測試智能裝置的研制

王 超， 施培杰， 雷 宇， 李學慧， 部德才

(大連大學 物理科學與技術學院，遼寧 大連 116622)

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·儀器設備研制與開發·

磁性液體懸浮性能測試智能裝置的研制

王 超， 施培杰， 雷 宇， 李學慧， 部德才

(大連大學 物理科學與技術學院，遼寧 大連 116622)

針對現有磁性液體視密度測量裝置在實際測量過程中的繁瑣及實驗誤差較大的弊端，設計了一臺磁性液體懸浮性能測試智能裝置，并以此通過計算機界面在線顯示磁性液體懸浮性能的測試過程和規律曲線。結果表明,懸浮性能與磁場強弱、磁場梯度大小相關，磁場越強，梯度越大的液層，磁性液體懸浮性能越強。智能裝置使納米磁性液體懸浮性能的整個測試過程和測試方法更加簡單直觀，整體實驗誤差較小。通過對其影響因素所進行的理論分析，可為磁性液體在礦山選礦、物質分離等方面的潛在應用提供理論基礎。

磁性液體； 懸浮性能； 力敏傳感器； 智能裝置

0 引 言

磁性液體是由納米磁性微粒經具有極性表面活性劑單分子層(2 nm)包覆再與適當載液充分混合而制成的固-液相溶膠體溶液，是一種受磁場控制、對磁場敏感、可流動的液體功能材料。無外加磁場作用時，納米磁性微粒均勻分布在載液中，微粒的磁矩取向各異，整體對外不顯磁性；施加外磁場作用時，納米磁性微粒呈梯度分布，微粒的磁矩沿磁場方向取向，受外加磁力的作用，納米磁性微粒將發生移動且分布不均勻[1]。檢測磁場中納米磁性微粒的分布規律將對選礦、分離等技術有著深遠意義[2-4]。目前，檢測這種液體功能材料微粒分布的儀器不多。李學慧等所發明的磁流體表觀密度測量儀[5-6]是采用液體靜力稱衡法測量磁性液體的表觀密度，且測量誤差較大，而研制的磁性液體懸浮性能測試智能裝置是采用非平衡電橋[7]測量磁性液體中納米微粒的分布，其規律曲線直接在計算機屏幕呈現，測量精度較高。該儀器的研制將進一步拓展磁性液體在選礦、分離等技術上的應用[8-10]。

1 智能裝置的設計

根據磁性液體處于磁場中納米磁性微粒的自組織行為顯示的懸浮性能(視密度)和硅壓力敏傳感器的功能，設計并搭建了磁性液體懸浮性能的智能測試裝置(CXZZ)。

1.1 利用傳感器實現力-電信號轉換

如圖1所示，硅壓力敏傳感器由4個硅擴散電阻集成1個非平衡電橋。當有拉力作用于彈性梁上時，電橋失去平衡將輸出電壓信號，經過放大和信號處理，其輸出電壓與拉力成正比，即：

U=BF

(1)

式中:U輸出電壓;F為硅壓力敏傳感器所受拉力;B為硅壓力敏傳感器靈敏度。

1-力臂固定點, 2-彈性梁, 3-傳感器芯片, 4-掛鉤, 5-測錘

圖1 硅壓力敏傳感器結構及芯片電路圖

不難看出，硅壓力敏傳感器能夠將非鐵材料測錘5所受的力信號轉化成可視的電壓信號[11-12]。

1.2 利用“非平衡電橋”測試磁性液體的懸浮性能

將設計的測錘5掛在力敏傳感器掛鉤4上，則掛鉤4受到拉力F作用，根據式(1)能夠獲得磁性液體的懸浮性能與可視電壓信號的函數關系式：

(2)

式中：U代表測錘在空氣中的電壓；Uw代表測錘在蒸餾水中的電壓；Us代表測錘在磁性液體中的電壓。只要分別測出U、Uw、Us，便可求出磁性液體處于某一液層的視密度ρs，即能夠獲得磁性液體懸浮性能的變化規律。

2 裝置結構及其功能

2.1 裝置結構

如圖2所示，整個CXZZ由測試單元、控制單元、數據采集與處理單元、通信接口等部分構成。其中測試單元由勵磁線圈、測錘、試管、力敏傳感器、升降臺等構成；控制單元由勵磁電源、磁性液體懸浮性能控制器構成；數據采集與處理單元由力敏傳感器、計算機顯示器構成。

(a) CXZZ結構簡圖

(b) CXZZ實物圖

通過勵磁線圈為待測磁性液體樣品提供非均勻磁場，通過改變勵磁線圈電流大小來改變磁場強度，利用步進電機控制升降臺改變測錘處于磁場中高度，實現不同梯度磁場下測試磁性液體的懸浮性能。

2.2 裝置功能及測試方法

2.2.1 測試單元

如圖2所示，測試單元主要功能在于將力敏傳感器檢測到的測錘受力信息轉換成可視的電壓信息，不同環境(空氣、蒸餾水、磁性液體)下測錘的受力信息不同，其轉換電壓信息亦不相同。利用不同條件、不同環境下的轉換電壓即可獲得磁性液體的懸浮性能。

具體測試方法如下：

(1) 將測錘掛在傳感器的掛鉤上，測錘將受到重力mg、拉力F作用：

mg=F=U/B

(3)

(2) 將測錘吊入密度為ρw蒸餾水中，測錘將受到重力mg、拉力Fw和浮力ρwVg作用：

mg-Fw=ρwVg,Fw=Uw/B

式中:V是測錘體積;ρw是蒸餾水密度;Uw是水中的轉換電壓。

(3) 將懸掛的測錘吊入磁性液體中，測錘將受到重力mg、拉力Fs和浮力ρsVg作用：

mg-Fs=ρsVg,Fs=Us/B

式中：Us是磁性液體中的轉換電壓。由式(1)～(3)可得：

式中：ρs表示磁性液體的視密度，即磁性液體的懸浮性能。

2.2.2 自動控制與數據采集

自動控制單元是基于LabVIEW軟件開發平臺實現對可調勵磁電源的控制。首先是單片機的控制信號傳輸到步進電機，以此來調控測試單元中升降臺的位置；其次是單片機通過串行口與上位機相連，實現對勵磁電源的控制，來調節勵磁線圈電流的大小，實現測試單元環境條件(磁場)的改變。

如圖3所示，測試單元主要由梯度磁場(力敏傳感器、勵磁線圈)和可控升降臺(步進電機、上下光電門)等構成，其磁性液體懸浮性能控制器(見圖4)將實現可控升降臺和數據的采集。所謂“傳感顯示”顯示的是力敏傳感器實時采集的電壓值。

圖3 測試單元的組成

圖4 磁性液體懸浮性能控制器面板

2.2.3 數據的傳輸及處理

智能裝置數據的傳輸和處理是經過信號放大器和AD轉換器進入單片機軟件處理系統，其磁性液體懸浮性能測量的計算機控制面板如圖5所示。

3 數據測量與分析

3.1 固定磁場，改變高度

圖5 磁性液體懸浮性能測量的計算機控制面板

固定磁場(即固定電流)，將步進電機按設定高度使升降臺上升，即測錘上升相應高度，可得到磁性液體懸浮性能值及曲線點；等差值改變高度值，測得磁性液體在固定磁場(電流)條件下，其懸浮性能隨高度的變化曲線如圖6所示。

圖6 磁性液體懸浮性能隨高度變化

從圖6可以看出，在同一電流(磁場)作用下，不同液層磁性液體的視密度值不同，距離磁場近的液層，磁性液體的視密度大。說明磁性液體中納米磁性微粒聚集的多，即懸浮性能越強。

3.2 固定高度，改變磁場

設定一個固定高度，改變電流值(改變磁場)，可得到磁性液體視密度值及曲線點；等差值改變電流值，得到磁性液體在固定高度條件下其視密度隨電流的變化曲線，如圖7所示。

圖7 磁性液體視密度隨勵磁電流的變化

從圖7可以看出，在同一液層，不同電流(磁場)情況下，磁性液體的視密度值不同，隨著勵磁電流的增加而增大，說明磁性微粒的分布與外磁場的強度有關。隨著外磁場強度的增加，曲線的間隔越來越小，說明趨于磁性液體飽和磁化時，微粒在不同液層的分布變化不大[13-15]。

4 結 論

(1) 智能裝置能夠方便、準確在線顯示磁性液體懸浮性能與磁場梯度的變化規律曲線。

(2) 磁性液體中納米磁性微粒受磁場影響，在磁場作用下，納米磁性微粒出現自組織行為，無論是“固定磁場，改變高度”還是“固定高度，改變磁場”，其分布都是非均勻的，磁場梯度越大的液層，磁性液體視密度越大，即磁性液體懸浮性能越強。

(3) 該儀器既能用于大學生軟磁材料的設計性實驗研究，又能用于企業分選密度不同的物質，在礦山選礦、醫療分離等方面具有潛在應用價值。

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Development of Magnetic Liquid Suspension Performance Test Smart Device

WANGChao,SHIPei-jie,LEIYu,LIXue-Hui,BUDe-cai

(College of Physical Science and Technology, Dalian University, Dalian 116622, China)

The magnetic fluid functional materials is easily affected by magnetic field, and appears obviously the sensibility response, nonlinear response and self organization behavior. To solve the problems an intelligent testing device is designed by using modern electronic information technology. Through the computer interface, the test procedure and curves of magnetic liquid suspension performances can be online displayed. It shows that the suspension performance is related to the strength of the magnetic field and its gradient magnitude. The stronger magnetic field gradient is, the greater the liquid layer, and the stronger the magnetic properties of a liquid suspension. By the advantages of the new intelligent device, testing the process and nanometer magnetic fluid suspension performance becomes simple and visual. The errors of the whole experiment get smaller, technology content is higher. Through theoretical analysis conducted for the magnetic fluid, the device can be used in mining and other aspects of physical separation.

magnetic liquids; levitation performance; sensor; intelligent device

2015-12-17

國家自然科學基金資助項目(51077006)；遼寧省大學生創新訓練項目(201411258035)；大連大學大學生創新創業訓練計劃重點項目(2013088)；大連大學大學生創新創業訓練計劃重點項目(2015095)

王 超(1995-)，男，陜西渭南人，本科生，現主要從事等離子體技術制備納米功能材料研究。

Tel.: 18340809331; E-mail: 429364783@qq.com

部德才(1972-)，男，黑龍江寧安人，博士生，講師，現主要從事等離子體技術制備納米功能材料研究。

Tel.: 13942674580；E-mail：caizi1108@163.com

TH 136

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1006-7167(2016)09-0047-04