基于開放極板電容器的磁流變液沉降原位監測研究

蘇 杭 ,張紅輝, ,鄒致遠 ,廖昌榮

(重慶大學a.光電工程學院;b.光電技術及系統教育部重點實驗室,重慶 400044)

磁流變液(MRF)是以微米級羰基鐵粉為分散相,以硅油為分散介質制備而成的智能材料,其表觀粘度在外部磁場誘導下可發生可逆變化,在工程減振領域展現出巨大潛力[1-2]。由于分散相與分散介質間巨大的密度差,即使添加劑技術已經取得長足進步,磁流變液靜置后仍不可避免地發生沉降,限制了該類材料的工程應用范圍。

目前,磁流變液沉降監測主要使用目視法、熱導率法、電感法以及電勢法等。目視法通過觀測泥線的變化來分析磁流變液沉降,無法用于非透明容器內的磁流變液沉降觀測;熱導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率[3],由于熱導率與濃度有關而轉化為對磁流變液沉降的監測,受限于樣品的熱環境穩定性;電感法使用垂直移動掃描的自感傳感器跟蹤泥線下降評估磁流變液沉降[4-5],無法適用于金屬容器內磁流變液沉降監測。總體而言,這些研究只能在實驗室監測非服役狀態下的磁流變液樣品,屬于非原位監測,無法滿足鋼制缸筒內、服役條件下磁流變阻尼器中的磁流變液沉降監測需要。

磁流變液原位監測方法指在監測對象內部構建的具有伴隨運行能力的監測方法,實現基于傳感器的實時在線監測系統并輸出結果。原位監測廣泛應用于水質監測、大氣環境監測、海洋資源探測等方面,相較而言,磁流變液沉降原位監測可以實現磁流變阻尼器件內部連續、實時的狀態監測。

綜上所述,為減少測量方法對磁流變液沉降過程的影響,實現對磁流變液器件內部沉降特性的局部、在線、實時動態監測,通過研究磁流變液濃度梯度與沉降體介電常數的關系,設計了基于開放電容的磁流變液沉降狀態的原位監測系統,采用電磁有限元開展傳感器特性仿真與設計,試驗研究了系統對磁流變液靜沉降過程監測的有效性。

1 監測系統

如圖1所示,原位監測系統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,開放極板設計可保證監測范圍充分覆蓋整個沉降區域。該系統將開放極板電容放置在缸筒中,因此,該系統可以實現阻尼器件的沉降狀態在線監測。

圖1 原位監測系統Fig.1 The in-situ monitoring system

由于小電容測量容易產生較大的誤差,在缸筒直徑的約束下,電容極板直徑越大越好,以提高測量精度。缸筒內徑為42 mm,底部極板直徑設計為41 mm,底部極板中心孔尺寸直徑為8 mm,用于中心柱極穿過。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定為7 mm,電容器中心柱極高度對沉降監測具有較大影響,通過電場有限元仿真確定。

2 數值仿真

由于沒有正對面積,開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條件下的電場分布。利用Maxwell軟件仿真分析中心柱極高度對電容器電容的影響,對開放極板電容器的設計非常重要。

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

圖2 不同中心柱極高度下的電場強度分布仿真結果Fig.2 Electric field under different center pillar heights

從仿真結果可以看出,越靠近中心柱極位置場強越大。圖3顯示的是中心柱極高度與電容器電容之間的關系曲線,隨著中心柱極高度的增加,電容器的電容值越來越大。為提高測量精度,在條件允許范圍內,電容器中心柱極高度越高越好。研究中為了設計合理性,電容器中心柱極高度設定為16 mm。

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

3 實驗分析

開放電容設計難以計算理論容值,只有通過實驗才能準確證明其可行性。商業化的磁流變液在數十天以上才發生分層,沉降過程緩慢,這將使實驗持續很長時間。為了加快試驗過程,將羰基鐵粉(粒徑為3.5μm～5μm)與硅油(粘度為100cP)充分攪拌并混合制備,自制簡單磁流變液樣品開展現場監測研究。研究中的所有樣品均表示為MRFQS,其中QS表示顆粒的質量分數[6-7]。

實驗裝置示意圖如圖4所示,實驗設備包括開放極板電容器,鋼瓶,鐵架臺,LCR 電容測量儀和計算機。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。導線從鋼瓶底部的中心孔引出,并連接到LCR 電容測量儀器以記錄電容。研究選取的電容測量設備為高頻率商用電橋LCR 測量儀,型號為victor 4092,精度為0.01p F。LCR 采集頻率的選取與測量的電容值大小有關,由于開放極板電容器電容值為數p F,采集頻率設定為100 k Hz。

圖4 原位監測系統示意圖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,記錄測得的電容,每個磁流變液樣品測量5次并做算術平均。在實驗過程中,實驗裝置是固定的,測量容器的外壁連接到LCR 表的接地端子,以屏蔽電磁干擾。為了確保測量精度,在20 ℃恒溫器中進行測量實驗。圖5為獲得的磁流變液樣品濃度和開放極板電容器容值間的關系。可見,開放極板電容器容值與磁流變液濃度間呈現較為復雜的正相關關系,并且呈現兩邊變化大而中間濃度影響較為穩定的特征[8-12]。

圖5 電容器電容與樣品濃度關系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系較為穩定,對其沉降特性開展了更為細致的試驗驗證。測量容器中沉降區濃度隨時間逐漸增加,直到濃度值穩定,圖6(a)顯示了3組磁流變液樣品沉降區濃度與時間的關系曲線,MRF20、MRF30、MRF40樣品沉降達到穩定的時間分別為550 min、1 350 min和1 750 min。隨著沉降的進行,沉降體的高度將逐漸增加,導致沉降體的介電常數增加,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,沉積區的濃度變化較快,對沉降初期曲線進行細分,隨著初始濃度增加,沉降的初始斜率逐漸減小,說明低濃度樣品在沉積區濃度變化速率更快[13-14]。

為了更深入的分析沉降體的沉降特性,對濃度 時間曲線進行求導得到3種磁流變液樣品的沉降速率與時間的關系曲線,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,經過一段時間后,MRF20樣品的沉降率逐漸低于其他2個樣品。3種磁流變液樣品沉降速率都由快變慢。可見,沉降的初始階段,樣品液柱各區域濃度相對較低,原始濃度區域和可變濃度區域中的鐵磁顆粒沉降到了沉積區,從而導致沉積區濃度的顯著變化,各區域沉降的分散相在沉積區不斷積累,這導致沉降體濃度變化非常明顯。隨著沉降的進行,各區域的顆粒濃度增加,沉積區沉降速率進一步降低,沉降體濃度隨時間變化為指數關系。

圖6 (a)沉積體濃度隨時間變化關系(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 結論

研究針對真實阻尼器件中靜置磁流變液的沉降特性,提出了基于開放極板電容的原位監測方法。通過開放極板電容設計,電容容值隨磁流變液沉降狀態而改變,基于LCR 儀獲取電容值來表征磁流變液的靜置沉降特性,并得到如下結論:

1)開放極板電容容值與其沉降區濃度變化呈正相關關系,隨著沉降區磁流變液濃度增大,電容值增大,且在沉降初期,低濃度樣品在沉積區濃度變化速率更快。

2)基于開放極板電容的沉降原位監測方法能夠有效地用于磁流變液靜置沉降狀態的測量,并克服現有監測方法對容器透明性和材質的限制,可以用于真實磁流變器件,實現其內部磁流變液沉降特性的在線監測。