铁磁流体粘度计设计及其外加磁场实验仿真

摘要

铁磁流体作为一种新型的智能材料，由于其特殊的流变特性，在众多领域广泛应用。粘度作为其流变性的重要参数，尤其是在磁场作用下，铁磁流体的流变特性变化巨大，其粘度也成数量级的增加，而且对于不同的外加磁场其粘度变化规律也存在着很大的不同。因此为了探寻铁磁流体在磁场作用下粘度的变化规律，需要精确的粘度测量装置来支持。市场上的粘度计都是针对常规流体设计的，在磁场作用下使用基本都存在磁屏蔽不良，量程范围过小，数字化程度低等问题而无法进行多参数的动态测量，这将直接影响到试验结论的准确性。故必须设计专用的粘度测量装置来解决这些不足。
　　本课题深入了解铁磁流体组成及其微观流变机理，分析流体分类及其流变规律，确定了铁磁流体适用的流体模型。在此模型的基础上结合低固相粘度计算理论，得出了铁磁流体的初始粘度和在外加磁场作用下的粘度计算公式，确定了影响其粘度的相关因素。对比分析现有的常规粘度测量方法，综合各种方法的优缺点和适用范围，最终选择旋转法来进行粘度测量，并建立了双圆筒型旋转法测量粘度的数学模型，确定了试验时所需测量的参数。
　　外加磁场是影响铁磁流体粘度的关键因素，课题在研究过程中对外加磁场的平行对极电磁铁进行了三维磁场分布仿真模拟，由实测予以了验证，得出了电磁铁对极间工作区的空间磁场分布规律。并在电磁铁工作区中放置一圆筒盛装的铁磁流体，对此磁场作用下的铁磁流体的磁场分布进行了仿真，结合实测结果，得到了圆筒中铁磁流体区域的磁场分布规律，为后续研究粘度与磁场之间的变化规律做好了铺垫。
　　最后，针对现有粘度计的不足，进行了抗磁和抗干扰改进，选用集成度高的扭矩传感器，增加了温度和磁场检测功能，以便进行多因素影响下铁磁流体粘度变化规律的研究。在硬件电路中加入了外部数据存储模块，调用测量数据结合软件编程可分析铁磁流体的动态粘度变化规律，在此基础上设计了粘度计结构图和信号处理系统图，为后续的试验平台搭建做好了铺垫。

目录

声明

摘要

本论文所用主要符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究动态

1．2．1 国外研究动态

1．2．2 国内研究动态

1．3 选题目的和意义

1．3．1 选题目的

1．3．2 选题意义

1．4 主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 铁磁流体粘度测试理论

2．1 铁磁流体的组成

2．2 铁磁流体的粘度

2．2．1 铁磁流体的流变特性

2．2．2 铁磁流体的零场粘度

2．2．3 磁场作用下铁磁流体的粘度

2．3 粘度测量方法及方案选择

2．3．1 粘度测量方法

2．3．2 粘度测量方案选择

2．4 双圆筒法粘度测量原理

2．5 本章小结

第三章 磁场仿真模拟

3．1 电磁铁简介

3．2 电磁铁的磁场分布研究状况

3．3 平行对极电磁铁的磁场分布

3．3．1 磁场实验研究

3．3．2 有限元分析基础

3．3．3 有限元仿真模拟

3．4 仿真与实测结果分析

3．4．1 不同电流强度下的磁感应强度分布

3．4．2 同一电流强度不同测量面的磁感应强度分布

3．5 本章小结

第四章 磁场作用下铁磁流体的磁场分布

4．1 液体磁性磨具的组成

4．2 液体磁性磨具的配置

4．3 液体磁性磨具的磁化特性

4．3．1 液体磁性磨具的微观磁化特性

4．3．2 液体磁性磨具的宏观磁化特性

4．4 液体磁性磨具在工作区的磁场分布

4．4．1 磁场仿真建模

4．4．2 整体磁场分布

4．4．3 液体磁性磨具的磁场分布

4．5 液体磁性磨具高度对磁感应强度分布的影响

4．6 本章小结

第五章 粘度测试仪的设计

5．1 磁场屏蔽及抗干扰设计

5．1．1 护壳抗磁干扰

5．1．2 硬件抗干扰

5．1．3 软件抗干扰

5．2 测扭部件设计

5．2．1 扭矩传感器的选择

5．2．2 铁磁流体粘度计结构设计

5．3 硬件电路设计

5．3．1 温度传感器的选择

5．3．2 磁传感器的选择

5．3．3 粘度计信号处理系统

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文