一种利用电流变液检测直流电场强度的装置

摘要

一种利用电流变液的电流变效应检测直流电场强度的装置，主要包括支架、密闭容器、电流变液、内置滑轨、通孔、内置管、工作球、反光薄膜、激光发射及接收装置、导线、电磁阀。当装置处于外加电场时，电流变液的粘度、流动性等发生改变，导致在其中运动的工作球运动状态发生变化，并最终造成激光发射及接收装置输出时间不同。该输出时间传输给工控机后，与存储数据库进行t‑E匹配达到检测电流变液上所加电场强度的目的。该方法具有响应速度快、结果稳定，结构简单成本低，尺寸大小不受限制等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及电场强度检测技术领域，尤其是涉及一种利用电流变液检测直流电场强度的装置。

背景技术

电场是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质，是存在于电荷周围能传递电荷与电荷之间相互作用的物理场。电场这种物质与通常的实物不同，虽不是由分子原子等组成，但却是客观存在的。电场具有力和能量等客观属性，在电荷周围总有电场存在；同时电场对场中其他电荷发生力的作用。电场的力的性质表现为：电场对放入其中的电荷有作用力，这种力称为电场力。

在外电场作用下，电流变液中的固体颗粒获得电场的感应作用，从而由液态进入固态。性能良好的电流变液在电场的作用下能产生明显的电流变效应，即可在液态和类固态间进行快速可逆的转化，并保持粘度连续。即当不加电场时，电流变体为液体，黏度很小；当加上电场后，电流变体的黏度随电场的增加而增大。电流变液对电场强度的变化具有灵敏度高，状态变化迅速，可逆且能耗小，能够循环利用且重复性高等特点。因而可以利用电流变液的状态反推加载电场的数值。与之形成鲜明对比的是：目前市面上电场的测量手段或器件相对较少且存在测量不精准、设备复杂、设备或测试成本相对较高等缺点。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种利用电流变液检测直流电场强度的装置。本发明具有结构简单、成本低、响应速度快且稳定等特点。

本发明的技术方案如下：

一种电流变液检测直流电场强度的装置，包括具有底座和悬臂的支架，所述支架的底座上固定密闭容器；密闭容器内腔充满电流变液，密闭容器内部底面固定垂直于底面的内置管；

所述内置管底部与顶端具有与电流变液相通的通孔，内置管中放置平行于内置管管体长度方向的内置滑轨，内置滑轨中有可以沿内置滑轨轨道运动的工作球；所述工作球的初始位置固定于内置滑轨顶部的电磁阀上；所述工作球靠近内置管顶端的部分的外表面涂有反光薄膜；

所述支架的悬臂上设置正对工作球的激光发射及接收装置。

所述容器为密闭容器，所用材料熔点在230℃～260℃，有透光性，透光率≥90％，颜色为无色或近似无色。

所述密闭容器的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙、或聚碳酸酯。

所述密闭容器与支架底座接触紧密，无漏液；所述内置管底端与密闭容器底端接触紧密。

所述电流变液具有良好的透光性，透光率≥80％。

所述电流变液为Ca-Ti-O电流变液、Al₂O₃电流变液、改性TiO₂电流变液、或Sm-TiO₂纳米电流变液，电流变液雷诺数Re＜0.2。

所述工作球为绝缘材料，其中ρ_球＞ρ_液，r_球＜3mm；其中ρ为密度，r为半径。

所述激光发射及接收装置高度可调。

所述反光薄膜上表面光滑平整。

所述工作球在电流变液中的运动规律符合斯托克斯定律公式：G_球≥F_浮+f_粘滞阻力，其中G_球为工作球重力，F_浮为工作球所受浮力，f_粘滞阻力为工作球所受粘滞阻力。

本发明有益的技术效果在于：

本发明电流变液电场强度检测装置响应快、重复性好、能耗小。将该装置置于不同的外加电场时，根据激光发射及接收装置输出的不同时间即可实现辨识电场强度大小的目的。

通过上述技术方案，在本发明的电流变液电场强度检测装置的极板间外加不同的电场时，由于不同电场强度使得电流变液体发生不同程度的物理变化(主要表现为电流变液流动性、粘度、强度等的变化)，工作球受到的浮力及粘滞阻力将发生不同程度的改变，从而使工作球运动状态发生改变，并最终导致激光发射及接收装置输出的时间实时发生改变。利用工控机采集实时变化的输出时间值，并与存储数据库进行数据匹配进而可获得被测电场强度，最终达到对直流电场强度检测及监察的功能。

附图说明

图1为本发明电流变液电场强度检测装置的结构。

图中：1支架，2密闭容器，3电流变液，4内置滑轨，5通孔，6内置管，7工作球，8反光薄膜，9激光发射及接收装置，10导线，11电磁阀。

图2是具体实例中选用的改性TiO₂电流变液粘度与纯硅油粘度随外加电场变化关系。

图3为具体实例中改性TiO₂电流变液不加电场与加载外电场时工作球速度v随着时间t变化关系。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行具体描述。

如图1所示，本发明提供的电流变液检测电场强度的装置，包括具有底座和悬臂的支架1，支架1的底座上固定密闭容器2；密闭容器2内腔充满电流变液3，密闭容器2底部垂直固定一个内置管6；

内置管6底部与顶端具有与电流变液3相通的通孔5，内置管6中放置一平行于内置管6管体长度方向的内置滑轨4，内置滑轨4中有可以沿内置滑轨4轨道运动的工作球7；工作球7的初始位置在固定于内置滑轨4顶部的电磁阀11上。

支架1悬臂上固定正对工作球7的激光发射及接收装置9，工作球7上端顶部为反光薄膜8。激光发射及接收装置9高度可调。反光薄膜8上表面光滑平整。激光发射及接收装置9上有导线10连接于外接供给电源。

密闭容器2为立方状、柱状或其他形式，所用材料的熔点为230℃～260℃，透光性好，颜色为无色或近似无色。密闭容器2的材料优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙、或聚碳酸酯。密闭容器2与支架1底座接触紧密，无漏液；内置管6底端与密闭容器2底端接触紧密。

电流变液3为无色或接近无色状态。优选为Ca-Ti-O电流变液、Al₂O₃电流变液、改性TiO₂电流变液、或Sm-TiO₂纳米电流变液，电流变液3雷诺数Re<0.2。工作球7由绝缘材料制成，其中ρ_球＞ρ_液，r_球＜3mm。

工作球7所处的电流变液3运动规律符合斯托克斯定律公式：G_球≥F_浮+f_粘滞阻力，其中G_球为工作球7重力，F_浮为工作球7所受浮力，f_粘滞阻力为所受粘滞阻力。

将该装置置于不同的外加电场时，待测电场使电流变液3的粘度、强度等发生改变，从而使工作球7运动到密闭容器2底端所需时间与未加待测电场时的时间发生变化，表现为激光发射及接收装置9输出的时间随待测电场数值不同而不同，该输出时间传输给工控机后，与存储数据库进行t-E匹配达到检测电流变液上所加电场强度的目的。

具体实施例：

所选电流变液3为改性TiO₂电流变液，此电流变液是一种高性能的改性电流变液体。其成分如下：溶胶凝胶法制备的稀土改性TiO₂固体粒子为电流变液3的分散相，以二甲基亚砜为添加剂的201^#甲基硅油为电流变液3的基础液。所述装置在测试过程中处于静态，且工作球7初始时被电磁阀11固定于内置管6顶部。如果测试前工作球7没有置于顶部，可将装置整体倒置并给电磁阀11通电使其处于闭合状态即可。

由于所述电流变液3雷诺数Re＜0.2，工作球7为绝缘材料且运动缓慢，故工作球7在电流变液3中的运动符合斯托克斯定律：G_球≥F_浮+f_粘滞阻力(G_球为工作球7重力，F_浮为工作球7所受浮力，f_粘滞阻力为工作球7所受粘滞阻力)，其中G_球＝V_球ρ_球g(V_球为工作球7的体积，根据需要可做成中空或实心，此例中为实心)，F_浮＝V_排ρ_液g(ρ_液为所选电流变液3的密度，因为本发明中工作球浸没在电流变液3中，故V_排＝V_球)，f_粘滞阻力＝6πη_液r_球v_球(其中η_液为所选电流变液3的粘滞系数，r_球为所选工作球7对应半径且r_球＜3mm，v_球为工作球7在电流变液3中的运动速度)。

为了清晰展示装置的可行性，选取改性TiO₂电流变液3作为工作介质的同时选取了纯硅油作为对比液体。从图2可知：纯硅油粘度不随电场强度发生改变，即在所加电场强度范围内，其粘度值始终为350mPa·s。然而，改性TiO₂电流变液3粘度η_液则随着外加电场E的增加单调递增。根据这一特性，通过测量有外加电场时的电流变液3的粘度变化即可对应得到加载的直流电场的数值。本发明中，电流变液3的粘度变化以工作球7从初始位置开始至内置管6底部所用时间的变化来体现。

将改性TiO₂电流变液3作为工作介质，分别进行不加电场和加载电场测量时，工作球7的运动过程不同：未加电场时，由于其η_液最小，如图3中v_球逐渐增大，当于t₁时刻增大到v₁时，G_球＝F_浮+f_粘滞阻力，工作球7开始以v₁速度匀速下降。设工作球7总的运动行程为H(即工作球7的初始位置至内置管6的底部距离)，打开电磁阀11后初始速度为v₀，初始时刻为t₀，变加速运动的运动行程为h₁；当在t₁时刻速度达到v₁后即开始匀速运动，匀速运动的行程为h₁’，匀速运动的时间为△t₁＝h₁’/v₁，则工作球7在未加电场的内置管中总运动时间为△t_E＝0＝t₁-t₀+△t₁。当工作球7在加载某一外加电场的电流变液3中运动时，假设ρ_液随电场变化很小或几乎不变。

由于η_液随着外加电场E加载而增大，因而相同类型的电流变液3在加载电场后表现出以下两个特点：(1)初始阶段的加速度减小；(2)达到匀速运动时的速度v₂减小。并且这两个特点随着外加电场的增加愈发显著。与未加电场中的运动过程类似，当工作球7在初始时刻t₀以初始速度为v₀开始运动后，其运动为变加速过程，行程为h₂；当在t₂时刻速度达到v₂后即开始匀速运动，匀速运动的行程为h₂’，运动时间为△t₂＝h₂’/v₂，则工作球7在加载电场后的电流变液中的总运动时间为△t_E＝t₂-t₀+△t₂。由之前的分析可知△t_E＝0＜△t_E，且所加电场越大，则输出的时间△t_E也越大。因而，通过激光发射及接收装置确定整个过程的△t_E，并将该△t_E传输给工控机中，即可与存储数据库进行t-E匹配得到外加电场的数值，从而完成对电场强度检测与监察的功能。

上例所叙述的运动分两个过程，前段为变加速运动，后段为匀速运动。然而实际中仍然存在其他运动过程，如整个过程全是变加速运动，亦或整个运动过程中的变加速过程很短，甚至该过程可忽略不计从而使得整个过程简化为匀速运动。以上这两种情况均是上述分析的特例。根据之前的过程分析不难得出：△t_{全为变加速}＜△t_{变加速+匀速}＜△t_全为匀速。不同的电场强度将导致工作球7的运动情况差异，从而使得激光发射及接收装置9输出时间不同，即外加电场越大，对应的输出时间越长。配合以后端工控机的数据采集及处理从而完成对外加电场强度检测与监察的功能。

具体实施例：

在本实施例中选用改性TiO₂电流变液作为工作介质(该电流变液在无外加电场时密度ρ_液＝1.585g/cm³)。工作球选用密度ρ_球＝2.2g/cm³，半径为1mm的聚四氟乙烯(PTFE)实心球，工作球的总运动行程为0.1m。

本实施例中选用改性TiO₂电流变液的配方及配制过程如下：

(1)改性基础液的配制：用称量瓶称取一定量的201#甲基硅油(201#甲基硅油密度ρ＝0.997g/cm³)，并用微量注射器按体积比V_{二甲基亚砜}：V_{201#甲基硅油}＝5：100将二甲基亚砜(二甲基亚砜密度ρ＝1.10g/cm³)注入所称量的201#甲基硅油中，经机械搅拌使二甲基亚砜均匀分散于201#甲基硅油中，并经超声分散30分钟得到改性基础液。

(2)改性TiO₂电流变液的配制：将TiO₂粉末加入至改性基础液中，其中TiO₂粉末的体积分数为改性基础液的20％(TiO₂粉末密度ρ＝4.23g/cm³)，最终得到的改性TiO₂电流变液经实际测量其密度约为ρ_液＝1.585g/cm³。

将聚四氟乙烯(PTFE)实心工作球7安放于电磁阀11上，而后在电流变液上加载待测电场。将电磁阀11打开后，激光发射及接收装置9测得工作球7完成0.1m的工作行程共耗时0.145700s。

通过对比电流变液种类、密度、工作球密度、工作球半径等参数匹配工控机中的t-E对照表(即表1)可知：待测外加电场强度介于1.0～1.5kV/mm之间，经计算机插值计算等过程输出待测电场强度为1.320782kV/mm，而实际电场强度为1.327419kV/mm，精确度达99.6％。

测试结果比对：为了验证本发明电场强度检测仪装置的精确度，选取市面上已投入生产并应用的凯跃电子公司的E300电磁场强度分析仪来测量待测电场。在其上加载电场后，数据在1.30～1.33kV/mm间变动。待数据稳定约2s左右，得到待测电场强度为1.31kV/mm，由此可知当测量环境较理想的情况下，本发明的电流变液检测直流电场强度的装置在测量上精度更高，误差更小，响应速度更快。

表1某一改性TiO₂电流变液的t-E标准对照表(工作行程0.1m)