磁流變液定量測(cè)試方法研究

姚 軍，張進(jìn)秋

（裝甲兵工程學(xué)院裝備試用與培訓(xùn)大隊(duì)，北京，100072）

磁流變液定量測(cè)試方法研究

姚 軍，張進(jìn)秋

（裝甲兵工程學(xué)院裝備試用與培訓(xùn)大隊(duì)，北京，100072）

0 引言

為了完善磁流變液（MRF）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研究定量測(cè)試方法，對(duì)MRF的再分散性進(jìn)行量化。MRF再分散性定量測(cè)試方法的研究離不開相關(guān)儀器的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的測(cè)試儀器功能單一，成本高，不適合變化的測(cè)試對(duì)象，基于Lab Windows／CVI的虛擬儀器具有眾多優(yōu)點(diǎn)。Lab Windows／CVI虛擬儀器軟件是由美國(guó)NI公司推出的系列軟件，它基于ANSI C進(jìn)行編程開發(fā)，簡(jiǎn)單易用，適合工業(yè)測(cè)控等領(lǐng)域［1-2］。它充分利用了計(jì)算機(jī)資源，效率高，極大地降低了儀器硬件成本；它可以由用戶自己定義儀器系統(tǒng)，集成方便，功能靈活，具有很強(qiáng)的可移植性，并形成了大量的基于Lab Windows／CVI的虛擬儀器設(shè)計(jì)［3-7］。因而，基于Lab Windows／CVI的MRF再分散性定量測(cè)試系統(tǒng)具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

1 測(cè)試原理

MRF的再分散性描述MRF由沉淀狀態(tài)轉(zhuǎn)為均勻分散狀態(tài)的難易程度，主要以定性分析為主。量化過程可根據(jù)攪拌消耗的功以判斷再分散性的好壞，故MRF的再分散性量化標(biāo)準(zhǔn)可以攪拌沉淀狀態(tài)的MRF至均勻分散狀態(tài)所消耗的功為依據(jù)。

P（t）表示t時(shí)刻功率，T（t）表示時(shí)刻t轉(zhuǎn)矩，n（t）表示t時(shí)刻轉(zhuǎn)速，W表示T時(shí)間內(nèi)消耗的功。

根據(jù)式（1）和式（2），計(jì)算攪拌靜置6個(gè)月的MRF至均勻分散狀態(tài)電機(jī)所做的功便可定量評(píng)價(jià)MRF再分散性的好壞。

2 MRF再分散測(cè)試儀設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

MRF再分散測(cè)試儀包含電機(jī)、傳感器、F／V轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。電機(jī)攪拌MRF，傳感器采集攪拌過程中電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，經(jīng)F／V轉(zhuǎn)換模塊將傳感器輸出的高頻頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)，依據(jù)一定的判斷準(zhǔn)則計(jì)算電機(jī)所做的功。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 MRF再分散測(cè)試儀機(jī)械結(jié)構(gòu)

MRF再分散測(cè)試儀機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要起固定支撐作用。電機(jī)和攪拌槳之間串聯(lián)一個(gè)扭矩傳感器。由于MRF的粘滯力，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩會(huì)發(fā)生變化，扭矩傳感器采集電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化，產(chǎn)生輸出信號(hào)，進(jìn)一步計(jì)算得到電機(jī)此段時(shí)間內(nèi)做的功。為避免電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩同時(shí)發(fā)生大幅度變換而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差增大，電機(jī)選用低速大扭矩電機(jī)，相比于MRF的粘滯力產(chǎn)生的阻力矩，電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小，扭矩變化較大，這樣便使得采集的信號(hào)幅值更大。

2.3 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件部分包括動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，F(xiàn)／V轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)。軟件部分主要為基于Lab Windows／CVI的采集程序。

2.3.1 硬件部分

扭矩傳感器采用電阻應(yīng)變效應(yīng)，利用金屬電阻絲的電阻隨形變而發(fā)生改變的電阻應(yīng)變效應(yīng)，產(chǎn)生與扭矩呈線性關(guān)系的電壓信號(hào)。同時(shí)，內(nèi)置測(cè)速碼盤隨扭矩傳感器軸旋轉(zhuǎn)，通過光電開關(guān)輸出具有一定周期寬度的脈沖信號(hào)。因而扭矩傳感器的輸出信號(hào)為高頻的脈沖信號(hào)，扭矩信號(hào)輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系為：-5 N·m時(shí)輸出方波信號(hào)頻率為5 k Hz，0 N· m時(shí)輸出方波信號(hào)頻率為10 k Hz，5 N·m時(shí)輸出方波信號(hào)頻率為15 k Hz。轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系為0～5 000 r／min，輸出方波信號(hào)頻率對(duì)應(yīng)0～5 k Hz，這一頻率在采集過程中會(huì)占用過多硬件資源，效率不高，因而采用頻率到電壓的轉(zhuǎn)換模塊將高頻脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為普通的模擬電壓信號(hào)，便于采集。

數(shù)據(jù)采集卡選用研華的PCI1710，16路單端或8路差分模擬量輸入，12位A／D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá)100 k S／s，完全支持轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)采集。但是其68腳的SCSI-Ⅱ接口須配合PCLD- 8710端子板使用，F(xiàn)／V模塊輸出的模擬電壓信號(hào)可直接接入PCLD- 8710端子板接線孔中。

2.3.2 軟件部分

基于Lab Windows／CVI的虛擬儀器包含用戶界面，源文件及頭文件3個(gè)部分。用戶界面提供了良好的人機(jī)交互環(huán)境，直觀，便于操作；源文件提供了大量的庫(kù)函數(shù)，用戶根據(jù)實(shí)際需要調(diào)用相關(guān)函數(shù)，極大節(jié)省了開發(fā)時(shí)間，同時(shí)，設(shè)計(jì)不同的算法實(shí)現(xiàn)不同的功能；頭文件定義了相關(guān)常量以及采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的通信。

用戶面板主要進(jìn)行人機(jī)交互，控件開關(guān)控制采集的開始和停止，顯示控件顯示各項(xiàng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，退出控件推出程序。源文件程序主要設(shè)定采集卡參數(shù)，尤其是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的輸出信號(hào)幅值相差較大，必須對(duì)兩個(gè)通道的信號(hào)采樣范圍進(jìn)行設(shè)定，轉(zhuǎn)矩信號(hào)幅值范圍設(shè)定在0～10V，轉(zhuǎn)速信號(hào)幅值范圍設(shè)定在0～0.625 V。同時(shí)，源文件程序包含消耗功計(jì)算準(zhǔn)則和相關(guān)的保存，開關(guān)控制程序。頭文件主要提供頭文件函數(shù)和相關(guān)的外部鏈接。

3 測(cè)試方法分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

F／V轉(zhuǎn)換模塊輸出信號(hào)帶有很多高頻噪聲，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，以便進(jìn)行計(jì)算和判斷。選用LabWindows／CVI自帶的巴特沃斯低通濾波器，構(gòu)造一步濾波。其函數(shù)原型為：

Bw_LPF（const double Input Array［］，int Number_of_Elements，double Sampling_Frequency，double Cutoff_Frequency，int Order，double Output_Array［］）。double Input Array［］是輸入數(shù)組；Number_of_Elements是輸入數(shù)組元素的個(gè)數(shù)；Sampling_Frequency是采樣頻率；Cutoff_Frequency是截止頻率；Order是濾波器階數(shù)；Output_Array［］是輸出數(shù)組。所開發(fā)的程序結(jié)合實(shí)際輸入信號(hào)，采樣頻率設(shè)定為1 000 Hz，截止頻率設(shè)定為50 Hz，這個(gè)頻率保證了既消除了高頻噪聲信號(hào)，又保證了輸入信號(hào)不受影響，反復(fù)的采集測(cè)試后選用濾波器階數(shù)為5，最終的巴特沃斯濾波器為：Bw_L PF（data，5000，1000，50，5，data_N）。圖2為扭矩輸入的原始信號(hào)和濾波后的扭矩信號(hào)的對(duì)比，可以看出，濾波成功將高頻噪聲信號(hào)剔除。

圖2 巴特斯沃濾波結(jié)果

3.2 計(jì)算準(zhǔn)則

計(jì)算MRF再分散性好壞是以計(jì)算電機(jī)消耗功為依據(jù)，因而必須判斷計(jì)算的起止時(shí)間。起始時(shí)間以電機(jī)開始運(yùn)行為起點(diǎn)，終止時(shí)間則要設(shè)定一個(gè)判斷準(zhǔn)則。結(jié)合電機(jī)的特點(diǎn)，攪拌靜置的MRF至均勻分散狀態(tài)這一過程，電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化較小，轉(zhuǎn)矩變化較大，因而，終止判斷條件依據(jù)轉(zhuǎn)矩的變化率。MRF逐漸分散均勻的過程中，粘滯阻力矩逐漸變小，扭矩逐漸變小。根據(jù)間隔時(shí)間的前后兩個(gè)時(shí)刻的扭矩變化率設(shè)定終止條件。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，5%比較符合要求，即考慮了信號(hào)波動(dòng)帶來的干擾，又保證了MRF已基本均勻分散。即

data_N［t］是t時(shí)刻的扭矩值，ΔN是扭矩變化率，Δt是從0開始的一個(gè)時(shí)間段。

如圖3所示，式（3）的意義在于當(dāng)某一時(shí)刻的扭矩和Δt時(shí)刻后的扭矩變化率小于一個(gè)值時(shí)，即小于ΔN，也就是扭矩變化已經(jīng)很小，可以說明MRF已基本均勻分散。式（4）的意義在于消除電機(jī)啟動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)速和扭矩的不穩(wěn)定，同時(shí)，因?yàn)橛脕砼袛嗟呐ぞ匦盘?hào)是濾波后的信號(hào)，具有一定得滯后，因而式（4）還可以消除濾波初始階段帶來的干擾。

3.3 消耗功計(jì)算

計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時(shí)候已經(jīng)將模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，因而數(shù)學(xué)當(dāng)中的積分在計(jì)算機(jī)里實(shí)際上是分割求和，分割越小，計(jì)算結(jié)果越精確。因而式（2）改寫為：

f為采樣頻率。

3.4 再分散性評(píng)價(jià)

攪拌不同質(zhì)量的MRF電機(jī)做功必然是不同的，因而計(jì)算出電機(jī)所做的功后還應(yīng)除以所攪拌的MRF質(zhì)量，才能反映某一MRF的再分散性好壞。即

Rd表示MRF再分散性，m是所攪拌的MRF的質(zhì)量。

此外，由于MRF再分散性是描述MRF的一種性能，與自身動(dòng)能沒有關(guān)系，而電機(jī)旋轉(zhuǎn)使MRF獲得動(dòng)能，因而最終結(jié)果應(yīng)減去MRF的動(dòng)能。

假設(shè)：

a.分散均勻的MRF顆粒與載液沒有密度差，即同一種物質(zhì)；

b.MRF在容器中的角速度相同，即MRF的線速度沿半徑方向呈線性增加；

當(dāng)MRF由于攪拌槳的作用最終達(dá)到與電機(jī)轉(zhuǎn)速一致時(shí)，基于a，b假設(shè)，可用規(guī)則物體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能加以描述，即

Ek是物體動(dòng)能；J是物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω是物體旋轉(zhuǎn)角速度；r容器半徑；n轉(zhuǎn)速。

因而，實(shí)際的MRF再分散性應(yīng)為：

4 MRF再分散性測(cè)試

4.1 測(cè)試過程

利用設(shè)計(jì)的MRF再分散性測(cè)試儀對(duì)3種MRF進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)由機(jī)械支架、扭矩傳感器、F／V轉(zhuǎn)換模塊、PCLD- 8710端子板、PCI1710數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)和直流供電電源組成?？蛰d運(yùn)行調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速至150 r／min，測(cè)量每種MRF的質(zhì)量。將盛有MRF的燒杯放在攪拌槳下面，用夾具加緊。啟動(dòng)MRF測(cè)試儀控制面板，打開采集開關(guān)，并迅速啟動(dòng)電機(jī)，測(cè)試系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)，并按照設(shè)定的判定條件計(jì)算結(jié)果。當(dāng)條件滿足時(shí)，程序自動(dòng)得出結(jié)果并顯示在面板上。其相關(guān)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 相關(guān)測(cè)試基本參數(shù)

4.2 測(cè)試結(jié)果

圖3為3種MRF的扭矩測(cè)試結(jié)果。由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，原始的信號(hào)噪聲特別大，濾波后的信號(hào)剔除了絕大部分的噪聲，但是濾波的副作用即濾波對(duì)于非周期信號(hào)的干擾也特別明顯。軟件數(shù)字濾波依據(jù)一定的算法，需要參考?xì)v史數(shù)據(jù)。周期信號(hào)的規(guī)律不變，因而軟件濾波對(duì)于周期信號(hào)的副作用較弱，而非周期信號(hào)沒有明顯規(guī)律，濾波算法依據(jù)的歷史數(shù)據(jù)不能很好的應(yīng)用于當(dāng)前數(shù)據(jù)，因而造成一定的誤差。從圖3c可看出，濾波的干擾比較大。

圖3 3種MRF的力矩測(cè)試結(jié)果

表2是3種MRF的測(cè)試結(jié)果。用測(cè)試儀計(jì)算得到的電機(jī)消耗功減去MRF由于旋轉(zhuǎn)獲得的動(dòng)能，最終得到反映MRF再分散性能的指標(biāo)結(jié)果。結(jié)果基本反映了3種MRF的再分散性能。用采用人工攪拌的方式感知攪拌的難易程度可以判斷MRF_1再分散性較差，MRF_2再分散性稍好，MRF_3再分散性最好，這和計(jì)算的結(jié)果基本一致，說明該測(cè)試方法和系統(tǒng)正確反映了不同種類MRF相互間再分散性好壞。測(cè)試原理能正確描述MRF再分散性的好壞，只是結(jié)合軟硬件條件，存在一定得誤差。也就是說，相同的測(cè)試原理，不同的測(cè)試條件，結(jié)果略有不同，因?yàn)橄到y(tǒng)誤差不可能一樣。但是，只要是采用同一種測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果就是有意義的。

表2 MRF再分散性評(píng)價(jià)結(jié)果

4.3 分析與討論

測(cè)試方法和測(cè)試系統(tǒng)正確反映了MRF的再分散性能，但結(jié)果的誤差比較明顯。

圖3關(guān)于MRF的扭矩測(cè)試結(jié)果顯示，測(cè)量值波動(dòng)較大。傳感器輸出的高頻信號(hào)經(jīng)F／V模塊轉(zhuǎn)換后的輸出電壓存在較多的噪聲信號(hào)，相比于有效的反映實(shí)際傳感器的信號(hào)值，這些信號(hào)強(qiáng)度比較大，已經(jīng)達(dá)到影響原始有效信號(hào)的程度。鑒于此，采用了軟件濾波，但是濾波是基于一定得算法，其濾波效果和歷史數(shù)據(jù)有很大關(guān)系。所以，對(duì)于這樣的濾波前的輸入信號(hào)，濾波后的信號(hào)波動(dòng)較大。

攪拌槳的力臂小是造成結(jié)果誤差較大的另一個(gè)原因。雖然MRF沉淀后，粘滯力矩比較大，但是對(duì)于少量的測(cè)試樣品，攪拌槳長(zhǎng)度小，形成的力矩就小，相比于傳感器的量程，這個(gè)力矩太小，理論上傳感器可以正確測(cè)量該物理量，但實(shí)際上這個(gè)值不在有效測(cè)量范圍內(nèi)，因而造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，加上噪聲信號(hào)干擾，這個(gè)結(jié)果波動(dòng)就很明顯。

此外，不同系數(shù)的確定對(duì)最終結(jié)果結(jié)果的影響也不能忽略。巴特斯沃濾波器中截止頻率的設(shè)定和濾波階數(shù)的確定都影響濾波后的輸出信號(hào)，而判斷準(zhǔn)則正是建立在這一信號(hào)基礎(chǔ)上，因而這兩個(gè)值的作用很明顯。判斷準(zhǔn)則里的ΔN和Δt直接影響計(jì)算的終止條件。ΔN太大，計(jì)算提前終止，此時(shí)MRF還沒有完全分散，不能反映MRF再分散性能，ΔN太小，計(jì)算不斷累加電機(jī)功，造成實(shí)際計(jì)算結(jié)果大于MRF再分散需要消耗的功，也不能反映MRF再分散性能，因而ΔN的設(shè)定很關(guān)鍵。Δt選取的意義在于比較2個(gè)點(diǎn)的時(shí)間間隔，太大易造成結(jié)果不準(zhǔn)確，太小又易受噪聲等信號(hào)的干擾。因而，必須對(duì)于以上幾個(gè)參數(shù)反復(fù)試驗(yàn)反復(fù)調(diào)整才能獲得最準(zhǔn)確的結(jié)果。

5 結(jié)束語

采用計(jì)算消耗功的方式對(duì)MRF的再分散性進(jìn)行量化實(shí)用性很強(qiáng)，成功解決了MRF再分散性沒有量化的難題，測(cè)試系統(tǒng)可靠?；贚ab Windows／CVI的測(cè)控界面人機(jī)交互性好，通用靈活，便于二次開發(fā)，開發(fā)成本低。

提出的測(cè)試原理及測(cè)試方法具有原創(chuàng)性，易于實(shí)現(xiàn)。基于此方法可以設(shè)計(jì)不同的測(cè)試系統(tǒng)，開放性強(qiáng)。也正是基于這個(gè)特點(diǎn)，不同測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果略有不同，但這并不影響MRF再分散性性能量化。因而，在不影響MRF再分散性量化的基礎(chǔ)上，盡可能減小誤差是下一步努力的方向。

［1］ 王建新，隋美麗.LabWindows／CVI虛擬儀器測(cè)試技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［2］ 李江全.LabWindows／CVI數(shù)據(jù)采集與串口通信典型應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2014.

［3］ 王紀(jì)森，孟超鋒，林志綱，等.液壓阻尼器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（3）：570 -572.

［4］ 李婷婷，張仁杰.基于LabWindows／CVI的手機(jī)寫號(hào)工具的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，32（S1）：102 -104.

［5］ 李慶偉，蘇燕辰.基于LabWindows／CVI的車內(nèi)氣壓波動(dòng)信號(hào)處理［J］.中國(guó)測(cè)試，2012，38（3）：87- 89.

［6］ 張海麗，蘇淑靖.基于LabWindows／CVI的測(cè)試儀軟件設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2012，31（7）：88- 91.

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Study on a Testing Method for Quantifying MRF

YAO Jun，ZHANG Jinqiu
（Brigade of Armament Trial and Training，Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China）

針對(duì)MRF再分散性性能沒有量化標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試方法的問題，提出了采用攪拌靜置6個(gè)月MRF至均勻分散狀態(tài)，測(cè)量電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速，計(jì)算這一過程中消耗電機(jī)功率的方法，以消耗功對(duì)MRF再分散性進(jìn)行量化。設(shè)計(jì)開發(fā)了測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)3種MRF進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果說明測(cè)試系統(tǒng)性能可靠，測(cè)試方法實(shí)用性強(qiáng)。

MRF再分散性；測(cè)試原理；扭矩；轉(zhuǎn)速；消耗功

At present，the redispersibility of magento- rheological fluid（MRF）hasn’t been quantified，nor is there an appropriate testing method.In this paper，a method is proposed which estimates this property by stirring MRF for a period of 6 months until it is evenly dispersed.Torque and rotation speed of the motor are measured in order to calculate the energy used by the motor，which is used to measure MRF redispersibility.A test system has been built and three types of MRF have been tested.The result shows that the system is reliable，the test method is practical and the test theory is creative.All of these fill in gaps in establishing MRF quantified criterion of redispersibility.

redispersibility of MRF；test theory；torque；rotate speed；cost energy

TP273.5；TP39

A

1001- 2257（2015）08- 0044- 05

姚 軍（1991－），男，湖南鳳凰人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄懿牧?；張進(jìn)秋（1963－），男，河北承德人，博士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄懿牧稀?/p>

2015- 02- 05