磁性液體懸浮性能測(cè)試智能裝置的研制

王 超， 施培杰， 雷 宇， 李學(xué)慧， 部德才

(大連大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116622)

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·儀器設(shè)備研制與開發(fā)·

磁性液體懸浮性能測(cè)試智能裝置的研制

王 超， 施培杰， 雷 宇， 李學(xué)慧， 部德才

(大連大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116622)

針對(duì)現(xiàn)有磁性液體視密度測(cè)量裝置在實(shí)際測(cè)量過程中的繁瑣及實(shí)驗(yàn)誤差較大的弊端，設(shè)計(jì)了一臺(tái)磁性液體懸浮性能測(cè)試智能裝置，并以此通過計(jì)算機(jī)界面在線顯示磁性液體懸浮性能的測(cè)試過程和規(guī)律曲線。結(jié)果表明,懸浮性能與磁場(chǎng)強(qiáng)弱、磁場(chǎng)梯度大小相關(guān)，磁場(chǎng)越強(qiáng)，梯度越大的液層，磁性液體懸浮性能越強(qiáng)。智能裝置使納米磁性液體懸浮性能的整個(gè)測(cè)試過程和測(cè)試方法更加簡(jiǎn)單直觀，整體實(shí)驗(yàn)誤差較小。通過對(duì)其影響因素所進(jìn)行的理論分析，可為磁性液體在礦山選礦、物質(zhì)分離等方面的潛在應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

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(jīng)具有極性表面活性劑單分子層(2 nm)包覆再與適當(dāng)載液充分混合而制成的固-液相溶膠體溶液，是一種受磁場(chǎng)控制、對(duì)磁場(chǎng)敏感、可流動(dòng)的液體功能材料。無外加磁場(chǎng)作用時(shí)，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(duì)外不顯磁性；施加外磁場(chǎng)作用時(shí)，納米磁性微粒呈梯度分布，微粒的磁矩沿磁場(chǎng)方向取向，受外加磁力的作用，納米磁性微粒將發(fā)生移動(dòng)且分布不均勻[1]。檢測(cè)磁場(chǎng)中納米磁性微粒的分布規(guī)律將對(duì)選礦、分離等技術(shù)有著深遠(yuǎn)意義[2-4]。目前，檢測(cè)這種液體功能材料微粒分布的儀器不多。李學(xué)慧等所發(fā)明的磁流體表觀密度測(cè)量?jī)x[5-6]是采用液體靜力稱衡法測(cè)量磁性液體的表觀密度，且測(cè)量誤差較大，而研制的磁性液體懸浮性能測(cè)試智能裝置是采用非平衡電橋[7]測(cè)量磁性液體中納米微粒的分布，其規(guī)律曲線直接在計(jì)算機(jī)屏幕呈現(xiàn)，測(cè)量精度較高。該儀器的研制將進(jìn)一步拓展磁性液體在選礦、分離等技術(shù)上的應(yīng)用[8-10]。

1 智能裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)磁性液體處于磁場(chǎng)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(shè)計(jì)并搭建了磁性液體懸浮性能的智能測(cè)試裝置(CXZZ)。

1.1 利用傳感器實(shí)現(xiàn)力-電信號(hào)轉(zhuǎn)換

如圖1所示，硅壓力敏傳感器由4個(gè)硅擴(kuò)散電阻集成1個(gè)非平衡電橋。當(dāng)有拉力作用于彈性梁上時(shí)，電橋失去平衡將輸出電壓信號(hào)，經(jīng)過放大和信號(hào)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(diǎn), 2-彈性梁, 3-傳感器芯片, 4-掛鉤, 5-測(cè)錘

圖1 硅壓力敏傳感器結(jié)構(gòu)及芯片電路圖

不難看出，硅壓力敏傳感器能夠?qū)⒎氰F材料測(cè)錘5所受的力信號(hào)轉(zhuǎn)化成可視的電壓信號(hào)[11-12]。

1.2 利用“非平衡電橋”測(cè)試磁性液體的懸浮性能

將設(shè)計(jì)的測(cè)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(jù)式(1)能夠獲得磁性液體的懸浮性能與可視電壓信號(hào)的函數(shù)關(guān)系式：

(2)

式中：U代表測(cè)錘在空氣中的電壓；Uw代表測(cè)錘在蒸餾水中的電壓；Us代表測(cè)錘在磁性液體中的電壓。只要分別測(cè)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(guī)律。

2 裝置結(jié)構(gòu)及其功能

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

如圖2所示，整個(gè)CXZZ由測(cè)試單元、控制單元、數(shù)據(jù)采集與處理單元、通信接口等部分構(gòu)成。其中測(cè)試單元由勵(lì)磁線圈、測(cè)錘、試管、力敏傳感器、升降臺(tái)等構(gòu)成；控制單元由勵(lì)磁電源、磁性液體懸浮性能控制器構(gòu)成；數(shù)據(jù)采集與處理單元由力敏傳感器、計(jì)算機(jī)顯示器構(gòu)成。

(a) CXZZ結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(b) CXZZ實(shí)物圖

通過勵(lì)磁線圈為待測(cè)磁性液體樣品提供非均勻磁場(chǎng)，通過改變勵(lì)磁線圈電流大小來改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，利用步進(jìn)電機(jī)控制升降臺(tái)改變測(cè)錘處于磁場(chǎng)中高度，實(shí)現(xiàn)不同梯度磁場(chǎng)下測(cè)試磁性液體的懸浮性能。

2.2 裝置功能及測(cè)試方法

2.2.1 測(cè)試單元

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

具體測(cè)試方法如下：

(1) 將測(cè)錘掛在傳感器的掛鉤上，測(cè)錘將受到重力mg、拉力F作用：

mg=F=U/B

(3)

(2) 將測(cè)錘吊入密度為ρw蒸餾水中，測(cè)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(cè)錘體積;ρw是蒸餾水密度;Uw是水中的轉(zhuǎn)換電壓。

(3) 將懸掛的測(cè)錘吊入磁性液體中，測(cè)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(zhuǎn)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(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集

自動(dòng)控制單元是基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)可調(diào)勵(lì)磁電源的控制。首先是單片機(jī)的控制信號(hào)傳輸?shù)讲竭M(jìn)電機(jī)，以此來調(diào)控測(cè)試單元中升降臺(tái)的位置；其次是單片機(jī)通過串行口與上位機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電源的控制，來調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈電流的大小，實(shí)現(xiàn)測(cè)試單元環(huán)境條件(磁場(chǎng))的改變。

如圖3所示，測(cè)試單元主要由梯度磁場(chǎng)(力敏傳感器、勵(lì)磁線圈)和可控升降臺(tái)(步進(jìn)電機(jī)、上下光電門)等構(gòu)成，其磁性液體懸浮性能控制器(見圖4)將實(shí)現(xiàn)可控升降臺(tái)和數(shù)據(jù)的采集。所謂“傳感顯示”顯示的是力敏傳感器實(shí)時(shí)采集的電壓值。

圖3 測(cè)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(shù)據(jù)的傳輸及處理

智能裝置數(shù)據(jù)的傳輸和處理是經(jīng)過信號(hào)放大器和AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)入單片機(jī)軟件處理系統(tǒng)，其磁性液體懸浮性能測(cè)量的計(jì)算機(jī)控制面板如圖5所示。

3 數(shù)據(jù)測(cè)量與分析

3.1 固定磁場(chǎng)，改變高度

圖5 磁性液體懸浮性能測(cè)量的計(jì)算機(jī)控制面板

固定磁場(chǎng)(即固定電流)，將步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定高度使升降臺(tái)上升，即測(cè)錘上升相應(yīng)高度，可得到磁性液體懸浮性能值及曲線點(diǎn)；等差值改變高度值，測(cè)得磁性液體在固定磁場(chǎng)(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(chǎng))作用下，不同液層磁性液體的視密度值不同，距離磁場(chǎng)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(qiáng)。

3.2 固定高度，改變磁場(chǎng)

設(shè)定一個(gè)固定高度，改變電流值(改變磁場(chǎng))，可得到磁性液體視密度值及曲線點(diǎn)；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(lì)磁電流的變化

從圖7可以看出，在同一液層，不同電流(磁場(chǎng))情況下，磁性液體的視密度值不同，隨著勵(lì)磁電流的增加而增大，說明磁性微粒的分布與外磁場(chǎng)的強(qiáng)度有關(guān)。隨著外磁場(chǎng)強(qiáng)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(shí)，微粒在不同液層的分布變化不大[13-15]。

4 結(jié) 論

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

(2) 磁性液體中納米磁性微粒受磁場(chǎng)影響，在磁場(chǎng)作用下，納米磁性微粒出現(xiàn)自組織行為，無論是“固定磁場(chǎng)，改變高度”還是“固定高度，改變磁場(chǎng)”，其分布都是非均勻的，磁場(chǎng)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(qiáng)。

(3) 該儀器既能用于大學(xué)生軟磁材料的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)研究，又能用于企業(yè)分選密度不同的物質(zhì)，在礦山選礦、醫(yī)療分離等方面具有潛在應(yīng)用價(jià)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(xué)基金資助項(xiàng)目(51077006)；遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201411258035)；大連大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2013088)；大連大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2015095)

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

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

TH 136

A

1006-7167(2016)09-0047-04