呂德剛，代 亮，孫明野，朱勝西，齊曉杰

(黑龍江工程學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，哈爾濱 150050)

基于LabVIEW的磁流變液性能測試系統(tǒng)的開發(fā)

呂德剛，代 亮，孫明野，朱勝西，齊曉杰

(黑龍江工程學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，哈爾濱 150050)

磁流變液性能的測試和研究一直是可控材料研究的熱點(diǎn)之一。鑒于目前缺乏結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠測試儀器的現(xiàn)狀，首先設(shè)計并制作了磁流變液性能測試儀，結(jié)合美國NI公司的USB-6008數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件，開發(fā)了磁流變液性能測試系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以方便地測試出不同溫度、不同磁場強(qiáng)度下磁流變液扭矩傳遞性能，易于實現(xiàn)不同配方的磁流變液的比較測試。

磁流變液；LabVIEW；測試系統(tǒng)

0 前言

磁流變液(MRF)是一種在磁場作用下流變特性可控的流體，它在強(qiáng)磁場的作用下可以在幾 ms內(nèi)由良好的牛頓流體變?yōu)橘e漢姆流體，并且這種變化是連續(xù)、可逆、迅速、易于控制的，是一種用途廣泛、性能優(yōu)良的智能材料，成為當(dāng)前智能材料研究的一個重要分支。目前，磁流變液已被應(yīng)用于研磨工藝、密封、機(jī)器人、采礦、印刷等多個領(lǐng)域，磁流變技術(shù)在汽車減振器、離合器、緩速器等汽車零部件上的應(yīng)用將有著光明的前景[1]。

目前對于磁流變液的研究，較為普遍的是采用賓漢(Bingham)模型，表述如下：

τ=τB+ηP·γ，

(1)

式中：τ為磁場作用下磁流變液屈服應(yīng)力；τB為磁流變液動態(tài)屈服應(yīng)力，與磁場強(qiáng)度相關(guān)；ηP為磁流變液塑性黏度；γ為切應(yīng)變率。

磁流變液從式(1)來看，除了受到外加磁場強(qiáng)度的影響，還要受到液體本身的黏度的影響[2-3]。磁流變液由于配方不同，造成其本身特性差別較大，開發(fā)某種產(chǎn)品，必須選用適用的磁流變液才能實現(xiàn)對磁流變液進(jìn)行有效控制，最大發(fā)揮其性能優(yōu)勢。因此，除了對磁流變液進(jìn)行深入理論分析外，還必須設(shè)計相應(yīng)的性能測試儀器。

結(jié)合現(xiàn)有汽車磁流變液一般性測試方法和設(shè)備，利用美國NI公司的LabVIEW軟件和數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計了基于虛擬儀器的磁流變液性能測試系統(tǒng)，既有利于常見磁流變液性能的快速測試，又能很方便地把不同成分的磁流變液性能加以對比分析[4-5]。

1 磁流變液性能測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的基于LabVIEW的磁流變液性能測試系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。整個系統(tǒng)的核心部分是自行設(shè)計的磁流變液性能測試儀，磁流變液加注其中。磁流變液溫度會對其黏度產(chǎn)生影響，故加裝一溫度傳感器。磁流變液性能測試儀由電機(jī)來驅(qū)動，電機(jī)轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速傳感器輸入數(shù)據(jù)采集卡傳入電腦。恒流電源對磁流變液性能測試儀輸入電流，線圈產(chǎn)生磁場，作用在磁流變液上，磁流變液受磁場影響變得黏稠，傳遞扭矩增加，并通過扭矩傳感器、數(shù)據(jù)采集卡輸入電腦。電腦通過內(nèi)置的LabVIEW軟件程序，對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并把驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速、磁流變液溫度、輸出扭矩顯示在電腦屏幕上，和廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)曲線相互對照，可以驗證該系統(tǒng)的可行性。本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖l所示。

1.1 磁流變液性能測試系統(tǒng)的硬件選擇

本系統(tǒng)硬件組成主要包括：1)磁流變液性能測試儀1臺；2)電腦1臺；3)USB6008數(shù)據(jù)采集卡1塊；4)溫度傳感器；5)轉(zhuǎn)速傳感器；6)扭矩傳感器；7)電流傳感器。

磁流變液性能測試儀：如圖2所示，系自行設(shè)計，由驅(qū)動電機(jī)連接到驅(qū)動軸8上，圓盤6和鐵芯10間隔2 mm，中間注滿磁流變液，線圈不通電流時，圓盤6和測試儀本體之間僅通過液體黏性傳遞扭矩，扭矩較小，受溫度影響較大。線圈通入電流后磁流變液變得黏稠，傳遞扭矩隨之加大，扭矩通過下部安裝的扭矩傳感器測試出來。為了防止控制磁力線走向，在測試儀內(nèi)設(shè)置了磁阻極高的隔磁套9和隔磁片12。

圖1 磁流變液性能測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.傳感器支座；2.中間套；3.軸承；4.支撐蓋；5.中間套；6.圓盤；7.頂蓋；8.驅(qū)動軸；9.隔磁套；10.鐵芯；11.導(dǎo)磁片；12.隔磁片圖2 磁流變性能測試儀示意圖

電腦：本磁流變液性能測試系統(tǒng)中，因為LabVIEW軟件對系統(tǒng)配置要求不高，采取普通筆記本電腦即可。

USB6008數(shù)據(jù)采集卡：采用美國NI公司USB6008數(shù)據(jù)采集卡，有模擬輸入通道8個和模擬輸出通道2個，還能提供12個數(shù)字輸入/輸出通道；最大電壓范圍-10～10 V，精度7.73 mV；最小電壓范圍-1～1 V，精度37.5 mV；可以滿足本系統(tǒng)的使用需要。

恒流電流源：采用DAZ品牌PS605D型號恒流源，輸出電流：DC 0～5A(A)，輸入電壓：AC 220 V/110 V(V)，輸出電壓：DC 0～60V(V)，輸出功率：300W(W)，工作溫度：≤70 ℃，工作濕度：≤85%。

驅(qū)動電機(jī)采用普通立式臺鉆，將鉆頭和磁流變性能測試儀的驅(qū)動軸相連。

1.2 磁流變液性能測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本測量系統(tǒng)，除了使用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動外，測試溫度、激磁電流對試驗結(jié)果有重要影響，在進(jìn)行軟件設(shè)計時，在面板上分別設(shè)計了轉(zhuǎn)速儀表、輸入電流儀表。激磁電流的改變，最終改變的是磁流變液剪切力即傳遞扭矩的大小，因此，用戶界面上也設(shè)置了一個輸出扭矩顯示儀表，同時輸入電流和輸出扭矩，分別作為橫縱坐標(biāo)，在下面的波形圖上表現(xiàn)出來。根據(jù)實際情況，分別設(shè)置轉(zhuǎn)速量程為0～7 000 r/min，試驗溫度量程為0～100 ℃，輸出扭矩量程為0～7 000 N·m，輸入電流大小由恒流源量程限定為0～5A范圍。所設(shè)計的用戶界面如圖3所示。

圖3 軟件用戶界面

2 系統(tǒng)實測示例

將系統(tǒng)各部分連接到一起，如圖4所示。開動臺鉆，驅(qū)動磁流變性能測試儀，灌注某磁流變液后進(jìn)行測試，測試溫度為20 ℃，系該磁流變液生產(chǎn)廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)試驗溫度。臺鉆驅(qū)動轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000 r/min后不再增加。使用直流電流源對鐵芯線圈提供激磁電流，從0 A到2.8 A之間逐漸加大電流，隨著電流增加，鐵芯內(nèi)部磁場增強(qiáng)，作用在磁流變液上，磁流變液傳遞的剪切力增加，把電機(jī)驅(qū)動扭矩傳遞給扭矩傳感器，實際輸出轉(zhuǎn)矩和理論輸出轉(zhuǎn)矩如圖5所示，實線是廠家提供傳遞扭矩數(shù)據(jù)曲線，虛線為實際傳遞扭矩，從圖5中可以看出，實際測試輸出扭矩和理論扭矩基本一致，可以證明該測試方法可靠。

3 結(jié)語

磁流變液應(yīng)用非常廣泛，而其配方各不相同，導(dǎo)致性能各異，為了找到符合自己使用需要的磁流變液，對其進(jìn)行性能測量就顯得尤其重要。本系統(tǒng)使用一臺普通筆記本電腦，借助LabVIEW軟件強(qiáng)大的圖形化功能和多種內(nèi)置函數(shù)，形成界面友好直觀的磁流變液性能測試系統(tǒng)，可以很方便地對磁流變液性能進(jìn)行測量，可以快速測試磁流變液的性能，同時將不同配方磁流變液進(jìn)行對比分析，實測結(jié)果證明了這種方法的可行性，在此基礎(chǔ)上，可以對不同配方、配比對磁流變液性能的影響做進(jìn)一步研究。

圖4 系統(tǒng)實物連接圖

圖5 系統(tǒng)實測結(jié)果

[1] 陳松，李峰，黃金.溫度對磁流變液材料及傳力性能的影響[J].材料導(dǎo)報，2015(16)：151-156.

[2] 吳繼榮，李曉琦.磁流變液的制備及其表面張力系數(shù)的實驗研究[J].微納電子技術(shù)，2014(3)：146-150.

[3] 姚軍，張進(jìn)秋，彭志召.羰基鐵粉的鐵含量和粒徑對磁流變液剪切屈服強(qiáng)度的影響[J].材料研究學(xué)報，2014(12)：954-960.

[4] 鄭依，高軍偉，易龍江，等.LabVIEW環(huán)境下的便攜式智能檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].青島大學(xué)學(xué)報：工程技術(shù)版，2016(1)：24-28.

[5] 任智鵬，原明亭.基于乘法器和LabVIEW仿真的諧波分析[J].青島大學(xué)學(xué)報：工程技術(shù)版，2016(1)：31-34.

The Research on Development to Magneto Rheological Fluid Properties Detection System Based on LabVIEW

LYU De-gang，et al.

(SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering，HeilongjiangInstituteofTechnology，Harbin150050，China)

The detection and study of the properties of magneto rheological fluid have been one of the hot spots in the research of controllable materials.In this paper，in view of the current lack of simple structure and reliable testing instruments，first of all，magneto rheological fluid performance test instrument has been designed and produced，by using the American company Ni usb-6008 data acquisition card and the LabVIEW software，and magneto rheological fluid properties testing system has been developed.This system can test the variable torque transfer properties of magneto rheological fluid at different temperatures and different magnetic field intensities.The magneto rheological fluids of different formulations can also be contrastively tested easily.

magneto rheological fluid；Lab VIEW；detecting system

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.011

2017-02-14

黑龍江工程學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(201511802056)

呂德剛(1974-)，男(漢)，哈爾濱，講師 主要研究汽車電器與電子技術(shù)。

TH12

A

1009-8984(2017)01-0046-03