磁流变液定量测试方法研究

姚 军，张进秋

（装甲兵工程学院装备试用与培训大队，北京，100072）

磁流变液定量测试方法研究

姚 军，张进秋

（装甲兵工程学院装备试用与培训大队，北京，100072）

0 引言

为了完善磁流变液（MRF）行业标准，研究定量测试方法，对MRF的再分散性进行量化。MRF再分散性定量测试方法的研究离不开相关仪器的设计。传统的测试仪器功能单一，成本高，不适合变化的测试对象，基于Lab Windows／CVI的虚拟仪器具有众多优点。Lab Windows／CVI虚拟仪器软件是由美国NI公司推出的系列软件，它基于ANSI C进行编程开发，简单易用，适合工业测控等领域［1-2］。它充分利用了计算机资源，效率高，极大地降低了仪器硬件成本；它可以由用户自己定义仪器系统，集成方便，功能灵活，具有很强的可移植性，并形成了大量的基于Lab Windows／CVI的虚拟仪器设计［3-7］。因而，基于Lab Windows／CVI的MRF再分散性定量测试系统具有很强的优势。

1 测试原理

MRF的再分散性描述MRF由沉淀状态转为均匀分散状态的难易程度，主要以定性分析为主。量化过程可根据搅拌消耗的功以判断再分散性的好坏，故MRF的再分散性量化标准可以搅拌沉淀状态的MRF至均匀分散状态所消耗的功为依据。

P（t）表示t时刻功率，T（t）表示时刻t转矩，n（t）表示t时刻转速，W表示T时间内消耗的功。

根据式（1）和式（2），计算搅拌静置6个月的MRF至均匀分散状态电机所做的功便可定量评价MRF再分散性的好坏。

2 MRF再分散测试仪设计

2.1 总体设计

MRF再分散测试仪包含电机、传感器、F／V转换模块、数据采集卡和计算机。电机搅拌MRF，传感器采集搅拌过程中电机的转矩和转速，经F／V转换模块将传感器输出的高频频率信号转换为模拟电压信号，经数据采集卡进入计算机，依据一定的判断准则计算电机所做的功。

2.2 机械结构设计

图1 MRF再分散测试仪机械结构

MRF再分散测试仪机械结构如图1所示，其主要起固定支撑作用。电机和搅拌桨之间串联一个扭矩传感器。由于MRF的粘滞力，电机的输出转速和转矩会发生变化，扭矩传感器采集电机转矩和转速的变化，产生输出信号，进一步计算得到电机此段时间内做的功。为避免电机的转速和扭矩同时发生大幅度变换而导致计算结果误差增大，电机选用低速大扭矩电机，相比于MRF的粘滞力产生的阻力矩，电机的转速变化很小，扭矩变化较大，这样便使得采集的信号幅值更大。

2.3 采集系统设计

采集系统由硬件和软件组成。硬件部分包括动态扭矩传感器，F／V转换模块，数据采集卡和工控机。软件部分主要为基于Lab Windows／CVI的采集程序。

2.3.1 硬件部分

扭矩传感器采用电阻应变效应，利用金属电阻丝的电阻随形变而发生改变的电阻应变效应，产生与扭矩呈线性关系的电压信号。同时，内置测速码盘随扭矩传感器轴旋转，通过光电开关输出具有一定周期宽度的脉冲信号。因而扭矩传感器的输出信号为高频的脉冲信号，扭矩信号输出对应关系为：-5 N·m时输出方波信号频率为5 k Hz，0 N· m时输出方波信号频率为10 k Hz，5 N·m时输出方波信号频率为15 k Hz。转速信号输出对应关系为0～5 000 r／min，输出方波信号频率对应0～5 k Hz，这一频率在采集过程中会占用过多硬件资源，效率不高，因而采用频率到电压的转换模块将高频脉冲信号转换为普通的模拟电压信号，便于采集。

数据采集卡选用研华的PCI1710，16路单端或8路差分模拟量输入，12位A／D转换器，采样速率可达100 k S／s，完全支持转换后的数据采集。但是其68脚的SCSI-Ⅱ接口须配合PCLD- 8710端子板使用，F／V模块输出的模拟电压信号可直接接入PCLD- 8710端子板接线孔中。

2.3.2 软件部分

基于Lab Windows／CVI的虚拟仪器包含用户界面，源文件及头文件3个部分。用户界面提供了良好的人机交互环境，直观，便于操作；源文件提供了大量的库函数，用户根据实际需要调用相关函数，极大节省了开发时间，同时，设计不同的算法实现不同的功能；头文件定义了相关常量以及采用动态链接库实现与外部设备的通信。

用户面板主要进行人机交互，控件开关控制采集的开始和停止，显示控件显示各项采集的实时数据，退出控件推出程序。源文件程序主要设定采集卡参数，尤其是转矩和转速的输出信号幅值相差较大，必须对两个通道的信号采样范围进行设定，转矩信号幅值范围设定在0～10V，转速信号幅值范围设定在0～0.625 V。同时，源文件程序包含消耗功计算准则和相关的保存，开关控制程序。头文件主要提供头文件函数和相关的外部链接。

3 测试方法分析

3.1 数据处理

F／V转换模块输出信号带有很多高频噪声，需要对信号进行滤波，以便进行计算和判断。选用LabWindows／CVI自带的巴特沃斯低通滤波器，构造一步滤波。其函数原型为：

Bw_LPF（const double Input Array［］，int Number_of_Elements，double Sampling_Frequency，double Cutoff_Frequency，int Order，double Output_Array［］）。double Input Array［］是输入数组；Number_of_Elements是输入数组元素的个数；Sampling_Frequency是采样频率；Cutoff_Frequency是截止频率；Order是滤波器阶数；Output_Array［］是输出数组。所开发的程序结合实际输入信号，采样频率设定为1 000 Hz，截止频率设定为50 Hz，这个频率保证了既消除了高频噪声信号，又保证了输入信号不受影响，反复的采集测试后选用滤波器阶数为5，最终的巴特沃斯滤波器为：Bw_L PF（data，5000，1000，50，5，data_N）。图2为扭矩输入的原始信号和滤波后的扭矩信号的对比，可以看出，滤波成功将高频噪声信号剔除。

图2 巴特斯沃滤波结果

3.2 计算准则

计算MRF再分散性好坏是以计算电机消耗功为依据，因而必须判断计算的起止时间。起始时间以电机开始运行为起点，终止时间则要设定一个判断准则。结合电机的特点，搅拌静置的MRF至均匀分散状态这一过程，电机的转速变化较小，转矩变化较大，因而，终止判断条件依据转矩的变化率。MRF逐渐分散均匀的过程中，粘滞阻力矩逐渐变小，扭矩逐渐变小。根据间隔时间的前后两个时刻的扭矩变化率设定终止条件。经过反复试验验证，5%比较符合要求，即考虑了信号波动带来的干扰，又保证了MRF已基本均匀分散。即

data_N［t］是t时刻的扭矩值，ΔN是扭矩变化率，Δt是从0开始的一个时间段。

如图3所示，式（3）的意义在于当某一时刻的扭矩和Δt时刻后的扭矩变化率小于一个值时，即小于ΔN，也就是扭矩变化已经很小，可以说明MRF已基本均匀分散。式（4）的意义在于消除电机启动瞬间转速和扭矩的不稳定，同时，因为用来判断的扭矩信号是滤波后的信号，具有一定得滞后，因而式（4）还可以消除滤波初始阶段带来的干扰。

3.3 消耗功计算

计算机进行数据采集的时候已经将模拟信号变为数字信号，因而数学当中的积分在计算机里实际上是分割求和，分割越小，计算结果越精确。因而式（2）改写为：

f为采样频率。

3.4 再分散性评价

搅拌不同质量的MRF电机做功必然是不同的，因而计算出电机所做的功后还应除以所搅拌的MRF质量，才能反映某一MRF的再分散性好坏。即

Rd表示MRF再分散性，m是所搅拌的MRF的质量。

此外，由于MRF再分散性是描述MRF的一种性能，与自身动能没有关系，而电机旋转使MRF获得动能，因而最终结果应减去MRF的动能。

假设：

a.分散均匀的MRF颗粒与载液没有密度差，即同一种物质；

b.MRF在容器中的角速度相同，即MRF的线速度沿半径方向呈线性增加；

当MRF由于搅拌桨的作用最终达到与电机转速一致时，基于a，b假设，可用规则物体旋转运动的动能加以描述，即

Ek是物体动能；J是物体转动惯量；ω是物体旋转角速度；r容器半径；n转速。

因而，实际的MRF再分散性应为：

4 MRF再分散性测试

4.1 测试过程

利用设计的MRF再分散性测试仪对3种MRF进行测试。测试系统由机械支架、扭矩传感器、F／V转换模块、PCLD- 8710端子板、PCI1710数据采集卡、工控机和直流供电电源组成。空载运行调整电机转速至150 r／min，测量每种MRF的质量。将盛有MRF的烧杯放在搅拌桨下面，用夹具加紧。启动MRF测试仪控制面板，打开采集开关，并迅速启动电机，测试系统开始采集数据，并按照设定的判定条件计算结果。当条件满足时，程序自动得出结果并显示在面板上。其相关的基本参数如表1所示。

表1 相关测试基本参数

4.2 测试结果

图3为3种MRF的扭矩测试结果。由测试数据可以看出，原始的信号噪声特别大，滤波后的信号剔除了绝大部分的噪声，但是滤波的副作用即滤波对于非周期信号的干扰也特别明显。软件数字滤波依据一定的算法，需要参考历史数据。周期信号的规律不变，因而软件滤波对于周期信号的副作用较弱，而非周期信号没有明显规律，滤波算法依据的历史数据不能很好的应用于当前数据，因而造成一定的误差。从图3c可看出，滤波的干扰比较大。

图3 3种MRF的力矩测试结果

表2是3种MRF的测试结果。用测试仪计算得到的电机消耗功减去MRF由于旋转获得的动能，最终得到反映MRF再分散性能的指标结果。结果基本反映了3种MRF的再分散性能。用采用人工搅拌的方式感知搅拌的难易程度可以判断MRF_1再分散性较差，MRF_2再分散性稍好，MRF_3再分散性最好，这和计算的结果基本一致，说明该测试方法和系统正确反映了不同种类MRF相互间再分散性好坏。测试原理能正确描述MRF再分散性的好坏，只是结合软硬件条件，存在一定得误差。也就是说，相同的测试原理，不同的测试条件，结果略有不同，因为系统误差不可能一样。但是，只要是采用同一种测试系统，测试结果就是有意义的。

表2 MRF再分散性评价结果

4.3 分析与讨论

测试方法和测试系统正确反映了MRF的再分散性能，但结果的误差比较明显。

图3关于MRF的扭矩测试结果显示，测量值波动较大。传感器输出的高频信号经F／V模块转换后的输出电压存在较多的噪声信号，相比于有效的反映实际传感器的信号值，这些信号强度比较大，已经达到影响原始有效信号的程度。鉴于此，采用了软件滤波，但是滤波是基于一定得算法，其滤波效果和历史数据有很大关系。所以，对于这样的滤波前的输入信号，滤波后的信号波动较大。

搅拌桨的力臂小是造成结果误差较大的另一个原因。虽然MRF沉淀后，粘滞力矩比较大，但是对于少量的测试样品，搅拌桨长度小，形成的力矩就小，相比于传感器的量程，这个力矩太小，理论上传感器可以正确测量该物理量，但实际上这个值不在有效测量范围内，因而造成测量结果不准确，加上噪声信号干扰，这个结果波动就很明显。

此外，不同系数的确定对最终结果结果的影响也不能忽略。巴特斯沃滤波器中截止频率的设定和滤波阶数的确定都影响滤波后的输出信号，而判断准则正是建立在这一信号基础上，因而这两个值的作用很明显。判断准则里的ΔN和Δt直接影响计算的终止条件。ΔN太大，计算提前终止，此时MRF还没有完全分散，不能反映MRF再分散性能，ΔN太小，计算不断累加电机功，造成实际计算结果大于MRF再分散需要消耗的功，也不能反映MRF再分散性能，因而ΔN的设定很关键。Δt选取的意义在于比较2个点的时间间隔，太大易造成结果不准确，太小又易受噪声等信号的干扰。因而，必须对于以上几个参数反复试验反复调整才能获得最准确的结果。

5 结束语

采用计算消耗功的方式对MRF的再分散性进行量化实用性很强，成功解决了MRF再分散性没有量化的难题，测试系统可靠。基于Lab Windows／CVI的测控界面人机交互性好，通用灵活，便于二次开发，开发成本低。

提出的测试原理及测试方法具有原创性，易于实现。基于此方法可以设计不同的测试系统，开放性强。也正是基于这个特点，不同测试系统的测试结果略有不同，但这并不影响MRF再分散性性能量化。因而，在不影响MRF再分散性量化的基础上，尽可能减小误差是下一步努力的方向。

［1］ 王建新，隋美丽.LabWindows／CVI虚拟仪器测试技术及工程应用［M］.北京：化学工业出版社，2011.

［2］ 李江全.LabWindows／CVI数据采集与串口通信典型应用实例［M］.北京：电子工业出版社，2014.

［3］ 王纪森，孟超锋，林志纲，等.液压阻尼器动态试验台测控系统设计［J］.计算机测量与控制，2012，20（3）：570 -572.

［4］ 李婷婷，张仁杰.基于LabWindows／CVI的手机写号工具的设计与实现［J］.计算机应用，2012，32（S1）：102 -104.

［5］ 李庆伟，苏燕辰.基于LabWindows／CVI的车内气压波动信号处理［J］.中国测试，2012，38（3）：87- 89.

［6］ 张海丽，苏淑靖.基于LabWindows／CVI的测试仪软件设计［J］.测控技术，2012，31（7）：88- 91.

［7］ 郭前岗，薛杏，周西峰.基于LabWindows／CVI超声缺陷信号频谱分析的设计［J］.计算机技术与发展，2012，22（7）：211- 214.

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）

针对MRF再分散性性能没有量化标准及测试方法的问题，提出了采用搅拌静置6个月MRF至均匀分散状态，测量电机扭矩和转速，计算这一过程中消耗电机功率的方法，以消耗功对MRF再分散性进行量化。设计开发了测试系统，对3种MRF进行了测试，结果说明测试系统性能可靠，测试方法实用性强。

MRF再分散性；测试原理；扭矩；转速；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 军（1991－），男，湖南凤凰人，硕士研究生，研究方向为智能材料；张进秋（1963－），男，河北承德人，博士研究生导师，研究方向为智能材料。

2015- 02- 05