一种磁性液体磁化弛豫时间测量装置及方法

摘要

本发明提供一种磁性液体磁化弛豫时间测量装置及方法，属于磁性液体物理特性表征技术领域。该装置包括均匀磁场发生器、磁场传感器、内/外圆筒、注液孔、O型圈、端盖、卡簧、外壳、轴承、套筒、支撑盘、支撑座、联轴器、增速机、齿轮、轴、电机、支架及底板，外圆筒、O型圈、内圆筒、端盖依次连接，第一轴承内圈紧靠外圆筒凸台装入，卡簧安装在内圆筒外侧面凹槽处，第二轴承内圈紧靠卡簧装入，第一轴承、套筒、第二轴承依次紧靠外壳凸台装入，外壳、支撑盘、支撑座、底板依次连接，电机、第二联轴器、轴、第二齿轮、第一齿轮、增速机、第一联轴器、外圆筒底部伸出轴依次连接。本装置能够实现磁性液体磁化弛豫时间的简便且低成本的测量。

权利要求

1.一种磁性液体磁化弛豫时间测量装置，其特征在于：包括均匀磁场发生器(101)、磁场传感器(100)、外圆筒(2)、内圆筒(3)、注液孔(31)、O型圈(5)、第一端盖(13)、第二端盖(11)、卡簧(6)、外壳(7)、第一轴承(81)、第二轴承(82)、套筒(9)、支撑盘(16)、支撑座(18)、第一联轴器(21)、第二联轴器(26)、增速机(23)、第一齿轮(241)、第二齿轮(242)、轴(25)、电机(27)、支架(28)及底板(19)，外壳(7)外部设置均匀磁场发生器(101)，外圆筒(2)和内圆筒(3)之间形成填充磁性液体(1)的间隙，内圆筒(3)内部设置磁场传感器(100)，外圆筒(2)、O型圈(5)、内圆筒(3)、第一端盖(13)依次连接，外圆筒(2)与内圆筒(3)用螺钉紧固连接，第一轴承(81)内圈紧靠外圆筒(2)的凸台装入，卡簧(6)安装在内圆筒(3)外侧面的凹槽处，第二轴承(82)内圈紧靠卡簧(6)装入，第一端盖(13)用螺钉固定在内圆筒(3)上，压紧第二轴承(82)，第一轴承(81)、套筒(9)、第二轴承(82)依次紧靠外壳(7)的凸台装入，第二端盖(11)用螺钉固定在外壳(7)的上端面上，压紧第二轴承(82)外圈，外壳(7)、支撑盘(16)、支撑座(18)、底板(19)依次连接，外壳(7)用螺钉安装在支撑盘(16)的上端面上，支撑盘(16)用螺钉安装在支撑座(18)的上端面上，支撑座(18)用螺钉安装在底板(19)的上表面上，电机(27)、第二联轴器(26)、轴(25)、第二齿轮(242)依次连接，第二齿轮(242)和第一齿轮(241)啮合，第一齿轮(241)、增速机(23)、第一联轴器(21)、外圆筒(2)底部伸出轴依次连接，增速机(23)用螺钉安装在支撑盘(16)的内孔台阶处，其中，与增速机(23)高速输出端连接的为第一联轴器(21)，与增速机(23)低速输入端连接的为第一齿轮(241)，电机(27)通过支架(28)与底板(19)固定连接。

2.根据权利要求1所述的磁性液体磁化弛豫时间测量装置，其特征在于：所述注液孔(31)位于内圆筒(3)上方。

3.根据权利要求1所述的磁性液体磁化弛豫时间测量装置，其特征在于：所述外圆筒(2)、内圆筒(3)、外壳(7)及套筒(9)由不导磁材料制成；外圆筒(2)、内圆筒(3)的轴向尺寸满足：使填充磁性液体(1)的间隙纵向长度比直径大至少6倍，外圆筒(2)、内圆筒(3)的径向尺寸满足：使填充磁性液体(1)的间隙宽度至多为外圆筒(2)内径的1/10。

4.根据权利要求1所述的磁性液体磁化弛豫时间测量装置，其特征在于：所述第一轴承(81)、卡簧(6)、第二轴承(82)与填充磁性液体(1)间隙的中心位置的纵向距离满足：第一轴承(81)、卡簧(6)、第二轴承(82)引起的磁性液体(1)内磁场的畸变不大于5％；第一轴承(81)、第二轴承(82)均为球轴承、圆锥滚子轴承、端面球轴承中的一种。

5.根据权利要求1所述的磁性液体磁化弛豫时间测量装置，其特征在于：所述均匀磁场发生器(101)的位置满足：使产生的磁场方向垂直于磁性液体(1)的旋转轴线，且使磁性液体(1)位于均匀磁场范围内；均匀磁场发生器(101)产生的磁场使磁性液体(1)所在位置处的磁场强度位于磁性液体(1)的线性磁化范围内；均匀磁场发生器(101)为亥姆霍兹线圈、麦克斯韦线圈、Fanselau线圈、永磁体组中的一种。

6.根据权利要求1所述的磁性液体磁化弛豫时间测量装置，其特征在于：所述第一齿轮(241)、第二齿轮(242)为锥齿轮；第一联轴器(21)、第二联轴器(26)为挠性联轴器；电机(27)为可调速电机。

7.根据权利要求1所述的磁性液体磁化弛豫时间测量装置，其特征在于：所述磁场传感器(100)的探头位于内圆筒(3)内部，用于测量垂直于均匀磁场发生器(101)产生的磁场方向上的磁感应强度，磁场传感器(100)为霍尔传感器、特斯拉计中的一种。

8.应用权利要求1所述的磁性液体磁化弛豫时间测量装置的方法，其特征在于：包括步骤如下：

S1：将待测磁性液体(1)通过注液孔(31)注入至外圆筒(2)和内圆筒(3)之间的间隙内；

S2：均匀磁场发生器在磁性液体(1)的位置处产生磁场强度为Hext的均匀磁场；

S3：内圆筒(3)和外圆筒(2)间隙内的磁性液体做整体刚性旋转运动，磁性液体(1)内产生垂直于外磁场方向上的磁化强度，该磁化强度在内圆筒(3)内部感应出垂直于外磁场方向上的磁场强度H0；

S4：根据磁场传感器(100)测得的磁场强度H0、均匀磁场发生器(101)在磁性液体位置处产生的磁场强度Hext、磁性液体的转速，利用关系式计算磁性液体的磁化弛豫时间；或根据磁场传感器测得的磁场强度H0、均匀磁场发生器在磁性液体位置处产生的磁场强度Hext、磁性液体的转速，利用解析表达式计算磁性液体的磁化弛豫时间。

9.根据权利要求8所述的磁性液体磁化弛豫时间测量装置的应用方法，其特征在于：所述S4中关系式为根据基本物理定律推导得到的磁场强度H0、磁性液体的转速和磁化弛豫时间间的关系式：

其中，τ为磁性液体的磁化弛豫时间，Ω为磁性液体的转速，χ为磁性液体的磁化率，R2为外圆筒内半径，R1为内圆筒外半径。

10.根据权利要求8所述的磁性液体磁化弛豫时间测量装置的应用方法，其特征在于：所述S4中解析表达式为在磁性液体磁化弛豫时间测量装置上测量多种磁性液体的感应磁场后拟合得到的满足预设精度要求的多项式，其中，τ为磁性液体的磁化弛豫时间，Ω为磁性液体的转速，χ为磁性液体的磁化率，f(χ)为磁化率的函数。

说明书

一种磁性液体磁化弛豫时间测量装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及磁性液体物理特性表征技术领域，特别是指一种磁性液体磁化弛豫时间测量装置及方法。

背景技术

[0002] 磁性液体是一种由包覆有表面活性剂的纳米量级铁磁性颗粒悬浮于液体介质中形成的胶体体系，广泛应用于密封、润滑等工程技术领域。实际应用中，当外磁场方向与磁
性液体中颗粒磁矩的方向不一致时，在磁力矩的作用下，磁矩将转向磁场方向，这一过程称
为磁化弛豫，用磁化弛豫时间来表征。在考虑磁化弛豫的磁性液体密封和润滑的理论模型
中，磁化弛豫时间的倒数是其中关键项的系数，因此，准确测量特定磁性液体的磁化弛豫时
间是准确建立理论模型的关键。

[0003] 现有技术中，获得磁化弛豫时间时均须已知磁性液体中磁性颗粒的尺寸。而在实际的磁性液体中，颗粒尺寸并非单一值，而是具有较广的尺寸分布。所以获得磁化弛豫时间
的常规手段是利用动态光散射或小角度中子散射法测量磁性液体中磁性颗粒的尺寸分布，
然后利用磁化弛豫时间的理论表达式计算后得到最终结果。可以看出，常规手段复杂且成
本较高。因此需要一种相对简便且成本较低的测量磁性液体磁化弛豫时间的方法。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种磁性液体磁化弛豫时间测量装置及方法。

[0005] 该装置包括均匀磁场发生器、磁场传感器、外圆筒、内圆筒、注液孔、O型圈、第一端盖、第二端盖、卡簧、外壳、第一轴承、第二轴承、套筒、支撑盘、支撑座、第一联轴器、第二联
轴器、增速机、第一齿轮、第二齿轮、轴、电机、支架及底板，外壳外部设置均匀磁场发生器，
外圆筒和内圆筒之间形成填充磁性液体的间隙，内圆筒内部设置磁场传感器，外圆筒、O型
圈、内圆筒、第一端盖依次连接，外圆筒与内圆筒用螺钉紧固连接，第一轴承内圈紧靠外圆
筒的凸台装入，卡簧安装在内圆筒外侧面的凹槽处，第二轴承内圈紧靠卡簧装入，第一端盖
用螺钉固定在内圆筒上，压紧第二轴承，第一轴承、套筒、第二轴承依次紧靠外壳的凸台装
入，第二端盖用螺钉固定在外壳的上端面上，压紧第二轴承外圈，外壳、支撑盘、支撑座、底
板依次连接，外壳用螺钉安装在支撑盘的上端面上，支撑盘用螺钉安装在支撑座的上端面
上，支撑座用螺钉安装在底板的上表面上，电机、第二联轴器、轴、第二齿轮依次连接，第二
齿轮和第一齿轮啮合，第一齿轮、增速机、第一联轴器、外圆筒底部伸出轴依次连接，增速机
用螺钉安装在支撑盘的内孔台阶处，其中，与增速机高速输出端连接的为第一联轴器，与增
速机低速输入端连接的为第一齿轮，电机通过支架与底板固定连接。

[0006] 注液孔位于内圆筒上方。

[0007] 外圆筒、内圆筒、外壳及套筒由不导磁材料制成；外圆筒、内圆筒的轴向尺寸满足：使填充磁性液体的间隙纵向长度比直径大至少6倍，外圆筒、内圆筒的径向尺寸满足：使填
充磁性液体的间隙宽度至多为外圆筒内径的1/10。

[0008] 第一轴承、卡簧、第二轴承与填充磁性液体间隙的中心位置的纵向距离满足：第一轴承、卡簧、第二轴承引起的磁性液体内磁场的畸变不大于5％；第一轴承、第二轴承包括球
轴承、圆锥滚子轴承、端面球轴承。

[0009] 均匀磁场发生器的位置满足：使产生的磁场方向垂直于磁性液体的旋转轴线，且使磁性液体位于均匀磁场范围内；均匀磁场发生器产生的磁场使磁性液体所在位置处的磁
场强度位于磁性液体的线性磁化范围内；均匀磁场发生器包括亥姆霍兹线圈、麦克斯韦线
圈、Fanselau线圈、永磁体组。

[0010] 第一齿轮、第二齿轮为锥齿轮；第一联轴器、第二联轴器为挠性联轴器；电机为可调速电机。

[0011] 磁场传感器的探头位于内圆筒内部，用于测量垂直于均匀磁场发生器产生的磁场方向上的磁感应强度，磁场传感器包括霍尔传感器、特斯拉计。

[0012] 具体包括步骤如下：

[0013] S1：将待测磁性液体通过注液孔注入至外圆筒和内圆筒之间的间隙内；

[0014] S2：均匀磁场发生器在磁性液体的位置处产生磁场强度为Hext的均匀磁场；

[0015] S3：内圆筒和外圆筒间隙内的磁性液体做整体刚性旋转运动，磁性液体内产生垂直于外磁场方向上的磁化强度，该磁化强度在内圆筒内部感应出垂直于外磁场方向上的磁
场强度H0；

[0016] S4：根据磁场传感器测得的磁场强度H0、均匀磁场发生器在磁性液体位置处产生的磁场强度Hext、磁性液体的转速，利用关系式计算磁性液体的磁化弛豫时间；或根据磁场
传感器测得的磁场强度H0、均匀磁场发生器在磁性液体位置处产生的磁场强度Hext、磁性液
体的转速，利用解析表达式计算磁性液体的磁化弛豫时间。

[0017] 其中，S4中关系式为根据基本物理定律推导得到的磁场强度H0、磁性液体的转速和磁化弛豫时间间的关系式，

[0018]

[0019] 其中，τ为磁性液体的磁化弛豫时间，Ω为磁性液体的转速，χ为磁性液体的磁化率，R2为外圆筒内半径，R1为内圆筒外半径。

[0020] 解析表达式为在本实验装置上测量多种磁性液体的感应磁场后拟合得到的满足预设精度要求的多项式；

[0021]

[0022] 其中，τ为磁性液体的磁化弛豫时间，Ω为磁性液体的转速，χ为磁性液体的磁化率，f(χ)为磁化率的函数。

[0023] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：

[0024] 上述方案中，通过测量刚性旋转的磁性液体环内产生的垂直于外磁场方向上的磁场强度，并通过根据基本物理定律推导得到的关系式或者多组实验拟合得到的解析表达式
计算磁化弛豫时间，能够实现磁性液体磁化弛豫时间的简便且低成本地测量。

附图说明

[0025] 图1为本发明实施例提供的装置主视图；

[0026] 图2为本发明实施例提供的装置俯视图；

[0027] 图3为本发明实施例提供的装置左视图。

[0028] 其中：1‑磁性液体，2‑外圆筒，3‑内圆筒，5‑O型圈，6‑卡簧，7‑外壳，9‑套筒，11‑第二端盖，13‑第一端盖，16‑支撑盘，18‑支撑座，19‑底板，21‑第一联轴器，23‑增速机，25‑轴，
26‑第二联轴器，27‑电机，28‑支架，31‑注液孔，81‑第一轴承，82‑第二轴承，100‑磁场传感
器，101‑均匀磁场发生器，241‑第一齿轮，242‑第二齿轮。

具体实施方式

[0029] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

[0030] 本发明提供一种磁性液体磁化弛豫时间测量装置及方法，如图1、图2及图3所示。

[0031] 该装置包括均匀磁场发生器101，磁场传感器100，外圆筒2，内圆筒3，注液孔31，O形圈5，第一端盖13、第二端盖11，卡簧6，外壳7，第一轴承81、第二轴承82，套筒9，支撑盘16，
支撑座18，第一联轴器21、第二联轴器26，增速机23，第一齿轮241、第二齿轮242，轴25，电机
27，支架28，底板19。

[0032] 外壳7外部设置均匀磁场发生器101，外圆筒2和内圆筒3之间形成填充磁性液体1的间隙，内圆筒3内部设置磁场传感器100。

[0033] 外圆筒2、O形圈5、内圆筒3、第一端盖13依次连接，外圆筒2和内圆筒3用螺钉紧固连接；第一轴承81内圈紧靠外圆筒2的凸台装入，卡簧6安装在内圆筒3外侧面的凹槽处，第
二轴承82内圈紧靠卡簧6装入，将第一端盖13用螺钉固定在内圆筒3上，压紧第二轴承82；第
一轴承81、套筒9、第二轴承82依次紧靠外壳7的凸台装入，将第二端盖11用螺钉固定在外壳
7的上端面上，压紧第二轴承82外圈；外壳7、支撑盘16、支撑座18、底板19依次连接，将外壳7
用螺钉安装在支撑盘16的上端面上，将支撑盘16用螺钉安装在支撑座18的上端面上，将支
撑座18用螺钉安装在底板19的上表面上；电机27、第二联轴器26、轴25、第二齿轮242依次连
接，第二齿轮242和第一齿轮241啮合，第一齿轮241、增速机23、第一联轴器21、外圆筒2底部
伸出轴依次连接，将增速机23用螺钉安装在支撑盘16的内孔台阶处，其中，与增速机23高速
输出端连接的为第一联轴器21，与增速机23低速输入端连接的为第一齿轮241；电机27通过
支架28与底板19固定连接，支架28用螺钉安装在底板19的上表面上。

[0034] 注液孔31位于内圆筒3上方，测量时将待测磁性液体1通过注液孔31注入至外圆筒2和内圆筒3之间的间隙内，在注入过程中，使用一永磁体置于外圆筒2底部，可有利于磁性
液体1流入间隙。

[0035] 外圆筒2、内圆筒3、外壳7、套筒9、螺钉均由不导磁材料制成。

[0036] 外圆筒2、内圆筒3的轴向尺寸满足：使填充磁性液体1的间隙的纵向长度比直径大6倍以上，外圆筒2、内圆筒3的径向尺寸满足：使填充磁性液体1的间隙宽度至多为外圆筒2
内径的1/10。

[0037] 第一轴承81、卡簧6、第二轴承82与填充磁性磁液1间隙的中心位置间的纵向距离满足：因第一轴承81、卡簧6、第二轴承82引起的磁性液体1内磁场的畸变不大于5％。

[0038] 均匀磁场发生器101用于在磁性液体1的位置处产生一定磁场强度Hext的均匀磁场，均匀磁场发生器101的位置满足：使产生的磁场方向垂直于磁性液体1的旋转轴线，且使
磁性液体1位于均匀磁场范围内，均匀磁场发生器101产生的磁场满足：使磁性液体1所在位
置处的磁场强度位于磁性液体1的线性磁化范围内。

[0039] 第一齿轮241、第二齿轮242为锥齿轮。

[0040] 填充在外圆筒2、内圆筒3间间隙内的磁性液体1在电机27、第二联轴器26、轴25、第二齿轮242、第一齿轮241、增速机23、第一联轴器21、外圆筒2、内圆筒3的带动下做整体刚性
旋转运动，由于磁性液体的磁化弛豫效应，在磁性液体1内产生了垂直于外磁场方向上的磁
化强度，该磁化强度在内圆筒3内部感应出垂直于外磁场方向上的磁场强度H0。

[0041] 磁场传感器100的探头位于内圆筒3内部，用于测量垂直于磁场发生器101产生的磁场方向上的磁感应强度。

[0042] 根据磁场传感器100测得的磁场强度H0、均匀磁场发生器101在磁性液体1位置处产生的磁场强度Hext、磁性液体1的转速和关系式计算磁性液体1的磁化弛豫时间，其中，关
系式为根据基本物理定律推导得到的磁场强度H0、磁性液体1的转速和磁化弛豫时间间的
关系式。

[0043] 其中，该关系式为：

[0044]

[0045] τ为磁性液体的磁化弛豫时间，Ω为磁性液体的转速，χ为磁性液体的磁化率，R2为外圆筒内半径，R1为内圆筒外半径。

[0046] 或，根据磁场传感器100测得的磁场强度H0、均匀磁场发生器101在磁性液体1位置处产生的磁场强度Hext、磁性液体1的转速和解析表达式计算磁性液体1的磁化弛豫时间，其
中，解析表达式为在本实验装置上测量多种磁性液体的感应磁场后拟合得到满足预设精度
要求的多项式。

[0047] 其中，该解析表达式可以通过以下方法得出：

[0048] S11：选定三种以上的已知磁化弛豫时间τi的磁性液体作为标定磁性液体，并测量得到他们的磁化率χi(其中i表示第i种磁性液体)；

[0049] S12：应用本发明的装置测量得到每一种磁性液体在一定的磁性液体转速Ω和一定的外磁场Hext条件下的感应磁场强度H0，i；

[0050] S13：设置磁化率的函数f(χ)与磁化率γ的多项式：

[0051] S14：根据步骤S11和S12得到的χi和f(χi)＝H0，i/(HextΩτi)之间的一一对应关系，采用最小二乘法拟合所述多项式，获得所述多项式的参数；

[0052] S15：建立磁性液体磁化弛豫时间与函数f(χ)、外磁场Hext、感应磁场H0、磁性液体转速Ω间的关系：

[0053]

[0054] S16：将该表达式输出的磁化弛豫时间与标定磁性液体的磁化弛豫时间进行比较，若表达式输出的磁化弛豫时间与标定磁性液体的磁化弛豫时间之间的误差小于等于预设
阈值，则拟合结束，否则，修正多项式的次数并返回S14。

[0055] 对于上述两种磁性液体磁化弛豫时间的计算方法，测量时可在多个磁性液体转速条件下进行实验，并取他们结果的平均值作为磁化弛豫时间的最终结果，可减小测量误差。

[0056] 在一种可能的实现方式中，第一轴承81和第二轴承82包括：球轴承、圆锥滚子轴承、端面球轴承。

[0057] 在一种可能的实现方式中，均匀磁场发生器101包括：亥姆霍兹线圈、麦克斯韦线圈、Fanselau线圈、永磁体组。

[0058] 在一种可能的实现方式中，磁场传感器100包括：霍尔传感器、特斯拉计。

[0059] 在一种可能的实现方式中，第一联轴器21和第二联轴器26为挠性联轴器。

[0060] 在一种可能的实现方式中，电机27为可调速电机。

[0061] 本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序
在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光
盘等各种可以存储程序代码的介质中。

[0062] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也
应视为本发明的保护范围。