磁性液体悬浮性能测试智能装置的研制

王 超， 施培杰， 雷 宇， 李学慧， 部德才

(大连大学 物理科学与技术学院，辽宁 大连 116622)



·仪器设备研制与开发·

磁性液体悬浮性能测试智能装置的研制

王 超， 施培杰， 雷 宇， 李学慧， 部德才

(大连大学 物理科学与技术学院，辽宁 大连 116622)

针对现有磁性液体视密度测量装置在实际测量过程中的繁琐及实验误差较大的弊端，设计了一台磁性液体悬浮性能测试智能装置，并以此通过计算机界面在线显示磁性液体悬浮性能的测试过程和规律曲线。结果表明,悬浮性能与磁场强弱、磁场梯度大小相关，磁场越强，梯度越大的液层，磁性液体悬浮性能越强。智能装置使纳米磁性液体悬浮性能的整个测试过程和测试方法更加简单直观，整体实验误差较小。通过对其影响因素所进行的理论分析，可为磁性液体在矿山选矿、物质分离等方面的潜在应用提供理论基础。

磁性液体； 悬浮性能； 力敏传感器； 智能装置

0 引 言

磁性液体是由纳米磁性微粒经具有极性表面活性剂单分子层(2 nm)包覆再与适当载液充分混合而制成的固-液相溶胶体溶液，是一种受磁场控制、对磁场敏感、可流动的液体功能材料。无外加磁场作用时，纳米磁性微粒均匀分布在载液中，微粒的磁矩取向各异，整体对外不显磁性；施加外磁场作用时，纳米磁性微粒呈梯度分布，微粒的磁矩沿磁场方向取向，受外加磁力的作用，纳米磁性微粒将发生移动且分布不均匀[1]。检测磁场中纳米磁性微粒的分布规律将对选矿、分离等技术有着深远意义[2-4]。目前，检测这种液体功能材料微粒分布的仪器不多。李学慧等所发明的磁流体表观密度测量仪[5-6]是采用液体静力称衡法测量磁性液体的表观密度，且测量误差较大，而研制的磁性液体悬浮性能测试智能装置是采用非平衡电桥[7]测量磁性液体中纳米微粒的分布，其规律曲线直接在计算机屏幕呈现，测量精度较高。该仪器的研制将进一步拓展磁性液体在选矿、分离等技术上的应用[8-10]。

1 智能装置的设计

根据磁性液体处于磁场中纳米磁性微粒的自组织行为显示的悬浮性能(视密度)和硅压力敏传感器的功能，设计并搭建了磁性液体悬浮性能的智能测试装置(CXZZ)。

1.1 利用传感器实现力-电信号转换

如图1所示，硅压力敏传感器由4个硅扩散电阻集成1个非平衡电桥。当有拉力作用于弹性梁上时，电桥失去平衡将输出电压信号，经过放大和信号处理，其输出电压与拉力成正比，即：

U=BF

(1)

式中:U输出电压;F为硅压力敏传感器所受拉力;B为硅压力敏传感器灵敏度。

1-力臂固定点, 2-弹性梁, 3-传感器芯片, 4-挂钩, 5-测锤

图1 硅压力敏传感器结构及芯片电路图

不难看出，硅压力敏传感器能够将非铁材料测锤5所受的力信号转化成可视的电压信号[11-12]。

1.2 利用“非平衡电桥”测试磁性液体的悬浮性能

将设计的测锤5挂在力敏传感器挂钩4上，则挂钩4受到拉力F作用，根据式(1)能够获得磁性液体的悬浮性能与可视电压信号的函数关系式：

(2)

式中：U代表测锤在空气中的电压；Uw代表测锤在蒸馏水中的电压；Us代表测锤在磁性液体中的电压。只要分别测出U、Uw、Us，便可求出磁性液体处于某一液层的视密度ρs，即能够获得磁性液体悬浮性能的变化规律。

2 装置结构及其功能

2.1 装置结构

如图2所示，整个CXZZ由测试单元、控制单元、数据采集与处理单元、通信接口等部分构成。其中测试单元由励磁线圈、测锤、试管、力敏传感器、升降台等构成；控制单元由励磁电源、磁性液体悬浮性能控制器构成；数据采集与处理单元由力敏传感器、计算机显示器构成。

(a) CXZZ结构简图

(b) CXZZ实物图

通过励磁线圈为待测磁性液体样品提供非均匀磁场，通过改变励磁线圈电流大小来改变磁场强度，利用步进电机控制升降台改变测锤处于磁场中高度，实现不同梯度磁场下测试磁性液体的悬浮性能。

2.2 装置功能及测试方法

2.2.1 测试单元

如图2所示，测试单元主要功能在于将力敏传感器检测到的测锤受力信息转换成可视的电压信息，不同环境(空气、蒸馏水、磁性液体)下测锤的受力信息不同，其转换电压信息亦不相同。利用不同条件、不同环境下的转换电压即可获得磁性液体的悬浮性能。

具体测试方法如下：

(1) 将测锤挂在传感器的挂钩上，测锤将受到重力mg、拉力F作用：

mg=F=U/B

(3)

(2) 将测锤吊入密度为ρw蒸馏水中，测锤将受到重力mg、拉力Fw和浮力ρwVg作用：

mg-Fw=ρwVg,Fw=Uw/B

式中:V是测锤体积;ρw是蒸馏水密度;Uw是水中的转换电压。

(3) 将悬挂的测锤吊入磁性液体中，测锤将受到重力mg、拉力Fs和浮力ρsVg作用：

mg-Fs=ρsVg,Fs=Us/B

式中：Us是磁性液体中的转换电压。由式(1)～(3)可得：

式中：ρs表示磁性液体的视密度，即磁性液体的悬浮性能。

2.2.2 自动控制与数据采集

自动控制单元是基于LabVIEW软件开发平台实现对可调励磁电源的控制。首先是单片机的控制信号传输到步进电机，以此来调控测试单元中升降台的位置；其次是单片机通过串行口与上位机相连，实现对励磁电源的控制，来调节励磁线圈电流的大小，实现测试单元环境条件(磁场)的改变。

如图3所示，测试单元主要由梯度磁场(力敏传感器、励磁线圈)和可控升降台(步进电机、上下光电门)等构成，其磁性液体悬浮性能控制器(见图4)将实现可控升降台和数据的采集。所谓“传感显示”显示的是力敏传感器实时采集的电压值。

图3 测试单元的组成

图4 磁性液体悬浮性能控制器面板

2.2.3 数据的传输及处理

智能装置数据的传输和处理是经过信号放大器和AD转换器进入单片机软件处理系统，其磁性液体悬浮性能测量的计算机控制面板如图5所示。

3 数据测量与分析

3.1 固定磁场，改变高度

图5 磁性液体悬浮性能测量的计算机控制面板

固定磁场(即固定电流)，将步进电机按设定高度使升降台上升，即测锤上升相应高度，可得到磁性液体悬浮性能值及曲线点；等差值改变高度值，测得磁性液体在固定磁场(电流)条件下，其悬浮性能随高度的变化曲线如图6所示。

图6 磁性液体悬浮性能随高度变化

从图6可以看出，在同一电流(磁场)作用下，不同液层磁性液体的视密度值不同，距离磁场近的液层，磁性液体的视密度大。说明磁性液体中纳米磁性微粒聚集的多，即悬浮性能越强。

3.2 固定高度，改变磁场

设定一个固定高度，改变电流值(改变磁场)，可得到磁性液体视密度值及曲线点；等差值改变电流值，得到磁性液体在固定高度条件下其视密度随电流的变化曲线，如图7所示。

图7 磁性液体视密度随励磁电流的变化

从图7可以看出，在同一液层，不同电流(磁场)情况下，磁性液体的视密度值不同，随着励磁电流的增加而增大，说明磁性微粒的分布与外磁场的强度有关。随着外磁场强度的增加，曲线的间隔越来越小，说明趋于磁性液体饱和磁化时，微粒在不同液层的分布变化不大[13-15]。

4 结 论

(1) 智能装置能够方便、准确在线显示磁性液体悬浮性能与磁场梯度的变化规律曲线。

(2) 磁性液体中纳米磁性微粒受磁场影响，在磁场作用下，纳米磁性微粒出现自组织行为，无论是“固定磁场，改变高度”还是“固定高度，改变磁场”，其分布都是非均匀的，磁场梯度越大的液层，磁性液体视密度越大，即磁性液体悬浮性能越强。

(3) 该仪器既能用于大学生软磁材料的设计性实验研究，又能用于企业分选密度不同的物质，在矿山选矿、医疗分离等方面具有潜在应用价值。

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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

国家自然科学基金资助项目(51077006)；辽宁省大学生创新训练项目(201411258035)；大连大学大学生创新创业训练计划重点项目(2013088)；大连大学大学生创新创业训练计划重点项目(2015095)

王 超(1995-)，男，陕西渭南人，本科生，现主要从事等离子体技术制备纳米功能材料研究。

Tel.: 18340809331; E-mail: 429364783@qq.com

部德才(1972-)，男，黑龙江宁安人，博士生，讲师，现主要从事等离子体技术制备纳米功能材料研究。

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

TH 136

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1006-7167(2016)09-0047-04