当磁流变液受到外加磁场作用时，其流动特性会发生显著的变化，其的粘度会急剧增大，屈服应力成数量级增加，表现出类似固体的性质，当撤除外加磁场作用时，流体又迅速恢复原来的流动性质。磁流变液在液态和固态之间发生的转换具有如下特性：转换是无级可逆的；转换是可控的；转换的控制仅需电流；转换对控制的响应仅需毫秒级的时间；控制转换所需能耗很低。利用这种可控的流变学特性开发的可控器件，以其机械结构简单、功耗低、响应时间短和调节范围宽等优点，可以广泛用于建筑结构振动控制、机械系统振动控制和武器系统振动控制等重要领域。
目前公开的磁流变液流变学特性检测原理采用流动模式和剪切模式，对基于剪切模式的检测方法而言，为了得到均匀磁场，很多装置是将整个剪切机构置于线圈内，这样造成其磁路体积很庞大；受线圈体积限制，其旋转半径无法增大，这样造成通道内磁流变液的剪切应变率受到限制，无法完成高剪切速率下的测试；施加在磁流变液上的磁场无法达到饱和；对基于流动模式的检测装置而言，虽然可以达到很高的磁场，但磁流变液在管道中的推动速度无法提高，造成剪切速率受限，无法完成高剪切速率下的测试。

为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种新型的磁流变液流变学特性检测方法与装置，利用旋转圆筒双边剪切工作模式，将磁流变液作为力矩传递介质，通过间接检测磁流变液经受的剪切率、磁流变液的剪切应力和磁流变液经受的外加磁感应强度，得出在一定服役温度和规定磁场作用下，剪切应力与剪切率的关系(流变学特性)。其原理如下：磁流变液在外加磁场作用下流变学特性发生变化，导致传递力矩发生变化，利用力矩检测仪检测磁流变液传递的力矩，结合双边环形剪切通道中磁流变液传递力矩与剪切应力的理论关系间接得出剪切应力；利用磁流变液在环形通道中流动时剪切率与转子角速度的关系，通过光电角速度计间接检测磁流变液的剪切应变率；励磁线圈中励磁电流与通道中磁感应强度的关系，通过检测励磁线圈的电流强度，间接检测通道中磁感应强度，同时利用红外线温度传感器检测磁流变液的工作温度，以便监视检测过程中的温度变化。对间接检测得到的力矩参数、角速度参数和电流参数进行数据处理，绘制在规定磁感应强度和工作温度条件下剪切应力与剪切应变的关系曲线，输出磁流变液的流变学参数。
本发明所采用的技术方案如下：
一种磁流变液流变学特性检测装置，该装置包括磁场发生器、转子的动力传动机构、双边环形剪切机构、力矩传递组件、磁流变液、测量装置与数据处理系统；
所述剪切机构由环形剪切通道和转子圆筒组成，环形剪切通道内注入磁流变液，转子圆筒与环形通道的中心由中心定位钢球控制，中心定位钢球同时控制转子圆筒插入环形剪切通道的深度；
所述磁场发生器设置在所述剪切机构的下部，其包括励磁线圈和磁路部分，励磁线圈中励磁电流产生的磁场沿径向通过环形剪切通道，即当转子圆筒旋转使得磁流变液沿周向发生剪切时，所述励磁电流产生的磁场磁通方向与磁流变液剪切的方向垂直，通过改变励磁电流控制磁场强度；
所述转子的动力传动机构包括交流变频器、交流电机、主动带轮、传动带、从动带轮、从动轴，从动轴与所述转子圆筒固定连接，使用交流变频器改变输入电源的频率无级调节交流电机的输出转速，并通过主动带轮、传动带、从动轴带动转子圆筒在所述环形剪切通道中转动，实现转子圆筒对所述磁流变液的剪切角速度无级可调；
所述力矩传递组件由传递环、芯轴和下端盘组成，三者通过螺纹连接而成，传递环与下端盘通过螺钉连接。当磁流变液受到所述转子圆筒的剪切时，转子圆筒的转动力矩通过上端盘，芯轴、外环筒、下端盘，使用检测装置中的力矩传感器检测传动盘的转动力矩从而间接测量所述转子圆筒的转动力矩。
所述测量装置与数据处理系统包括力矩检测装置、转子圆筒角速度检测装置、磁场检测装置和温度检测装置，分别用于实现对所述磁流变液传递的力矩、转子圆筒角速度、励磁电流和磁流变液的服役温度检测，所述各检测装置的输出与数据处理系统的输入相连，将检测数据输入至数据处理系统；数据处理系统通过对检测数据的处理和计算得到磁流变液经受的剪切应力值、磁流变液经受的剪切率值、通过磁流变液的磁通密度，结合磁流变液的服役温度检测数据，绘制在规定磁感应强度和工作温度条件下剪切应力与剪切应变的关系曲线，输出磁流变液的流变学参数。
本发明进一步提出一种根据上述检测装置的磁流变液流变学特性的检测方法，该方法包括以下步骤：
(1)建立磁流变液的双边环形剪切机构：通过同轴的两个转子圆筒插入一个注入磁流变液的环形剪切通道，所述转子圆筒与环形剪切通道同轴；
(2)在双边环形剪切机构的下方建立磁场发生器：磁通径向作用于剪切通道中的磁流变液，转子圆筒旋转使得磁流变液沿周向发生剪切，磁通的方向与磁流变液剪切的方向垂直；
(3)通过对交流电机的变频无级调速带动转子圆筒的转动，实现转子圆筒对所述磁流变液的剪切角速度无级可调；
(4)检测所述转子圆筒的转动力矩、转子圆筒角速度、磁场发生器的励磁电流和磁流变液的服役温度；
利用磁流变液在环形槽中经受的标称剪切应力与转子圆筒的转动力矩之间的以下关系，间接检测磁流变液标称剪切应力由表达式(1)确定：
(5)通过检测转子圆筒的角速度，利用磁流变液在环形槽中经受的标称剪切率与转子圆筒角速度之间的以下关系，间接检测磁流变液的标称剪切应变由表达式(3)确定：
(6)通过检测不同励磁电流作用下剪切通道中的磁通，得出磁通密度与励磁电流的关系，采用最小二乘法对磁场数据按照三次方程进行回归，得到磁流变液流变学特性检测装置剪切通道中的磁感应强度与励磁电流的系列关系由表达式(4)确定：
(7)根据步骤(5)、(6)、(7)所计算得到磁流变液经受的剪切应力值、磁流变液经受的剪切率(剪切率还是剪切应变即使是一个概念，也应当统一名称，请申请人选择确定)值、磁感应强度值，结合磁流变液的服役温度检测数据，绘制在规定磁感应强度和工作温度条件下剪切应力与剪切应变的关系曲线，输出磁流变液的流变学参数。
本发明具有以下优点：
(一)将环形剪切通道设置在磁场发生器的上部，磁通径向作用于剪切通道中的磁流变液，而转子圆筒旋转使得磁流变液沿周向发生剪切，满足磁通的方向与磁流变液剪切的方向垂直的设计准则，充分发挥磁流变液的磁流变效应，提高检测装置的分辨率；
(二)将环形剪切通道设置在磁场发生器的上部，可以增大旋转圆筒的半径，在较低转速条件下使磁流变液获得较高的剪切率，避免离心力引起磁流变液飞溅和表面弯月效应对检测结果的影响，同时可以有效提高磁流变液的剪切率；
(三)采用双边环形剪切模式使磁流变液传递的力矩增大一倍，可以有效提高力矩检测的灵敏度，进而提高检测装置的灵敏度；
(四)采用交流变频器实现对转子圆筒转速的无级调节，可以实现磁流变液剪切率的无级控制，从而实现磁流变液流变特性的无间断检测；
(五)磁场发生器中的磁路均采用磁饱和强度高、磁导率高的软磁材料(电工纯铁、低碳钢、铁镍合金、铁铝合金等)，结合励磁线圈和剪切通道的铝合金底板，可以使剪切通道中的磁通密度超过磁流变液的饱和磁化强度，从而实现磁流变液在各种磁场条件下的检测；
(六)转子角速度检测采用光电脉冲式角速度计，在转子上均匀布置反光片，可以提高转子角速度的检测精度；
(七)利用中心定位钢球对转子圆筒实现径向和轴向定位，可确保转子圆筒与环形剪切通道同轴，实现剪切通道径向均匀，同时可以精确控制转子圆筒的深入深度，确保剪切机构结构参数的准确；
(八)剪切通道外置可以利用非接触式温度计方便检测磁流变液的温度变化，进而探索温度对磁流变效应的影响；
(九)建立励磁电流与剪切通道中磁通密度的关系后，对要求的磁通密度可以反求其励磁电流的大小，也可以实现磁通密度的不间断控制，探索磁流变效应的诱发磁通密度、饱磁通密度和非线性特性。
附图说明：
图1是本发明磁流变液检测方法实现原理图；
图2是本发明磁流变液测试装置工作原理图；
图3是本发明是磁流变液检测实现方法图与安装图；
图4是环形剪切通道结构图；
图5是环形剪切通道中磁流变液的流动特性示意图。
具体实现方式：
参照图1，本发明所涉及的磁流变液检测方法与装置为双边环形剪切模的检测，装置包括转子的动力传动机构、磁流变液剪切机构、磁场发生器和数据采集与处理系统。
动力传动机构由电机33、主动带轮34、传动带35、立柱36、支架37、从动轴组件38及其升降装置41等组成。三相交流电源接入交流变频器42，通过改变输入电源的频率无级调节电机的输出转速。电机33的动力通过主动带轮34、传动带35、从动轴组件38传递到磁流变液剪切机构的转子圆筒，转子圆筒的角速度便是无级可调的。
参照图2、3和4，本发明的磁流变液剪切机构40包括转子圆筒1、磁流变液剪切通道2、力矩传递组件5、支承钢球6、环形支承座7、底板8、力矩传感器9。转子圆筒1由圆筒23和驱动圆盘25组成，两者之间通过螺纹连接；磁流变液剪切通道2由外环22、内环32和连接盘31组成，三构件通过粘接组合而成；力矩传递组件5由传递环4、芯轴24和下端盘10组成，三者通过螺纹连接而成，传递环4与下端盘10通过螺钉17连接。下端盘10的下部设置环形沟槽，环形支承座7(12)的上部设置相同半径的环形沟槽，两环形沟槽与支承钢球15对剪切机构本体进行定位和支承。力矩传感器9与传递盘10之间通过螺钉14连接，力矩传感器9与底板11通过平键30连接。圆盘25的中心孔与定位钢球26接触，芯轴24上部中心孔与定位钢球26接触，确保转子圆筒23的插入深度，同时确保剪切通道的回转中心与转子圆筒23的回转中心同轴。转子圆筒1由从动轴组件驱动，绕回转中心的转动使得剪切通道2中的磁流变液产生剪切效应，转子圆筒1的转动力矩通过磁流变液传递到剪切通道的外环22和内环32，进一步传递到力矩传递组件5，由于支承钢球6的旋转阻力矩非常小，转动力矩通过螺钉14最终传递到力矩传感器9的输入端27，转动力矩使力矩传感器9的输入端与固定端13之间产生一定的转角，力矩信号通过引出线29输出。
参照图2、3和4，磁场发生器3由励磁线圈19、芯轴24、下端盘17、外环筒18、上端盘22、磁流变液和转子圆筒23组成。芯轴24、下端盘17、外环筒18、上端盘22、磁流变液和转子圆筒23均采用磁饱和强度高、磁导率高的软磁材料(电工纯铁、低碳钢、铁镍合金、铁铝合金等)；剪切通道的铝合金底板，其低磁导率使励磁磁场通过磁流变液；驱动圆盘25由低磁导率、强度较高的不锈钢制造，以防磁磁场通过驱动圆盘25影响内外剪切通道的磁场差异，励磁线圈19的外部涂环氧树脂20对其进行固定。数显可调电流源的输出电流通过励磁线圈的引出线28进入励磁线圈19，产生的磁通通过芯轴24、下端盘17、外环筒18、上端盘22的外剪切通道中的磁流变液、转子圆筒23上端盘22的内剪切通道中的磁流变液，回到芯轴24，形成闭合磁路。在剪切通道内磁通的方法沿径向分布，满足磁流变检测仪器的设计准则。励磁线圈中电流的大小可以直接控制，剪切通道中的磁通密度，而且可以实现连续调节。
参照图1，数据采集与处理系统39由力矩检测、转速检测(转子圆筒角速度检测)、磁通密度检测(励磁电流检测)和温度检测四个部分组成。力矩检测由力矩传感器和力矩检测仪组成，其输出直接通过RS232接口输入到数据处理计算机；转子圆筒角速度检测采用光电脉冲式角速度计，在转子上均匀固定反光片，光电脉冲式角速度计发出激光，当激光正对反光片时，激光反射到接收器上，计算单位时间内的脉冲数，可以得出转子角速度，其输出通过RS232接口输入到数据处理计算机；磁通密度检测利用霍尔元件来实现，建立励磁电流与磁感应强度之间的关系，在磁流变液检测过程中间接检测磁感应强度，电流输出信号通过RS232接口输入到数据处理计算机；磁流变液服役温度检测通过红外线温度传感器实现，其输出通过RS232接口输入到数据处理计算机。数据处理系统通过表达式1得出磁流变液经受的剪切应力值，通过表达式3得出磁流变液经受的剪切率值，通过表达式4得出通过磁流变液的磁通密度，结合磁流变液的服役温度检测数据，绘制在规定磁感应强度和工作温度条件下剪切应力与剪切应变的关系曲线，输出磁流变液的流变学参数。
如图2所示，利用上述检测装置的磁流变液的流变学特性检测方法如下：首先建立磁流变液的双边环形剪切机构：通过同轴的两个转子圆筒插入一个注入磁流变液的环形剪切通道，所述转子圆筒与环形剪切通道同轴；在双边环形剪切机构的下方建立磁场发生器：磁通径向作用于剪切通道中的磁流变液，转子圆筒旋转使得磁流变液沿周向发生剪切，磁通的方向与磁流变液剪切的方向垂直；通过对交流电机的变频无级调速带动转子圆筒的转动，实现转子圆筒对所述磁流变液的剪切角速度无级可调；检测所述转子圆筒的转动力矩、转子圆筒角速度、磁场发生器的励磁电流和磁流变液的服役温度；
理论研究表明磁流变液在双边环形剪切通道中发生剪切是的流动可分为刚性区域和流动区域，如图5所示，利用磁流变液流动区域的角速度分布，得出本发明利用磁流变液力矩传递的特性，力矩检测仪得到的检测力矩MT标称剪切应力τB的关系如下：
${\tau }_B=\frac{1}{4\mathrm{\pi h}}\frac{M_T}{r_2^2+r_Y^2+R_Y^2+R_1^2}(\frac{r_2^2+r_Y^2}{r_2^2}+\frac{R_1^2+R_Y^2}{R_1^2})---\left(1\right)$
式中，r1和r2分别是内剪切通道的内半径和外半径，rY是一定磁场作用下内剪切通道中屈服流动的分界半径，R1和R2分别是外剪切通道的内半径和外半径，RY是一定磁场作用下外剪切通道中屈服流动分界半径，h是转子圆筒插入深度。rY和RY分别按照下式确定：
$\left\{\begin{array}{c}{r}_Y=\sqrt{1-\frac{2\mathrm{\eta \Omega }}{{\tau }_Y}}·r_2\\ R_Y=\sqrt{1+\frac{2\mathrm{\eta \Omega }}{{\tau }_Y}}·R_1\end{array}\right.---\left(2\right)$
式中，Ω是转子圆筒的角速度，η是磁流变液的塑性粘度，τY是磁流变液的剪切屈服强度。
本发明利用磁流变液在剪切通道中的剪切率分布特性，转子圆筒角速度Ω与磁流变液经受的剪切率的关系如下：
$\stackrel{·}{\gamma }=\frac{1}{2}(\frac{r_y^2+r_2^2}{r_2^2-r_y^2}+\frac{R_1^2+R_y^2}{R_y^2-R_1^2})\Omega ---\left(3\right)$
本发明利用磁流变液在剪切通道作为磁路的一组成部分，采用磁通计检测不同励磁电流作用下剪切通道中的磁通，得出磁通密度与励磁电流的关系，利用Matlab软件采用最小二乘法对磁场数据按照三次方程进行回归，得到磁流变液流变学特性检测装置剪切通道中的磁感应强度与励磁电流的关系：
B＝a·I3+b·I2+c·I+d    (4)
通过对力矩、角速度和励磁电流的检测，可以得出在不同磁场作用下磁流变液的剪切应力与剪切率的关系，以剪切应力为纵坐标，以剪切率为横坐标，分别绘制不同磁场作用下的关系曲线，利用最小二乘法可以得出不同描述模型的参数，从而实现对磁流变液流变学特性的检测。