阅读说明：本技术 可调控时效的磁流体沙漏实验装置及其时间调节方法 (Magnetic fluid hourglass experimental device with adjustable aging and time adjusting method thereof ) 是由 刘杰 唐洪宇 刘海亮 石谦 谢晓康 李洪亚 李政 杜卓兴 李运舟 杨浩宇 徐曜冬 于 2020-06-19 设计创作，主要内容包括：一种可调控时效的磁流体沙漏实验装置及其时间调节方法,包括沙漏本体,沙漏本体的上下两端均设有电磁铁线圈,沙漏本体内装有磁流体,沙漏本体与控制盒连接,控制盒内设置有控制电路,控制电路包括电源,电源与电阻调节器、电源开关和电磁铁线圈串联设置。本发明通过调节电阻调节器电阻值大小,从而调节控制回路电流大小,电流大小会影响电磁铁线圈产生的磁场强度大小,磁场强度会影响磁流体下落时间,从而完成了磁流体沙漏实验装置的时间可调性。(The magnetic fluid hourglass experimental device comprises an hourglass body, electromagnet coils are arranged at the upper end and the lower end of the hourglass body, magnetic fluid is filled in the hourglass body, the hourglass body is connected with a control box, a control circuit is arranged in the control box, the control circuit comprises a power supply, and the power supply is connected with a resistance regulator, a power switch and the electromagnet coils in series. According to the invention, the resistance value of the resistance regulator is regulated, so that the current of the control loop is regulated, the current can influence the magnetic field intensity generated by the electromagnet coil, and the magnetic field intensity can influence the falling time of the magnetic fluid, thereby completing the time adjustability of the magnetic fluid hourglass experimental device.)

可调控时效的磁流体沙漏实验装置及其时间调节方法

技术领域

本发明属于沙漏领域，特别涉及一种可调控时效的磁流体沙漏实验装置及其时间调节方法。

背景技术

普通沙漏存在的问题是：计量时间固定，无法调节计时的时间长短。中国专利文献CN 209118083 U记载了一种“可调计时时间的沙漏”，采用了机械结构来调节沙子下料的时间，该方法调节时间不精确。

磁流体是一种新型的功能材料，它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性。是由直径为纳米量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒、基载液以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性，正因如此，它才在实际中有着广泛的应用，在理论上具有很高的学术价值。用纳米金属及合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于各种苛刻条件的磁性流体密封、减震、医疗器械、声音调节、光显示、磁流体选矿等领域。

因此，怎样利用磁流体的特性来制造一个时间可调的沙漏是本技术方案要解决的技术问题，并且时间调节的精准性是本技术方案要克服的难题。

发明内容

鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的可调控时效的磁流体沙漏实验装置及其时间调节方法，通过调节电阻调节器电阻值大小，从而调节控制回路电流大小，电流大小会影响电磁铁线圈产生的磁场强度大小，磁场强度会影响磁流体下落时间，从而完成了磁流体沙漏实验装置的时间可调性。

为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：

一种可调控时效的磁流体沙漏实验装置及其时间调节方法，包括沙漏本体，沙漏本体的上下两端均设有电磁铁线圈，沙漏本体内装有磁流体，沙漏本体与控制盒连接，控制盒内设置有控制电路，控制电路包括电源，电源与电阻调节器、电源开关和电磁铁线圈串联设置。

优选的方案中，所述的电阻调节器为旋钮式电阻调节器，旋钮式电阻调节器用于调节电磁铁线圈的电流大小。

优选的方案中，所述的控制盒内设有震动提示模块，震动提示模块与单片机电连接，单片机分别与两个重力传感器电连接，两个重力传感器分别设置在沙漏本体两端内壁处，重力传感器用于检测磁流体重量。

优选的方案中，所述的震动提示模块用于与电源并联设置。

优选的方案中，所述的所述的可调控时效的磁流体沙漏实验装置及其时间调节方法，包括如下步骤：

步骤一：沙漏本体(1)中的磁流体(3)处在一个恒定磁场中，其闭合环路积分仅与环路所链环的传导电流I₀有关，可通过公式①计算出不同该磁性沙漏中电磁铁在不同电流下的磁场强度；

M＝χ_mH ③

式中χ_m为磁流体介质磁化率，M为磁化强度，μ₀是真空中的磁导率，I₀为环路所链环的传导电流，μ为磁性微粒的磁导率；

步骤二：而在磁场中，磁性微粒受到的磁场力为：

式中，μ为磁性微粒的磁导率，

为磁性微粒所在位置的磁场强度，ΔV为磁性微粒的体积，X_m为磁性微粒的磁化率；

设本发明的磁流体沙漏本体的高度为H，磁流体质量为m，设磁流体下落时间为T,则建立公式⑤

又公式可求得加速度a

则

步骤三：根据公式④可计算出该磁性沙漏中磁流体所受到的磁场力，从而进行磁流体的受力分析，进一步得出磁流体自身的加速度，再通过公式⑦，基于试验的统计学原理获得磁流体在不同电流形成的不同磁场下的下落时间，并绘制时间与磁场强度对应曲线；

利用统计学进行试验：

1)、按照安装说明，组装电路元件，打开电源；

2)、改变控制电阻的阻值，打开开关，记录磁流体下落时间，将该实验重复多次，记录实验数据，填入表格；

步骤四：通过改变电阻调节器的电阻值，从而改变磁场电流，达到改变该电路磁场强度的作用，再进行多次实验，记录电阻调节器的电阻值与磁流体沙漏实验装置计时时间的对应关系。

本专利可达到以下有益效果：

本技术方案通过调节电阻调节器电阻值大小，从而调节控制回路电流大小，电流大小会影响电磁铁线圈产生的磁场强度大小，磁场强度会影响磁流体下落时间，从而完成了磁流体沙漏实验装置的时间可调性。

本发明通过四个公式推导出了磁场强度与计时时间关系的曲线图，而磁场强度又受电流的影响，电流和电阻成反比关系，因此总结出了不同档位下对应沙漏时间的对照表，从而解决了沙漏时间可控的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明磁流体沙漏实验装置结构图；

图2为本发明电路图；

图3为本发明重力传感器、单片机和震动提示模块之间的模块连接图；

图4为本发明磁场强度与计时时间对应关系曲线图；

图5为本发明选取220V下的电流与磁流体下落时间之间的曲线图。

图中：沙漏本体1、控制盒2、磁流体3、重力传感器4、电源5、震动提示模块6、旋钮式电阻调节器7、电磁铁线圈8。

具体实施方式

优选的方案如图1至图3所示，一种可调控时效的磁流体沙漏实验装置及其时间调节方法，包括沙漏本体1，沙漏本体1的上下两端均设有电磁铁线圈8，沙漏本体1内装有磁流体3，沙漏本体1与控制盒2连接，控制盒2内设置有控制电路，控制电路包括电源5，电源5与电阻调节器、电源开关和电磁铁线圈8串联设置。控制盒2可任意选择安装在沙漏本体1上端或下端。沙漏本体1采用高透亚克力材质，有利于磁力线穿过，测量更精确。本技术方案通过调节电阻调节器电阻值大小，从而调节控制回路电流大小，电流大小会影响电磁铁线圈8产生的磁场强度大小，磁场强度会影响磁流体3下落时间，从而完成了磁流体沙漏实验装置的时间可调性。

进一步地，电阻调节器为旋钮式电阻调节器7，旋钮式电阻调节器7用于调节电磁铁线圈8的电流大小。

进一步地，控制盒2内设有震动提示模块6，震动提示模块6与单片机电连接，单片机分别与两个重力传感器4电连接，两个重力传感器4分别设置在沙漏本体1两端内壁处，重力传感器4用于检测磁流体3重量。重力传感器4采用膜片式传感器,其型号为:ZNHM-12T；单片机型号为：51单片机(IMX6ULL)；震动提示模块6采用的型号为:SW-420。

进一步地，震动提示模块6用于与电源5并联设置。加装重力传感器4为优选的技术方案，当磁流体完全下落后，重力传感器4检测到的压力值达到阈值，单片机进行处理后，给震动提示模块6一个数字信号，使震动提示模块6震动，从而提示沙漏计时完毕。

优选的方案中，所述的可调控时效的磁流体沙漏实验装置及其时间调节方法，包括如下步骤：

步骤一：沙漏本体(1)中的磁流体(3)处在一个恒定磁场中，其闭合环路积分仅与环路所链环的传导电流I₀有关，可通过公式①计算出不同该磁性沙漏中电磁铁在不同电流下的磁场强度；

磁场强度

M＝χ_mH ③

式中χ_m为磁流体介质磁化率，M为磁化强度，μ₀是真空中的磁导率，I₀为环路所链环的传导电流，μ为磁性微粒的磁导率；

步骤二：而在磁场中，磁性微粒受到的磁场力为：

式中，μ为磁性微粒的磁导率，为磁性微粒所在位置的磁场强度，ΔV为磁性微粒的体积，X_m为磁性微粒的磁化率；

设本发明的磁流体沙漏本体的高度为H，磁流体质量为m，设磁流体下落时间为T,则建立公式⑤

又公式

可求得加速度a

则

步骤三：根据公式④可计算出该磁性沙漏中磁流体所受到的磁场力，从而进行磁流体的受力分析，进一步得出磁流体自身的加速度，再通过公式⑦，基于试验的统计学原理获得磁流体在不同电流形成的不同磁场下的下落时间，并绘制时间与磁场强度对应曲线；

利用统计学进行试验：

1)、按照安装说明，组装电路元件，打开电源；

2)、改变控制电阻的阻值，打开开关，记录磁流体下落时间，将该实验重复多次，记录实验数据，填入表格；

步骤四：通过改变电阻调节器的电阻值，从而改变磁场电流，达到改变该电路磁场强度的作用，再进行多次实验，记录电阻调节器的电阻值与磁流体沙漏实验装置计时时间的对应关系。

如图5所示，选取220伏下的电流与磁流体下落时间之间的对应关系图，然后在根据电流与电压之间的关系，得出电阻与磁流体下落时间的对应关系。从而可以总结出不同档位下(所述的档位可以是以电阻为参数，也可以以电流为参数)。

电流与电压的关系式为：I＝U/R，其中R表示旋钮式电阻调节器7电阻值大小。则推导出电流与电阻大小对照表：

电源\控制电阻	1000欧	2000欧	3000欧	4000欧
					6V	0.006A	0.003A	0.002A	0.0015A
8v	0.008A	0.004A	0.0026A	0.002A
					10v	0.01A	0.005A	0.003A	0.0025A
110v	0.11A	0.055A	0.037A	0.0275A
					220v	0.22A	0.11A	0.074A	0.055A