基于激光传感器的磁性液体演示仪
磁性液体及其制造工艺
磁性液体及其制造工艺摘 要：简单介绍了磁性液体的种类、性质、制作工艺及在当前的主要应用。
关键词：磁性液体；应用；制造；超声波Character and Applications of Magnets Liquids Abstract：In this paper，the applications and characteristic of magnets liquid is also given． Keywords：magnets liquids；applications；manufacture；ultrasonic wave 1 引 言 磁性液体最初是1965年美国宇航局为了解决太空服头盔转动密封的技术难题而率先研制成功的。
宇航员进入太空所穿宇航服的一个关键部位--颈部，必须用液体磁性材料制作。
颈部是宇航帽与宇航服连接之处，既要让宇航员的头部能够自由转动，又要密封度高。
如果密封不够，宇航服里的氧气泄漏，宇航员生命受到威胁。
这个连接部位，若用固体物质显然太硬，而一般液体物质密度不够，惟有液体的纳米磁性材料符合要求。
所谓磁性液体（Magnetic Liquids），并非是指液态的磁性材料（物质处于液态的温度都高于其居里温度，所以目前还没有液态的磁性材料），而是把用表面活性剂处理过的纳米级超细磁性微粒高度分散于基液中形成的一种均匀胶体溶液。
该溶液在重力和磁场作用下也不会出现凝聚和沉淀现象，具有固体的磁性和液体的流动性，因此具有许多独特的性质，在电子、仪表、机械、化工、环境、医疗等行业领域都具有独特而广泛的应用。
根据用途不同，可以选用不同基液的产品。
2 磁性液体的分类 磁性液体按材料、超微粒的制作、分散方法等不同，分为以下几类： （1）铁氧体型磁性液体 主要以金属氧化物作为磁性微粒，以水、碳氢化合物、矿物油、精制油、二酯基液、透平油氟醚油等为基液。
（2）金属型磁性液体 以金属或合金作为微粒，按基液的不同分为非导体型和导体型。
serf原子磁力计的基本工作流程、结构。
serf原子磁力计的基本工作流程、结构。
Serf原子磁力计是一种用于测量磁场强度的仪器。
它基于原子的磁性特性，通过测量原子的磁矩来确定磁场的强度。
本文将介绍Serf 原子磁力计的基本工作流程和结构。
Serf原子磁力计的基本工作流程如下：1. 制备样品：首先，需要制备一个包含原子的样品。
样品可以是气体、液体或固体。
常用的样品包括气态铷(Rb)或气态铯(Cs)等。
2. 构建磁共振腔：接下来，需要构建一个磁共振腔。
磁共振腔是一个封闭的空间，用于将样品中的原子置于恒定的磁场中。
腔体通常由电磁铁构成，可以产生强大的磁场。
3. 初始化原子：将样品中的原子初始化到一个特定的状态。
这通常是通过激光辐射来实现的。
激光的频率和功率可以调整，以便将原子激发到所需的能级。
4. 激发原子：在初始化后，继续用激光辐射来激发原子。
这会导致原子的磁矩发生变化。
激光的频率和功率可以调整，以便使原子在不同的能级之间进行跃迁。
5. 检测原子：使用光学技术来检测原子的磁矩变化。
常用的技术包括光学吸收谱、荧光谱或光学干涉。
6. 计算磁场：根据原子磁矩的变化，可以计算出磁场的强度。
这通常是通过比较实验结果与理论模型进行的。
Serf原子磁力计的结构如下：1. 磁共振腔：磁共振腔是Serf原子磁力计的核心部分。
它通常由电磁铁构成，可以产生强大的磁场。
腔体的形状和尺寸可以根据具体应用进行设计。
2. 激光系统：激光系统用于激发原子和检测原子的磁矩变化。
它通常包括激光源、光学器件和探测器等组件。
激光的频率和功率可以调整，以满足实验的需求。
3. 控制电路：控制电路用于控制磁共振腔和激光系统的工作。
它可以接收和处理传感器的信号，并根据需要调整磁场和激光辐射的参数。
4. 数据处理系统：数据处理系统用于处理和分析实验数据。
它可以计算出磁场的强度，并将结果显示出来。
数据处理系统通常由计算机和相应的软件组成。
总结：Serf原子磁力计是一种基于原子磁性特性的仪器，用于测量磁场的强度。
纳米磁性流体应用的研究现状及发展
文章编号：2095－6835（2017）21－0003－05纳米磁性流体应用的研究现状及发展＊封士彩（常熟理工学院机械工程学院，江苏苏州215500）摘要：纳米磁性流体是一种新型的、重要的智能化液体功能材料，它在外磁场作用下可以被控制、定位、定向和移动，是唯一一种真正具有工业实用价值的液体磁性材料。
简要论述了纳米磁性流体的应用情况，着重阐述了纳米磁性流体在密封、润滑、阻尼、传感、研磨、抛光、矿物分选、生物医学、油水分离和废物处理等领域的应用状况、发展方向，指出纳米磁性流体的应用理论以及工程实际应用等许多方面有待开发和深入研究，其具有广阔的应用前景，值得应用和推广。
关键词：纳米磁性流体；磁性流体密封；磁性流体润滑；磁性流体传感器中图分类号：TB34文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2017.21.0031960年出现了软物质，这一不同于固态物质，又具有特殊性能的新型材料被广泛应用于工业领域，并在一定程度上推动了科学的发展。
1992年，诺贝尔物理学奖获得者De Gennes受奖时的讲演题目是“Soft Matter”（软物质）；1994年，英国工程物理学会将“Soft solid”（软固体）列为研究专题[1]。
纳米技术是20世纪80年代末发展起来的交叉前沿学科领域，它将对未来的科技、经济和社会发展产生重大影响。
它是在纳米尺度（1～100nm）上研究物质的特性和相互作用以及利用这些特性的多学科交叉科学和技术，当物质小到1～100nm时，由于量子效应、小尺寸效应、界面效应和量子隧道效应，使物质的许多性能发生质变，呈现出许多既不同于宏观物质也不同于单个孤立原子的奇异现象。
纳米磁性流体属于软物质的一种，兼有固体磁性材料的磁性和液体材料的流动性[5]，既非普通的牛顿流体，也不同于常用的非牛顿流体，因而它是有许多特殊功能的尖端纳米技术之一，属于固液相混的二相流体，是一种人工合成的胶体体系，是一种新型的、重要的智能化液体功能材料，在外磁场作用下可以被控制、定位、定向和移动，也是唯一一种真正具有工业实用价值的液体磁性材料[2]。
超流(涡旋)
量子传感器
超流体展现出独特的量 子特性,如量子干涉、量 子隧穿等。研究人员利 用这些量子效应,开发了 一系列高精度的传感器, 如超导量子干涉仪 (SQUID)、原子钟等,用 于测量磁场、重力、时 间频率等物理量。
光学成像系统
超流体往往表现出复杂 的流场结构,需要采用先 进的成像技术进行观察 和分析。研究人员使用 激光干涉仪、高速摄像 机等光学装置,能够捕捉 超流体中涡旋、声波等 微细的动态过程。
药物输送
基于超流体的无阻抗输送 特性,可研发新型药物输送 系统,提高药物在目标组织 的吸收效率和生物利用度 。
超流在实验物理中的应用
仪器分析
利用超流现象,可以设计出超灵敏的温度计、压力计等高精度测量仪器,广泛应用于物理 实验和科学研究。
量子效应
超流体系蕴含丰富的量子力学特性,可作为探索量子力学基础理论的绝佳平台,如量子隧 穿、量子干涉等。
低温实验技术
探索超流需要精密的低温实验设备和 细致的测量技术,如使用液氦和液氢 在极低温下制冷。这些实验手段为发 现和认知超流现象做出了关键贡献。
超流的现象及应用
超流是一种具有独特性质的物态,它可以展现出无阻尼流 动、量子隧穿等奇异现象。这些现象不仅丰富了我们对物 质性质的理解,也为众多领域提供了新的应用机遇。
是由于超流的量子性质导
应,是超流的另一个量子
致的。这些量子涡旋在超
特性,在多种超流现象中
流动力学中起重要作用。
都有体现。
超流与低温物理
超流和氦液 II
超流是在极低温下出现的一种特殊状 态,第一次被发现于液氦 II。它展现 出无粘滞流动、热超导等独特特性, 深刻影响了低温物理的发展。
超流与超导
超流与超导现象有密切联系,都源于 量子效应在低温下的独特表现。它们 共享共振对的凝聚态和相干性,揭示 了量子物理在宏观尺度的深奥规律。
液位测试方法
20余种液位测量方法分析比较作者：发布时间：2008-9-5 22:31:21 阅读次数：3345物位包括液位和料位两类。
液位又包括液位信号器和连续液位测量两种。
液位信号器是对几个固定位置的液位进行测量，用于液位的上、下限报警等。
连续液位测量是对液位连续地进行测量，它广泛地应用于石油、化工、食品加工等诸多领域，具有非常重要的意义。
文中对20余种连续液位测量方法进行比较分析。
1、玻璃管法、玻璃板法、双色水位法、人工检尺法玻璃管法：该方法利用连通器原理工作，如图1—1所示［1］。
图中1－被测容器；2－玻璃管；3－指示标度尺；4、5－阀；6、7－连通管。
液位直接从指示标度尺读出。
玻璃板法：玻璃板可通过连通器安装，也可在容器壁上开孔安装，并可串联几段玻璃板以增大量程。
液位数值直接从玻璃板刻度尺读出。
双色水位计法：该方法利用光学原理，使水显示绿色，而使水蒸汽显示红色，从而指示出水位［2］。
人工检尺法：该方法用于测量油罐液位。
测量时，测量员把量油尺投入油品中，并在尺砣与罐底接触时提起量油尺。
根据量油尺上的油品痕迹，读出油面高度；根据量油尺末端试水膏颜色的变化确定水垫层的高度，从而确定油高和水高［3］。
以上4种方法都是人工测量方法，具有测量简单、可靠性高、直观、成本低的优点。
2、吹气法、差压法、HTG法吹气法：该方法的工作原理如图2—1所示［4］。
图中，1－过滤器；2－减压阀；3－节流元件；4－转子流量计；5－变送器。
因吹气管内压力近似等于液柱的静压力，故P＝ρgH式中，ρ－液体密度；H－液位。
故由静压力P即可测量液位H。
吹气法适用于测量腐蚀性强、有悬浊物的液体，主要应用在测量精度要求不高的场合。
差压法：该方法的工作原理如图2-2所示[4]。
图中，1、2-阀门；3-差压变送器。
对于开口容器或常压容器，阀门1及气相引压管道可以省掉。
压力差与液位的关系为ΔP＝P2－P1＝ρgH式中：ΔP－变送器正、负压室压力差；P2、P1－引压管压力；H－液位。
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基于激光传感器的磁性液体演示仪
作者：张卫山 尚剑锋 陈文娟
来源：《科技传播》2013年第10期
摘 要 运用电子技术及磁性液体的特性自制了一套磁性液体演示仪。该演示仪利用激光传
感器来检测磁性液体悬浮高度，添加数码管实时显示电路，可以测量磁性液体液面凸起高度变
化与磁场的关系，能精确而直观地演示磁性物液体的悬浮特性。该仪器具有操作简单、性能稳
定、效果明显等特点，能广泛应用于课堂演示、课程设计等场合，在实际应用中取得了良好的
效果。
关键词 激光传感器； 磁性液体； 数码管显示
中图分类号TN249 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）91-0068-02
磁性液体是一种由包覆有表面活性剂的纳米铁磁性或亚铁磁性颗粒分散于液态载液中形成
的稳定的胶态悬浮液。以其优越的独特性能在航空航天、机械、冶金、环保和生物医疗等领域
得到广泛的应用。目前磁性液体演示仪器种类较多，本文率先采用基于激光传感器的磁性液体
演示仪并且引入单片机转换信号并由LED实时显示液面高度，能够演示其液面凸起高度与电
流的变化关系，检测简单，容易实时控制。用于实验教学中可以激发学生对新材料的兴趣，培
养学生的创新思维，对于未知磁场检测的磁性液体传感器的研制开发及非磁性物体密度的测量
均有意义。
1 激光传感器的原理
激光传感器主要是利用激光技术进行测量。由测距探头向目标发射激光脉冲，在目标表面
被反射产生回波信号，回波信号中包含有相应的待测信息，接收系统接收信号并由信号处理系
统进行分析，即可获得距离的测量。
2 实验装置和控制方法
激光传感器磁性液体演示仪结构如图1所示，其中1为激光传感器测距探头，用来探测其
与磁性液体凸起的距离、2为磁性液体、3为励磁线圈、4为单片机、5为直流电源、6为LED
显示屏、7为底座、8为探头架。显示电路由单片机根据传感器输出的位移信号通过LED显示
屏显示磁性液体凸起高度，用于演示其凸起液面高度的变化与电磁铁电流的大小关系。演示
时，打开电源开关，缓慢加大电压便可实现相关现象的观测。
3 电路组成
3.1 脉冲激光测距系统
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该系统主要由脉冲半导体激光发射管、接收系统、时间转换芯、光电二极管、单片机构
成。测量时由脉冲半导体激光发射管发射激光脉冲， 在磁性液体表面产生反射，由接收系统
接收，并成像到光电二极管上。光电二极管可将微弱的光信号转化为相应的电信号。从开始到
停止脉冲之间的时差由时间转换芯记录，用该时差计算液体表面与发射端的距离。 单片机对
传回的时间测量结果进行分析与处理，最终将结果送给液晶显示出来。
3.2 LED显示电路
本演示仪的特色功能之一就是添加了LED显示电路，它主要是显示液面凸起的高度。在
调整电磁铁电流的过程中，显示电路实时显示液面高度的变化。由于该装置添加了较精确的数
字显示电路，可以直观显示调整过程中的瞬态磁性液体高度的变化，提供了直观的实验数
据 。
4 试验分析及讨论
把磁性液体看成连续流体，其任一点的动能、位能、压力产生的能量与磁能之和总是恒定
的，在常情况下磁性流体的Bernoulli方程：
式中为磁性液体某点密度，h为高度，P为压强，v为流速，g为重力加速度，M为磁性液
体的磁化强度，H为外磁场的磁场强度 。
设液体凸起部分体积为V，由于磁性液体静止，动能项为零，外磁场平行于竖直方向的Z
轴（方向向上），并且在体积范围内，磁场梯度和磁化强度为常量，dh与dz相同，并微分可
得：
线圈上部区域向上场强越来越弱，，所以若是增大电流，减小，凸起磁性液体所受的浮力
f增大，浮起的高度增加。
5 结论
本仪器独创性地将激光传感器、LED显示引入到磁性液体演示实验装置的研制中，实现
了测量磁性液体凸起高度与电流之间的关系，同时也能够测量非磁性液体浮出液面的高度随磁
场的变化。在物理演示实验教学中能让学生学会如何运用知识，培养学生的创新思维。进一步
深入研究可用于研制价格便宜且性能更高的未知磁场检测的磁性液体传感器。
参考文献
[1]杨文明，李德才，冯振华.磁性液体阻尼减振动力学建模及实验[J].震动工程学报，
2012，25（3）：253-259.
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[2]王宇鑫，赵慎强，杜春风，等.纳米磁性液体的制备方法[J].金属功能材料，2010，17
（1）： 62-65.
[3]李丽宏，邢桂甲，李晓林.激光传感器在车辆宽高超限检测中的应用[J].电子设计工程，
2011，19（10）： 86-87.
[4]杨光照，徐春辉，张德浩，等.基于单片机的激光测距系统设计[J].中国新技术产品，
2012（10）.
[5]徐军，康大伟.磁性液体浮力变化演示实验研究[J].实验技术与管理，2005，2（5）：50-
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