CN101858962B - 静态磁特性测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静态磁特性测量仪，包括探测模块、控制模块和操作模块；探测模块包括∩字型的磁铁、绕置在磁铁上的励磁线圈和放置在磁铁一端的霍尔元件；控制模块包括可编程控制器、A/D转换器、励磁电源、继电器和开关电源；可编程控制器与A/D转换器电连接；继电器的线圈与可编程控制器电连接，继电器的各端口分别与励磁线圈及励磁电源电连接；霍尔元件的输出端与A/D转换器的输入端电连接，霍尔元件的电源端与开关电源电连接；操作模块包括与控制模块电连接的工业计算机。本发明的测量仪在测量过程中无需退磁，从而实现了磁特性参数的连续测量，提高了测量效率。

Description

静态磁特性测量仪

技术领域

本发明涉及一种磁特性测量装置，尤其涉及一种测量磁性材料静态磁特性的静态磁特性测量仪。

背景技术

铁磁物质是一种性能特异、用途广泛的材料。作为描述各种铁磁物质特性的磁特性参数分为静态和动态两类。其中，静态磁特性是指磁性材料使用直流磁场磁化测得的磁特性；它包括基本磁化曲线、磁滞回线、剩磁、矫顽力等。其中，磁滞指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁感应强度B与磁场强度H之间呈现磁滞回线关系。铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起能量http://baike.baidu.com/view/14394.htm损耗，经一次循环，每单位体积铁心中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积。这部分能量转化为热能，使设备升温，效率降低，而对磁滞损耗的分析可以通过对磁滞回线面积的测量得到，因此铁磁材料的磁滞回线是其一个很重要的参数。

目前静态磁特性的主要测量方法主要有利用冲击电流计和环形线圈测量基本磁化曲线、磁滞回线的冲击法；利用冲击电流计和螺线管测量矫顽力的抛脱法和直流磁滞回线仪法三种。

利用冲击电流计和环形线圈测量基本磁化曲线、磁滞回线的冲击法是最基本的测量方法。只要能加工成闭路磁环的样品都可以进行测试，它采用换向直流电源和冲击检流计对每个测试点进行记录，通过计算和在坐标纸上进行磁场强度H以及磁感应强度B的描绘，得到相应的磁特性参数。这种方法容易掌握，但是它需要进行逐点测试，工作繁重、速度慢、误差大，且要求测试样品制成环形试样，在测试前进行严格的退磁到中性状态。

利用冲击电流计和螺线管测量矫顽力的抛脱法在测试前先将样品进行饱和磁化，然后磁场反向，在某磁场下，将样品从螺线管中拉开，如此时的外接冲击检流计无偏转，此时对应的反向磁场就是样品的矫顽力。此种方法存在问题是方法比较复杂、被测工件的尺寸受螺线管内径尺寸的限制、且由于是开环法测量磁特性参数故存在由于地磁产生的测量误差。

直流磁滞回线仪法的测试原理与利用冲击电流计和环形线圈测量基本磁化曲线、磁滞回线的冲击法的原理一样，主要是采用了积分器控制，因此比手工测试速度快、结果直观也使用方便。如中国专利文献CN 1456901A公开的一种《软磁材料特性的测量装置》，它包括闭合环状的软磁材料，绕在其上的磁化线圈和探测线圈，磁化线圈与取样电阻、可变电阻及由换向开关或继电器控制的可调直流电源串联构成磁化回路，探测线圈与电子积分器构成测量回路。取样电阻两端和电子积分器输出端与信号调理模块、模数转换电路连接，转换后的数字信号通过计算机的并口或串口卡与计算机连接。这种方法作为对普通冲击法的改进，比较方便操作，但是仍然存在要求测试样品制成环形试样，在测试前进行严格的退磁到中性状态的缺陷，适用范围有限，不利于推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种能简单方便地测量待测材料静态磁特性，在测量前无须进行严格退磁且不受待测材料形状影响的静态磁特性测量仪。

本发明的技术方案是一种静态磁特性测量仪，包括探测模块、控制模块和操作模块；探测模块包括∩字型的磁铁、绕置在磁铁上的励磁线圈和放置在磁铁一端的霍尔元件；控制模块包括可编程控制器、A/D转换器、励磁电源、继电器和开关电源；可编程控制器与A/D转换器电连接；继电器的线圈与可编程控制器电连接，继电器的各端口分别与励磁线圈及励磁电源电连接；霍尔元件的输出端与A/D转换器的输入端电连接，霍尔元件的电源端与开关电源电连接；操作模块包括与控制模块电连接的工业计算机。

所述操作模块还包括RS232串行通讯电缆；RS232串行通讯电缆将工业计算机分别与控制模块的可编程控制器及励磁电源电连接。

所述控制模块还包括两个航空插头；其中第一航空插头将探测模块的励磁线圈和控制模块的继电器电连接；第二航空插头将探测模块的霍尔元件的电源端和控制模块的开关电源电连接，同时将霍尔元件的输出端与A/D转换器的输入端电连接。

所述控制模块的继电器有六个端口，端口与励磁电源的V+端口电连接，端口与端口电连接，端口与励磁电源的V-端口电连接，端口与端口电连接，端口和端口通过第一航空插头与探测模块的励磁线圈电连接。

所述控制模块的可编程控制器的型号为FX2N-16MR。

所述探测模块的磁铁为矫顽力小的软磁铁。

所述探测模块的霍尔元件为SS495A高精度线性霍尔元件。

所述控制模块的开关电源为稳压电源。

所述探测模块放置在探测盒内，所述控制模块放置在控制箱内。

本发明采用了上述技术方案带来了以下积极的效果：(1)由于在待测材料是原始状态即没有被磁化或者经过了严格的退磁后的情况下，它的H-B闭合曲线是关于原点对称的。但一旦经过磁化后，再测H-B曲线时，就不关于原点对称了，这是制约特性曲线连续测量的关键因素，一直以来所采用的解决办法就是在每次测量前先进行严格退磁。然而，在待测材料没有退磁的情况下，H-B曲线的函数关系为：B＝f(H)±B(r0)，其中，B(r0)为初始剩磁，即磁场强度为零时的磁感应强度大小。本发明的测量仪根据这一函数关系，测得未退磁情况下的H-B曲线，然后上下平移水平轴即可获得待测材料的磁滞回线，本发明的测量仪在测量过程中无需退磁，从而实现了磁特性参数的连续测量，提高了测量效率。

(2)本发明的测量仪采用耦合法测量，探测模块的励磁线圈及磁铁与待测材料构成一对磁轭，待测材料为磁轭的一半，励磁线圈及磁铁为磁轭另一半，从而实现了闭环静态磁轭测量，与利用冲击电流计和环形线圈测量基本磁化曲线、磁滞回线的冲击法以及抛脱法测量矫顽力相比，本发明的测量仪更简单，无需将待测材料制成环形，对待测材料的尺寸没有限制，可直接在待测材料表面测量，因此可用于生产现场的磁特性参数的测量。

(3)本发明的测量仪采用闭环测量，与开环法相比消除了地磁对测量的影响，测量精度更高。

(4)本发明的测量仪采用FX2N-16MR型号的可编程控制器，该可编程控制器为16点继电器输出型，具有程式执行快、灵活性高、控制能力强的特点，能使本发明的测量仪准确快速地测量。本发明的测量仪采用了工业计算机实现自动控制，因此测量起来更简单，且数据的重现性好。

(5)本发明的测量仪的高精度线性霍尔元件，不仅可以实现非接触检测，而且由于其内部具有温度补偿电路由激光对电阻进行修正，因此消除了温度变化对霍尔元件输出电压的影响，测量精度更高，同时霍尔元件尺寸小、价格便宜、应用电路简单、性能可靠。

(6)本发明的测量仪的控制模块采用继电器控制电流的反向，操作简单可靠。

(7)当本发明的测量仪的探测模块的磁铁采用矫顽力小的软磁铁时，可以减少磁铁本身的磁滞损耗，使测量结果更加精确。

(8)本发明的测量仪可以将探测模块和控制模块的各个元件分别放置于盒体或箱体内，结构紧凑、功能清楚，也方便使用。

(9)本发明的测量仪不仅可以测量软磁材料而且可以测量结构钢、工具钢等硬磁材料的表面磁特性参数，能在生产现场进行测量，不局限于实验室内，适用范围广泛。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明的测量仪的磁路模型结构示意图。

图2为本发明的测量仪的工作原理图。

图3为本发明的测量仪的电路原理框图。

图4为由本发明的测量仪获得的磁滞回线曲线。

附图中的标号如下：

探测模块1，磁铁11，励磁线圈12，霍尔元件13；

控制模块2，可编程控制器21，A/D转换器22，励磁电源23，继电器24，线圈24-1，端口24-2枛24-7，开关电源25，第一航空插头26-1，第二航空插头26-2；

操作模块3，工业计算机31，RS232串行通讯电缆32；

待测材料4。

具体实施方式

(实施例1)

见图1，在待测材料4的表面上放置一个∩字型的磁铁11，在磁铁11上绕置一个励磁线圈12。在磁铁11的一端放置霍尔元件13，霍尔元件13用于将磁信号转换成电压信号，从而测量出闭合磁路中的磁感应强度。磁铁11为矫顽力小的软磁铁。控制模块2的励磁电源23对励磁线圈12通以直流电，从而使磁铁11与待测材料4组成一个闭合磁路。

见图3，本实施例的静态磁特性测量仪，包括探测模块1、控制模块2和操作模块3。

探测模块1放置在探测盒内，包括∩字型的磁铁11、绕置在磁铁11上的励磁线圈12和放置在磁铁11一端的SS495A高精度线性霍尔元件13。

控制模块2放置在控制箱内，包括可编程控制器21、A/D转换器22、励磁电源23、继电器24、开关电源25和航空插头。可编程控制器21的型号为FX2N-16MR。开关电源25为稳压电源。

操作模块3包括工业计算机31和RS232串行通讯电缆32。

探测模块1的励磁线圈12通过第一航空插头26-1与控制模块2的继电器24的端口24-6和端口24-7电连接。探测模块1的霍尔元件13的V+端口和Vs端口分别通过第二航空插头26-2与控制模块2的开关电源25的V+端口和COM端口电连接，霍尔元件13的输出端即OUT端口通过第二航空插头26-2与控制模块2的A/D转换器22的V+端口电连接。

控制模块2的可编程控制器21的YO、COMO端口分别与继电器24的线圈24-1的一端电连接，可编程控制器21的+24V和COM端口分别与A/D转换器22的+24V和-24V电连接，可编程控制器21的数据通讯端口A与A/D转换器22的数据通讯端口A′电连接。继电器24有六个端口，端口24-2与励磁电源23的V+端口电连接，端口24-3与端口24-4电连接，端口24-4与励磁电源23的V-端口电连接，端口24-5与端口24-2电连接，端口24-6和端口24-7通过第一航空插头26-1与探测模块1的励磁线圈12电连接。当励磁线圈12不得电时，端口24-2与端口24-6导通，端口24-3与端口24-7导通；当线圈得电时，端口24-2与端口24-7导通，端口24-3与端口24-6导通，这样实现电流换向。

RS232串行通讯电缆32将工业计算机31分别与制模块2的可编程控制器21及励磁电源23电连接。

见图1和图2，工业计算机31通过USB转RS232串行通讯电缆32与励磁电源23和可编程控制器2连接。将与∩形磁铁11上的励磁线圈12连接的第一航空插头26-1插接继电器24上，将与霍尔元件13连接的第二航空插头插接到开关电源25上；启动工业计算机31，进入软件系统，就可以测量待测材料的磁特性。

见图4，本实施例的测量仪由软件控制按照以下步骤得到图4中的H-B闭合曲线，其中横坐标代表磁场强度H，纵坐标代表磁感应强度B。电流由励磁电源23提供，可编程控制器21控制电流连续逐步改变。磁化电流的方向由继电器24控制换向。测量回路中的霍尔元件13输出电压与磁感应强度B对应。将与H、B对应的电流、电压信号接到A/D转换器22，再输入可编程控制器21中，经过放大、数字化处理后，在工业计算机31上实时显示测量曲线和测量数据。

具体来说：首先增大电流，使待测材料1饱和磁化，得到饱和磁场强度HS+和饱和磁感应强度BS+，即图中所示a点，其坐标为(HS+，BS+)。然后通入反向电流对待测材料1进行退磁，得到磁场强度为0时的磁感应强度Br+，即图中所示b点，其坐标为(0，Br+)。继续增加反向电流，得到磁感应强度为0时的磁场强度Hc-，即图中所示c点，其坐标为(Hc-，0)。再继续增大反向电流，使待测材料1反向饱和磁化，得到反向饱和磁场强度HS-和反向饱和磁感应强度Bs-，即图中所示d点，其坐标为(HS-，BS-)。接着再将电流反向，得到磁场强度为0时的磁感应强度Br-，即图中所示e点，其坐标为(0，Br-)。再继续增加正向电流，得到磁感应强度为0时的磁场强度Hc+，即图中所示f点，其坐标为(Hc+，0)。继续增大正向电流，使待测材料1再次正向饱和磁化至饱和磁感应强度Bs+，即达到图中a点。

这样就得到了一个H-B的闭合曲线，最后上下平移横坐标H至H′，从而使该H-B闭合曲线在新坐标系(H′，B)中关于原点对称，在新坐标系中的H-B曲线即为待测材料的磁滞回线，b点所对应的磁感应强度大小即为待测材料的剩磁大小，而该曲线与H′的两个交点对应的磁场强度大小即为待测材料的矫顽力大小。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种静态磁特性测量仪，其特征在于：包括探测模块（1）、控制模块（2）和操作模块（3）；探测模块（1）包括∩字型的磁铁（11）、绕置在磁铁（11）上的励磁线圈（12）和放置在磁铁（11）一端的霍尔元件（13）；控制模块（2）包括可编程控制器（21）、A/D转换器（22）、励磁电源（23）、继电器（24）和开关电源（25）；可编程控制器（21）与A/D转换器（22）电连接；继电器（24）的线圈（24-1）与可编程控制器（21）电连接，继电器（24）的各端口分别与励磁线圈（12）及励磁电源（23）电连接；霍尔元件（13）的输出端与A/D转换器（22）的输入端电连接，霍尔元件（13）的电源端与开关电源（25）电连接；操作模块（3）包括与控制模块（2）电连接的工业计算机（31）；所述操作模块（3）还包括RS232串行通讯电缆（32）；RS232串行通讯电缆（32）将工业计算机（31）分别与控制模块（2）的可编程控制器（21）及励磁电源（23）电连接；所述控制模块（2）还包括两个航空插头；其中第一航空插头（26-1）将探测模块（1）的励磁线圈（12）和控制模块（2）的继电器（24）电连接；第二航空插头（26-2）将探测模块（1）的霍尔元件（13）的电源端和控制模块（2）的开关电源（25）电连接，同时将霍尔元件（13）的输出端与A/D转换器（22）的输入端电连接；所述控制模块（2）的继电器（24）有六个端口，第一端口（24-2）与励磁电源（23）的V+端口电连接，第二端口（24-3）与第三端口（24-4）电连接，第三端口（24-4）与励磁电源（23）的V-端口电连接，第四端口（24-5）与第一端口（24-2）电连接，第五端口（24-6）和第六端口（24-7）通过第一航空插头（26-1）与探测模块（1）的励磁线圈（12）电连接。

2.根据权利要求1所述的静态磁特性测量仪，其特征在于：所述控制模块（2）的可编程控制器（21）的型号为FX2N-16MR。

3.根据权利要求2所述的静态磁特性测量仪，其特征在于：所述探测模块（1）的霍尔元件（13）为SS495A高精度线性霍尔元件。

4.根据权利要求3所述的静态磁特性测量仪，其特征在于：所述控制模块（2）的开关电源（25）为稳压电源。

5.根据权利要求4所述的静态磁特性测量仪，其特征在于：所述探测模块（1）放置在探测盒内，所述控制模块（2）放置在控制箱内。

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