CN102116854A - 一种便携式硅钢片取向性鉴别仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式硅钢片取向性鉴别仪，包括测试电路和磁导计两部分；测试电路主要由32位单片机系统、信号源、功率放大器、双通道14位A/D电路和14位D/A电路构成；磁导计由励磁机构和感应机构组成；自动判别是利用横纵向的比值来实现判定功能，采用模拟反馈、锁定磁感峰值的技术由32位单片机设置信号源的频率，单片机控制14位D/A经积分器调节输出电压；采用伏安法原理，对电流和电压同步实时采样，对50Hz、/60Hz不同频率下，采用整周期采样，用双通道A/D，每周期每通道采样128个点，输入单片机计算出铁损，在不破坏硅钢片的前提下，对硅钢片进行铁损的检测，它具有高度集成化、自动判别、便携式等优点。

Description

一种便携式硅钢片取向性鉴别仪

技术领域

本发明涉及硅钢片晶粒取向性鉴别的性能检测装置，特别涉及用于硅钢片及其成品的实时铁损测量的一种便携式硅钢片取向性鉴别仪。

背景技术

硅钢片是电力、电讯和仪器制造业中不可缺少的重要磁性材料，也是磁性材料中用途最广、用量最大的一种材料，依据轧制工艺可分为冷轧取向和冷轧无取向两种。不同种类的硅钢片价值不同，海关编码不同，关税不同，海关税号共分为四种，税率不同，具体如下，宽度在600毫米及以上的取向性硅钢片归入税则号列7225 1100项下，宽度在600毫米及以上的无取向性硅钢片归入税则号列7225 1900项下，宽度小于600毫米的取向性硅钢片归入税则号列7226 1100项下，宽度小于600毫米的无取向性硅钢片归入税则号列7226 1900项下 。 目前鉴别的方法主要是经验判定，没有成熟的鉴别手段，给一些不法分子以可乘之机，李代桃僵，偷逃关税，给国家带来巨大经济损失，而且混淆取向性、以次充好的硅钢片如果应用作为电机等磁性铁芯材料，将造成重大的安全隐患，给人民群众的人身安全和财产造成重大威胁，关系到国计民生。所以研究硅钢片取向性鉴别方法和装置是十分必要的，2008年该项目获得了天津市自然科学基金的资助，项目名称为：“硅钢片磁性能测量影响因素分析和取向性鉴别技术研究”，作为研究成果之一，研制便携式硅钢片取向性鉴别仪，这将有力提高国境反欺诈力度，为鉴别真伪提供科学的理论依据和技术手段，保护国家利益不受侵害。

本发明就是通过实时测量法测量硅钢片的铁损，再通过对比自动判定硅钢片的取向性。由于硅钢的磁、电物理性能，特别是磁性能直接关系到硅刚产品的质量、安全性和能源消耗。所以对硅钢磁性能的检测也尤为重要。硅钢片的磁性能包括磁感和损耗，损耗的测量方法主要有标准测量法和实时测量法，

我们现在使用的标准铁损测量方法，是德国人爱泼斯坦于1900年提出的爱泼斯坦方圈法，这是现在国际上通用的测量方法。我国的国标GB/T 3655-92也采用了这种方法。但是对于生产厂家做实时测量来说，这种测量方法对被测样品的要求就显得严格了。而对于非生产厂家如商品检验检测部门而言，更需要一种结构简单，携带方便、操作容易和测量准确的硅钢片性能检测装置，希望硅钢片性能检测装置对于被测样品没有苛刻的要求，不用剪切，直接用于硅钢片及其成品的实时铁损测量；希望直接测量硅钢片的性能，还可以测量硅钢成品的性能，例如变压器中的铁心，发电机中的磁轭等。通过对比横纵向的铁损比值，自动实现判别取向性。而目前国内尚无这样的便携式硅钢片取向性鉴别铁损检测装置，硅钢片性能检测常常受到设备和其它条件限制，延长了测试时间，影响测试效率的提高。

发明内容

本发明的目的就是为克服现有技术的不足，针对硅钢片性能检测不便的难题，提供一种便携式硅钢片取向性鉴别铁损检测装置的设计方案，使硅钢片取向性鉴别铁损检测装置实现携带方便、操作容易和测量准确；缩短了测试时间，提高了生产效率。

本发明是通过这样的技术方案实现的：一种便携式硅钢片取向性鉴别仪，其特征在于，包括测试电路、磁导计；测试电路主要由32位单片机系统、信号源、功率放大器、双通道14位A/D电路和14位D/A电路构成；

所述32位单片机系统包括硬件及软件；单片机系统硬件包括与单片机连接的触摸屏显示、键盘接口和RS232接口，单片机系统通过RS232接口与上位机通讯，用于参数输入，结果输出；

所述磁导计由励磁机构和感应机构组成；所述励磁机构采用高磁导率的硅钢材料制成形状为U型的磁轭，在U型磁轭上绕有励磁线圈N1，感应机构由感应线圈N2组成；

所述单片机连接信号源，信号源是由单片机的HSO端口连接锁相环Ain端口，锁相环输出端一路经分频器再连接锁相环Bin端口，锁相环输出端另一路连接计数器，计数器通过10位地址线连接ROM，ROM由数据线连接8位D/A转换电路，8位D/A转换电路经过滤波电路、功率放大器连接磁导计励磁机构的励磁线圈N1；

所述功率放大器由一个普通运算放大器和射集跟随器组成；功率放大器信号输入端与信号源连接，功率放大器输出端接入一个限流电阻，再经隔直电路连接磁导计的励磁线圈N1；

励磁线圈N1串接电阻Rn，电阻Rn两端连接到一路前置放大电路，通过前置放大电路使电流信号放大后进入双通道14位A/D电路的一个通道；

感应线圈N2与另一路前置放大电路连接，通过前置放大电路使电压信号放大后进入到双通道14位A/D电路的另一个通道；

由所述双通道14位A/D电路采样，其中一个通道采集来自感应线圈N2的电压信号，另一个通道采集来自励磁线圈N1的电流信号；

双通道14位A/D电路每周期每通道采样128个点；采样信号经A/D转换后送入单片机处理，计算铁损；通过单片机程序对比横纵向的铁损比值，自动判别硅钢片取向性。

一种便携式硅钢片取向性鉴别方法，其特征在于，通过单片机程序对比被测硅钢片横纵向的铁损比值，自动判别硅钢片取向性，冷轧取向性硅钢片和无取向硅钢片的判别标准主要取决于铁损值的横纵比，铁损值的横纵比超过1.5的可以判定为取向，不超过1.5的判定为无取向。

便携式硅钢片取向性鉴别仪主要用于硅钢片的成品、半成品的铁损测量，并进行横纵向的自动比对分析，自动判定硅钢片的取向性，与传统的检测设备（爱泼斯坦方圈、单片硅钢测量装置）的区别在于，在不破坏硅钢片的前提下，对硅钢片进行铁损的检测，再根据横纵向的铁损比值进行自动判别以便了解硅钢片的性能，是在原有硅钢检测设备的基础上发展出来的，并且它具有高度集成化、自动判别、便携式等优点。

集成化和便携式是本发明的特点之一，是集微处理器、信号源、功率放大器、双通道A/D、D/A、积分器为一体的测量设备。模拟反馈、锁定磁感峰值是这个设备的技术关键。由32位单片机设置信号源的频率，单片机控制14位D/A经积分器调节输出电压，采用伏安法原理，对电流和电压同步实时采样，对不同频率（50Hz、60Hz）下整周期采样，用双通道A/D，每周期每通道采样128个点。输入单片机计算出铁损，并测量比值。

本发明鉴别仪为便携式设计，其重量不足5公斤，32位单片机、触摸屏显示、RS232接口、信号源、功率放大器、双通道14位A/D、14位D/A为一体，从定义出发，完成硅钢片铁损的测量，进行横纵向的对比，自动判定硅钢片的取向性。满足广大硅钢生产厂家、使用单位和海关、商检、物流的需要，将创造良好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为便携式硅钢片取向性鉴别仪结构框图；

图2为伏安法原理图；

图3 为信号源原理图；

图4 为功率放大器原理图；

图5 为前置放大电路原理框图；

图6 为锁定磁感峰值电路示意图；

图7 为数字电路部分框图；

图8 为励磁机构示意图；

图9 感应机构示意图；

图10  单片机软件流程图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，结合附图和实施例详细描述本发明

如图1至图9 所示，便携式硅钢片取向性鉴别仪，包括测试电路和磁导计两部分 ；测试电路主要由32位单片机系统、信号源、功率放大器、双通道14位A/D电路和14位D/A电路构成；磁导计由励磁机构和感应机构组成；

本发明测试电路原理如图1所示，主要由32位单片机系统，信号源、功率放大器、双通道14位A/D、14位D/A等构成。

单片机是本测试仪的智能单元，完成样品参数的输入、采样频率的设置和磁感峰值的设定。采用伏安法原理，计算硅钢片的铁损，单片机系统包含了触摸屏显示，键盘管理，RS232接口等外围器件，完成参数输入，结果输出，及与上位机通讯等功能，为本发明专门编制的基于WINDOWS的校准软件，通过RS232接口校准测试仪。

本发明仪器采用伏安法原理，用双通道A/D对电流和电压同步实时采样，对不同频率（50Hz、60Hz）下整周期采样，每周期每通道采样128个点。从定义出发计算铁损参数。铁损是在给定频率，给定磁感应峰值下的损耗。

根据安培环路定律和磁感应定律计算磁场H,磁感应强度B有如下公式：                                                

                                    (1)

                            (2)

N1为初级绕组匝数，N2为次级绕组匝数，L为等效磁路长度，S为样品截面积。

由公式（1）（2）可推导出：

                                 (3)

式中Bm为磁感应强度峰值，由（3）可以看出频率f、次级绕组匝数N2，样品截面积S为已知，Bm的大小就直接与电压的平均值成正比。锁定了平均值电压就是锁定了磁感峰值，这是我们设备的技术关键。

最后通过采样电压和电流计算出损耗。

                                  (4)

                                    (5)

Pt为铁损，m_a为有效质量，P_C为试样消耗的功率，P为有功功率，m为样品质量。

技术指标：

工作频率：50Hz，60Hz

铁损准确度：±5%

电源输出稳定度： 0.05%

数据重复性优于：0.5%

本发明仪器信号源是由单片机的HSO端口向锁相环的Ain端口发送200Hz,240Hz的时钟频率。经分频器，使锁相环Bin端口等于Mclk/2⁸,锁相环的工作状态是Ain等于Bin,那么Mclk就等于2⁸×200Hz, 2⁸×240Hz时钟频率，输入到计数器中，计数器通过10位地址线连接ROM查询正弦波表，ROM中存有1个周期正弦波（1024个点），再由数据线连接8位D/A，驱动D/A输出，经过滤波最终得到频率为50Hz,60Hz的正弦

本发明的单片机采用12M晶振,单片机的HSO（高速输出器）端口的外部时间基准是16位的计数器T2,每8个状态周期计数器累加1，HSO的核心部分是CAM(按内容寻址存储器)阵列，由8个23位寄存器组成，每个寄存器前16位存放触发某一事件的时间，后7位存放命令。本仪器使用了3个寄存器，第一个假定时间a时，HSO.1端口变为低位。第二个假定时间a+b时，HSO.1变高位。第三个假定时间为2b时，计数器T2复位。循环就得到了一个连续的时钟频率。改变时间b就可得到需要的输出频率。

用HSO发送200Hz,240Hz时钟信号对CPU的开销极小，只要设置好CAM寄存器，就可以通过硬件发送时钟频率，不再需要软件的控制。

如图6 所示， LK为反馈信号，用来调节D/A的基准电压，达到改变输出电压的目的。

功率放大器是由一个普通运算放大器和射集跟随器组成的，经由运放出来的输出电流不能满足本仪器的需要，所以还要经射集跟随器，提高电流，经过射集跟随器可以输出500mA的电流，电压保持不变，射集跟随器是由1个NPN和1个PNP的管子组成。本仪器在这里需要100mA的电流，所以这种设计可以满足我们的需要。

之后再接入一个限流电阻，起到短路时对功放的保护作用。最后再经由隔直电路进入磁导计的励磁线圈。功率放大器的零点输出虽然只有几个毫伏，但对磁性材料的测量却能产生致命的影响，本仪器采用了输出电容隔直方式，消除了直流信号对测量的影响。

前置放大采样电压经放大电路，进入A/D和平均值电路。初级电流经放大电路，进入A/D。电流采样电阻网络要求时间常数要小，温飘小，采样电阻网络使用了精密电阻，其时间常数小于10^-8，温度系数低于25ppm/度。

在本仪器中为了便携的要求，电压回路、电流回路、功率放大回路是共地的，如何消除地环路所带来的噪声，是前置放大器设计难点，为了提高共模抑制比，降低干扰，我们选用了差分放大器作为第一级放大器，这在很大程度上消除了电压电流没有隔离所带来的地环路影响。

锁定磁感峰值电路采样电压经过平均值电路，求出次级电压平均值，与D/A信号一起进入积分器，由于积分器的直流输出可以到无穷大，所以只有平均值电压和D/A输入相等时，积分器的输出才达到恒定值。积分器的输出LK进入信号源的D/A来调节D/A的输出幅值，从而改变初级电压。

在初始状态时，平均值电压为0，先由D/A向积分器发送信号，积分器输出增大使信号源的输出电压增加，由次级电压经平均值电路进入积分器的输入端，最终使次级平均值电压和D/A相等，使积分器的输出达到一个固定值，这就是一个反馈锁定的过程。当次级电压平均值和D/A不相等时，积分器的输出又会调节初级电压幅值，使他们最终相等。通过这一过程，我们来锁定次级电压平均值。

数字电路部分由32位单片机设置信号源的频率，单片机控制14位D/A经积分器调节输出电压。

采用伏安法原理，对电流和电压同步实时采样，对不同频率（50Hz、60Hz）下整周期采样，用双通道A/D，每周期每通道采样128个点。输入单片机计算出铁损。

磁导计由励磁机构和感应机构两部分组成。励磁机构采用高磁导率的硅钢材料制成。在U型磁轭上绕有励磁线圈N1，磁轭两个端面需要研磨，使磁轭和样品可以紧密接触。测试样品尺寸要大于U型磁轭两端面（包括中间部分）所覆盖的面积。端面尺寸为25×13mm。

磁场可以根据公式：

 来计算。

N1：励磁绕阻匝数

I ：励磁电流

Lm：有效磁路长度

感应机构由感应线圈N2组成，N2被固定在磁导计的底座中，励磁磁轭一端从感应线圈中穿过与样品紧密接触，另一端在线圈外与样品接触，形成回路。使磁通由样品穿过感应线圈。感应线圈N2可以等效于图9中的线圈部分，相当于被测区域被线圈包含。但是由于要在不破坏样品的前提下测量，所以我们把图9中所示垂直部分向外延伸，形成了感应线圈N2。这样做既不破坏样品，也可以使被测区域包含在感应线圈当中。为了证明这种方法的可行性，我们在这里做了一些实验。首先取一片标准样品，在被测部分绕制感应线圈A匝，测量单匝感应电压。之后用我们所设计的感应线圈测量，计算单匝感应电压，两者的误差在千分之一左右。证明了我们感应线圈的设计是可行的。

根据公式：

 最终得到感应电压。

根据公式：

其中：P为试样消耗的功率，由采样电压和电流求得

S为被测样品横截面积

ρm为样品密度

Lm为等效磁路长度，是由被测材料性能和励磁机构所决定的（对于冷轧取向、冷轧无取向的材料所使用的有效磁路长度有所不同）

单片机软件设计：本测试仪单片机需要管理键盘、显示、信号源、放大器、DA、AD等许多外围器件，并且要计算电压平均值和功率。我们选择了32位单片机作为智能单元，基于开发成本低，性价比高等原因，最终使用了LPC2141单片机，它支持高级语言开发，极大的提高了开发效率。我们采用了C语言与汇编语言相结合，编制控制软件。

在单片机程序中采用结构化编程，主函数是个循环过程。键盘中断和串口中断只是将接收的信息写入缓冲区，由主程序查询标志后处理。这样中断程序所占用的时间短，不至于干扰实时采样。程序中包含数十个子函数，分别完成计算、显示、控制输出等功能。

(1) 算法实现：

设一周期内电压采样点为[V1…Vi…Vn],电流采样点[I1…Ii…In],电压平均值，有功功率有如下公式：

(3)串口设计：

串口程序是一个中断函数，每次接收数据时，单片机程序跳转至中断函数处执行，数据传输使用数据包，即每组数据有起始字符，结束字符。在中断函数内首先读取串口数据，对此字符判别，如果是起始字符，就清空命令缓冲区，如果是结束字符，就置标志，等待主程序处理，否则，将此字符依次写入命令缓冲区。主程序查询到标志后，执行相应的子函数，并回答主机已经完成命令。

校准磁感应峰值：本测试仪采用伏安法原理，从定义出发计算铁损参数。铁损是在给定频率，给定磁感应峰值下的损耗。所以首先要校准Bm ， 根据公式

Bm的大小直接与电压的平均值成正比。锁定了平均值电压就是锁定了磁感峰值，

我们用2001平均值电压表采集次级感应线圈的电压，进行校准。

校准功率：铁损仪功率的校准使用2335功率表，把初级电流和次级电压分别输入功率表的电流端和电压端。通过功率表直接读出功率来进行校准。这里所说的功率是有功功率P（采样电流和采样电压的乘积），不是最后的损耗，还要根据（4）（5）得出最后的结果。

                                  (4)

                                    (5)

Pt为铁损，m_a为有效质量，P_C为试样消耗的功率，P为有功功率，m为样品质量。

校准有效磁路长度：现在国际通用的测量法爱泼斯坦方圈法对有效磁路长度的规定是一个硬性的规定，因为有效磁路长度并不是一个常数，各国的科研人员都做过有效磁路长的实验，得出的结果各不相同。最后都得出结论：有效磁路长度会随不同的材料或者同一材料的不同磁化状态而异。所以现在国际通用的测量方法中对有效磁路长作了硬性的规定。

本测试仪是通过样品对有效磁路长度进行校准。采用3种不同的样品进行校准（选取冷轧取向、冷轧无取向，热轧样品各一套）。

根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。

Claims (2)

1.一种便携式硅钢片取向性鉴别仪，其特征在于，包括测试电路、磁导计；测试电路主要由32位单片机系统、信号源、功率放大器、双通道14位A/D电路和14位D/A电路构成；所述32位单片机系统包括硬件及软件；单片机系统硬件包括与单片机连接的触摸屏显示、键盘接口和RS232接口，单片机系统通过RS232接口与上位机通讯，用于参数输入，结果输出；所述磁导计由励磁机构和感应机构组成；所述励磁机构采用高磁导率的硅钢材料制成形状为U型的磁轭，在U型磁轭上绕有励磁线圈N1，感应机构由感应线圈N2组成；所述单片机连接信号源，信号源是由单片机的HSO端口连接锁相环Ain端口，锁相环输出端一路经分频器再连接锁相环Bin端口，锁相环输出端另一路连接计数器，计数器通过10位地址线连接ROM，ROM由数据线连接8位D/A转换电路，8位D/A转换电路经过滤波电路、功率放大器连接磁导计励磁机构的励磁线圈N1；所述功率放大器由一个普通运算放大器和射集跟随器组成；功率放大器信号输入端与信号源连接，功率放大器输出端接入一个限流电阻，再经隔直电路连接磁导计的励磁线圈N1；励磁线圈N1串接电阻Rn，电阻Rn两端连接到一路前置放大电路，通过前置放大电路使电流信号放大后进入双通道14位A/D电路的一个通道；感应线圈N2与另一路前置放大电路连接，通过前置放大电路使电压信号放大后进入到双通道14位A/D电路的另一个通道；由所述双通道14位A/D电路采样，其中一个通道采集来自感应线圈N2的电压信号，另一个通道采集来自励磁线圈N1的电流信号；双通道14位A/D电路每周期每通道采样128个点；采样信号经A/D转换后送入单片机处理，计算铁损；通过单片机程序对比横纵向的铁损比值，自动判别硅钢片取向性。

2.一种便携式硅钢片取向性鉴别方法，其特征在于，通过单片机程序对比被测硅钢片横纵向的铁损比值，自动判别硅钢片取向性，冷轧取向性硅钢片和无取向硅钢片的判别标准主要取决于铁损值的横纵比，铁损值的横纵比超过1.5的可以判定为取向，不超过1.5的判定为无取向。

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