CN103389476B - 基于电磁振动原理的磁隙磁感应强度的测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于电磁振动原理的磁隙磁感应强度的测量方法和装置，属于电磁振动领域，涉及磁隙磁感应强度的测量方法和装置，具体来讲是一种通过测量电磁振动系统阻抗特性和振动位移参数反求驱动磁隙磁感应强度的测量方法和装置。该装置包括含磁隙的永磁体1、永磁体安装座2、振膜3、压环4、测试平台7、无感电阻8、驱动电源9、电压表10。本发明基于电磁转换原理，即安培定律，驱动电磁振动系统振动并测量振动过程中系统阻抗和振动位移参数反求磁感应强度的原理，提供一种较为简单易行的磁隙磁感应强度测量方法，并且根据该方法的测量装置具有结构简单、易于实现、成本低廉等优点。

Description

基于电磁振动原理的磁隙磁感应强度的测量方法和装置

技术领域

本发明属于电磁振动领域，涉及磁隙磁感应强度的测量方法和装置，具体来讲是一种通过测量电磁振动系统阻抗特性和振动位移参数反求驱动磁隙磁感应强度的测量方法和装置。

背景技术

磁感应强度的测量应用广泛，在永磁体特性检测、纺织品品质检测、特殊零部件工作性能检测以及磁场泄漏和监测等方面发挥着十分重要的作用。

目前，磁感应强度的测量广泛采用霍尔效应原理，高斯计采用的就是这种原理，或者是在霍尔元件的基础上做一定的开发来满足特定测试的需要，技术相对而言较为成熟，但对于特殊条件下的应用提高测试精度所花费成本较大；此外还有采用法拉第电磁感应定律、安培定律的磁感应强度测量方法，结构简单，成本较低，但测试精度不高；近几年还出现采用核磁共振、庞磁电阻效应、光纤光栅磁光法拉第效应、冲击电流等新原理的磁感应强度测试方法，可以得到相对精确的测量结果，但相对而言，结构复杂，成本较高，且有的测量方法对某种特殊材料存在依赖，因此一般应用性不强。

发明内容

本发明基于电磁转换原理，即安培定律，驱动电磁振动系统振动并测量振动过程中系统阻抗和振动位移参数反求磁感应强度的原理，提供一种较为简单易行的磁隙磁感应强度测量方法，并且根据该方法的测量装置具有结构简单、易于实现、成本低廉等优点。

本发明应用电磁转换原理，第一种基于电磁振动原理的磁隙磁感应强度的测量装置为：

参阅图1，该装置包括含磁隙的永磁体1、永磁体安装座2、振膜3、压环4、测试平台7、无感电阻8、驱动电源9、电压表10；所述振膜3固定于永磁体安装座2上；参阅图3、图4，所述振膜3由膜片301和线圈302组成，线圈302周向缠绕于膜片301的一凸环上，压环4通过固定螺栓6将振膜3悬置于永磁体安装座2的外圈上，振膜3缠绕有线圈302的凸环部分则置于永磁体1的环形凹槽内；无感电阻8与线圈302串联后接入驱动电源9，两个电压表10分别读取无感电阻8与线圈302两端的电压。

基于所述装置进行磁隙磁感应强度测量的方法为：当单一频率的交流电I通入到处于磁感应强度为B磁隙中的线圈中，长度为l线圈受到的周期性安培力驱动振动系统按照相同的周期振动，安培力F=BIl；振动系统振动过程中，监测系统的电学参数或振动参数，如电学阻抗Z和振膜振动的速度v。由振动系统的力学等效电路图通过计算可以得到力学系统的机械阻抗Z_m，由图6所示的电学等效电路图得到电学阻抗其中，R_E-线圈302电阻，L_E-线圈302电感。因此得到磁隙磁感应强度B的表达式

$B=\frac{\sqrt{Z_m[Z-(R_E+\mathrm{j\ω}{L}_E)]}}{l}---\left(1\right)$

其中机械阻抗Z_m参阅图5按照电路阻抗计算得到，

$Z_m=\mathrm{j\ω}{M}_m+R_m+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_m}+R_{\mathrm{ad}}{S}^2$

M_m为振膜3振动质量，R_m为振膜3振动力学阻尼，C_m为振膜3力学顺性，S为振膜3辐射面积，R_ad为振膜3辐射阻抗，以上参数通过简单的测量即可得到；参阅图1，无感电阻8阻值已知，通过测量无感电阻8两端电压即可得到电路中的电流，同时通过测量线圈302两端电压即可得到电学阻抗Z；采用同样的电路，不将线圈302置于磁场中，进行同样的测量即可得到此时线圈302两端的电学阻抗，即(R_E+jωL_E)；线圈长度l通过简单测量即可得到；进一步由式（1）即可求得磁隙磁感应强度B。

第二种基于电磁振动原理的磁隙磁感应强度的测量装置为：参阅图2：

该装置包括含磁隙的永磁体1、永磁体安装座2、振膜3、压环4、测试平台7、无感电阻8、驱动电源9、电压表10；所述振膜3固定于永磁体安装座2上；参阅图3、图4，所述振膜3由膜片301和线圈302组成，线圈302周向缠绕于膜片301的一凸环上，压环4通过固定螺栓6将振膜3悬置于永磁体安装座2的外圈上，振膜3缠绕有线圈302的凸环部分则置于永磁体1的环形凹槽内；无感电阻8与线圈302串联后接入驱动电源9，电压表10分别读取无感电阻8两端的电压，激光位移传感器11测量振膜3的振动位移。

基于所述装置进行磁隙磁感应强度测量的方法为：采用激光位移传感器测量振动系统振膜的振动位移，进而推算振膜的速度，由力学等效电路可以得到v_a、F_a分别为速度和安培力的幅值，联立安培力计算公式可以得到v_a·|Z_m|=Bl·I_a（I_a为电流幅值）进一步得到磁隙磁感应强度B表达式

$B=\frac{v_a\left|Z_m\right|}{I_{a}l}---\left(2\right)$

参阅图2，通过激光位移传感器11可以得到振膜振动过程中的位移幅度，推算可得到速度幅值v_a；Z_m采用计算与第一种方法相同；电流幅值I_a通过测得的无感电阻8两端的电压即可得到；线圈长度l通过简单测量即可得到；进一步由式（2）即可求得磁隙磁感应强度B。

以上两种方案中电压信号和激光位移传感器位移信号的采集，可以使用电压表实时显示，也可以通过采集卡用电脑进行信号的采集以及后续的数据处理。

本发明所述的磁隙磁感应强度测量方法和装置，基于电磁振动原理，通过测量振动过程中的阻抗和振动位移参数，计算磁隙磁感应强度，其中计算所涉及参数的测量手段较为传统，所用设备也较为常见，测量较为方便，适用性广。

附图说明

图1是基于电磁振动原理的磁隙磁感应强度的测量方法和装置方案一示意图。

图2是基于电磁振动原理的磁隙磁感应强度的测量方法和装置方案二示意图。

图3是基于电磁振动原理的磁隙磁感应强度的测量装置振动系统剖视图。

图4是基于电磁振动原理的磁隙磁感应强度的测量装置振动系统振膜剖视图。

图5是基于电磁振动原理的磁隙磁感应强度的测量装置力学等效电路图。

图6是基于电磁振动原理的磁隙磁感应强度的测量装置电学等效电路图。

图中，1-永磁体，2-永磁体安装座，3-振膜，4-压环，5-固定螺栓Ⅰ，6-固定螺栓Ⅱ，7-测试平台，8-无感电阻，9-驱动电源，10-电压表，301-膜片，302-线圈，11-激光位移传感器。

具体实施方式

本实施例提供分别提供了第一种基于电磁振动原理的磁隙磁感应强度的测量装置及其测量方法，以及第二种基于电磁振动原理的磁隙磁感应强度的测量装置及其测量方法，以使本发明的技术方案能得到更加清楚的说明。

第一种基于电磁振动原理的磁隙磁感应强度的测量装置为：

参阅图1，该装置包括含磁隙的永磁体1、永磁体安装座2、振膜3、压环4、固定螺栓Ⅰ5、固定螺栓Ⅱ6、测试平台7、无感电阻8、驱动电源9、电压表10；所述振膜3通过固定螺栓Ⅰ5、固定螺栓Ⅱ6固定于永磁体安装座2上；参阅图3、图4，所述振膜3由膜片301和线圈302组成，线圈302周向缠绕于膜片301的一凸环上，压环4通过固定螺栓Ⅱ6将振膜3悬置于永磁体安装座2的外圈上，振膜3缠绕有线圈302的凸环部分则置于永磁体1的环形凹槽内；无感电阻8与线圈302串联后接入驱动电源9，两个电压表10分别读取无感电阻8与线圈302两端的电压。

基于所述装置进行磁隙磁感应强度测量的方法为：当单一频率的交流电I通入到处于磁感应强度为B磁隙中的线圈中，长度为l线圈受到的周期性安培力驱动振动系统按照相同的周期振动，安培力F=BIl；振动系统振动过程中，监测系统的电学参数或振动参数，如电学阻抗Z和振膜振动的速度v。由振动系统的力学等效电路图通过计算可以得到力学系统的机械阻抗Z_m，由图6所示的电学等效电路图得到电学阻抗其中，R_E-线圈302电阻，L_E-线圈302电感。因此得到磁隙磁感应强度B的表达式

$B=\frac{\sqrt{Z_m[Z-(R_E+\mathrm{j\ω}{L}_E)]}}{l}---\left(1\right)$

其中机械阻抗Z_m参阅图5计算得到，M_m为振膜3振动质量，R_m为振膜3振动力学阻尼，C_m为振膜3力学顺性，S为振膜3辐射面积，R_ad为振膜3辐射阻抗，以上参数通过简单的测量即可得到；参阅图1，无感电阻8阻值已知，通过测量无感电阻8两端电压即可得到电路中的电流，同时通过测量线圈302两端电压即可得到电学阻抗Z；采用同样的电路，不将线圈置于磁场中，进行同样的测量即可得到此时线圈两端的电学阻抗，即(R_E+jωL_E)；线圈长度l通过简单测量即可得到；进一步由式（1）即可求得磁隙磁感应强度B。

对于本实施例：M_m=0.003kg，R_m=5N·s/m，C_m=4×10^-5m/N，S=0.0079m²，R_adS²=(0.0136+0.2534j)N·s/m，频率选为f=100Hz，带入机械阻抗计算公式，得到Z_m=(5.0136-37.6504j)N·s/m；将振膜置于磁隙磁场中，通过工作电压测量得到此时的电学阻抗Z；再将振膜移出磁隙磁场，通过工作电压测量得到此时的电学阻抗，即(R_E+jωL_E)，得到两次测量差值Z-(R_E+jωL_E)=(0.1343+1.0086j)Ω；线圈长度l=6m；将以上数据代入式(1)即可求得磁隙磁感应强度B=1.0361T。

第二种基于电磁振动原理的磁隙磁感应强度的测量装置为：参阅图2：

该装置包括含磁隙的永磁体1、永磁体安装座2、振膜3、压环4、固定螺栓Ⅰ5、固定螺栓Ⅱ6、测试平台7、无感电阻8、驱动电源9、电压表10；所述振膜3通过固定螺栓Ⅰ5、固定螺栓Ⅱ6固定于永磁体安装座2上；参阅图3、图4，所述振膜3由膜片301和线圈302组成，线圈302周向缠绕于膜片301的一凸环上，压环4通过固定螺栓6将振膜3悬置于永磁体安装座2的外圈上，振膜3缠绕有线圈302的凸环部分则置于永磁体1的环形凹槽内；无感电阻8与线圈302串联后接入驱动电源9，电压表10分别读取无感电阻8两端的电压，激光位移传感器11测量振膜3的振动位移。

基于所述装置进行磁隙磁感应强度测量的方法为：采用激光位移传感器测量振动系统振膜的振动位移，进而推算振膜的速度，由力学等效电路可以得到v_a、F_a分别为速度和安培力的幅值，联立安培力计算公式可以得到v_a·|Z_m|=Bl·I_a，I_a为电流幅值，进一步得到磁隙磁感应强度B表达式

$B=\frac{v_a\left|Z_m\right|}{I_{a}l}---\left(2\right)$

参阅图2，通过激光位移传感器（11）可以得到振膜3振动过程中的位移幅度，从而可得到速度幅值v_a；Z_m采用计算与第一种方法相同；电流幅值I_a通过测得的无感电阻8两端的电压即可得到；线圈长度l通过简单测量即可得到；进一步由式（2）即可求得磁隙磁感应强度B。

本实施例中，M_m=0.003kg，R_m=5N·s/m，C_m=4×10^-5m/N，S=0.0079m²，R_adS²=(0.0136+0.2534j)N·s/m，频率选为f=100Hz，带入机械阻抗计算公式，得到Z_m=(5.0136-37.6504j)N·s/m，取绝对值得到|Z_m|=37.9827N·s/m；通过激光位移传感器测得振膜振动位移，换算得到速度幅值v_a=0.08m/s；通过无感电阻两端电压及电阻阻值得到电流幅值I_a=0.5A；线圈长度l=6m；将以上数据代入式(2)即可求得磁隙磁感应强度B=1.0129T。

Claims (2)

1.一种基于电磁振动原理的磁隙磁感应强度的测量装置，包括含磁隙的永磁体(1)、永磁体安装座(2)、振膜(3)、压环(4)、测试平台(7)、无感电阻(8)、驱动电源(9)、电压表(10)；所述振膜(3)固定于永磁体安装座(2)上；所述振膜(3)由膜片(301)和线圈(302)组成，线圈(302)周向缠绕于膜片(301)的一凸环上，压环(4)通过固定螺栓(6)将振膜(3)悬置于永磁体安装座(2)的外圈上，振膜(3)缠绕有线圈(302)的凸环部分则置于永磁体(1)的环形凹槽内；无感电阻(8)与线圈(302)串联后接入驱动电源(9)，两个电压表(10)分别读取无感电阻(8)与线圈(302)两端的电压。

2.基于如权利要求1所述装置进行磁隙磁感应强度测量的方法：

磁隙磁感应强度B为：

$B=\frac{\sqrt{Z_m\[Z-(R_E+{\mathrm{j\ωL}}_E)\]}}{l}---\left(1\right)$

其中：l为线圈长度，

机械阻抗Z_m按照电路阻抗计算得到：

$Z_m={\mathrm{j\ωM}}_m+R_m+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_m}+R_{ad}{S}^2$

M_m为振膜(3)振动质量，R_m为振膜(3)振动力学阻尼，C_m为振膜(3)力学顺性，S为振膜(3)辐射面积，R_ad为振膜(3)辐射阻抗；

将线圈(302)置于磁场中，通过测量无感电阻(8)两端电压即可得到电路中的电流，同时通过测量线圈(302)两端电压即可得到电学阻抗Z；采用同样的电路，不将线圈(302)置于磁场中，进行同样的测量即可得到此时线圈(302)两端的电学阻抗，即(R_E+jωL_E)。