CN104155618B - 永磁体磁场强度的无损伤测试装置 - Google Patents

Abstract

永磁体磁场强度的无损伤测试装置，涉及永磁体磁性能的时间稳定性测试领域。本发明为了解决现有的永磁体的磁场强度的测试设备测试结果精度较差、被测永磁体的体积形状受限及不能同时保证测试的磁场强度的范围和测试精度的问题。它包括感应线圈、永磁体、伸缩机构、电机、永磁体载体、信号检测装置和温度控制箱；感应线圈和永磁体位于温度控制箱内；感应线圈缠绕成环形的圆柱体；永磁体放置在永磁体载体内，伸缩机构的一端连接永磁体载体的一端，伸缩机构的另一端连接电机的驱动端；所述永磁体位于所述感应线圈的中心轴线上；感应线圈的信号输出端信号检测装置的信号输入端。本发明还适用于测试永磁体的形状对其磁稳定性的影响。

Description

永磁体磁场强度的无损伤测试装置

技术领域

本发明涉及永磁体磁性能的时间稳定性测试领域。

背景技术

永磁材料目前已广泛应用于计算机、扬声器、家用电器、仪器仪表、磁力机械、各种电机、医疗器械等仪器设备中，尤其是应用于高精度仪器设备中时，永磁材料的可靠性至关重要。永磁材料的稳定性可以分为时间稳定型、温度稳定性、外磁场稳定性和化学稳定性。影响永磁材料稳定性的因素，可以归结为两大类。第一类是材料自身因素引起的，我们把材料自身因素随时间推移而发生的磁性变化程度，称之为时间稳定性。时间稳定性同材料的成分、组织结构、制造工艺以及材料形状尺寸有关系。第二类是外部环境因素引起的，如温度、外磁场、外电场(如直流场、交变场和杂乱场)、机械力(如振动、冲击和离心)、流质和放射线等。其中，最重要的外因是环境温度的影响。流质和放射线等也会对永磁材料的稳定性产生影响。永磁体的性能变化直接影响设备的测试精度，甚至功能表现，因此精确地知道永磁体随着时间或者服役条件的性能变化具有非常强的现实意义。

目前，永磁材料的磁性能测试可以分为闭路测试和开路测试。闭路测试的典型方法是冲击法，开路测试的方法较多，例如磁力法、霍尔效应法、磁阻效应法、电磁感应法、磁通门法、核磁共振法、超导效应法和磁光法等。利用这些方法制造的表征永磁体磁性能的设备也很多，例如使用冲击法测试永磁性能的中国计量科学研究院的NIM-2000HF永磁材料测量仪，使用电磁感应效应法的振动永磁体磁强计，使用霍尔效应法的霍尔探头等。

虽然永磁体的性能表征已经取得了长足的进步，但是仍然存在一定的局限性。具体表现在：1)对一些已带磁永磁体，充放磁会破坏目前的磁状态，而使得测试结果精度较差；2)即便允许对其重新磁化以作测量，亦可能由于其形状、体积或其它原因不便于进行。3)测试的磁场强度范围与测试精度不能共同保证。

发明内容

本发明为了解决现有的永磁体的磁场强度的测试设备测试结果精度较差、被测永磁体的体积形状受限及不能同时保证测试的磁场强度的范围和测试精度的问题，提出了永磁体磁场强度的无损伤测试装置。

永磁体磁场强度的无损伤测试装置，永磁体为被测对象，它包括感应线圈、伸缩机构、电机、永磁体载体、信号检测装置和温度控制箱；

感应线圈和永磁体位于温度控制箱内；感应线圈缠绕成环形的圆柱体；永磁体放置在永磁体载体内，伸缩机构的一端连接永磁体载体的一端，伸缩机构的另一端连接电机的驱动端；所述永磁体位于所述感应线圈的中心轴线上；感应线圈的信号输出端信号检测装置的信号输入端。

本发明还适用于测试永磁体的形状对其磁稳定性的影响。

本发明中永磁体的运动由电机的转动来实现，当测试永磁体的磁场强度时，永磁体运动方便，从而便于测试永磁体的磁场强度。永磁体的位置由电机的位置确定，保证了永磁体通过感应线圈的路线，也保证了感应线圈内的感应电流表征永磁体的磁场强度时测试的磁场强度的范围，本发明还采用灵敏电流表及灵敏电压表测试感应电流的大小，进一步提高了测试精度，还采用支架来固定电机及感应线圈的位置，为本装置的测试提供了稳定的环境。本发明所述的装置简单、操作方便。

附图说明

图1为永磁体磁场强度的无损伤测试装置的结构图；

图2为感应线圈及永磁体的相对运动轨迹。

具体实施方式

具体实施方式一、参照图1及图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的永磁体磁场强度的无损伤测试装置，永磁体2为被测对象，它包括感应线圈1、伸缩机构3、电机4、永磁体载体5、信号检测装置6和温度控制箱11；

感应线圈1和永磁体2位于温度控制箱11内；感应线圈1缠绕成环形的圆柱体；永磁体2放置在永磁体载体5内，伸缩机构3的一端连接永磁体载体5的一端，伸缩机构3的另一端连接电机4的驱动端；所述永磁体2位于所述感应线圈1的中心轴线上；感应线圈1的信号输出端信号检测装置6的信号输入端。

本实施方式中，在对本装置进行操作之前，先调节温度控制箱11的温度，保持温度箱内的温度保持在设定值或设定范围内。本实验中温度保持在25℃。

永磁体1能够激发磁场。启动电机4后，电机4带动伸缩机构3上下运动，从而带动永磁体载体5中的永磁体2上下运动，永磁体2的运动速度由电机4控制，此时，永磁体2在感应线圈1内部运动，从而切割感应线圈1的磁力线，使感应线圈1内产生感应电流。当永磁体2靠近感应线圈1时，感应线圈1内产生的感应电流从零不断增大并达到最大值，当永磁体2远离感应线圈1时，感应电流不断减小并达到最小值，随着两者的远离最终感应电流为零。感应线圈1产生的感应电流由信号检测装置6表征。永磁体2在感应线圈1内运动，感应线圈的磁通密度的变化即磁场强度的变化用感应线圈内的电流来表征。

本实施方式中，永磁体1的运动由电机4的转动来实现，当测试永磁体的磁场强度时，永磁体1运动方便，从而便于测试永磁体的磁场强度。永磁体1的位置由电机4的位置确定，保证了永磁体1通过感应线圈1的路线，保证了感应线圈1内的感应电流表征永磁体1的磁场强度时测试的磁场强度的范围大，该装置保证了测试的精度。

具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的永磁体磁场强度的无损伤测试装置的进一步说明，本实施方式中，所述信号检测装置6为灵敏电流表或灵敏电压表。

本实施方式中，灵敏电流表及灵敏电压表的使用用于测量感应线圈1的感应电流的大小，灵敏电流表及灵敏电压表本身具有较高的精度，因此测得的感应电流的大小精度也比较高，进一步保证了本装置的测试精度。

具体实施方式三、本实施方式为具体实施方式一所述的永磁体磁场强度的无损伤测试装置的进一步说明，本实施方式中，它还包括支架7及电机支架10；

支架7包括上层隔板7-1和下层隔板7-2，所述上层隔板7-1与所述下层隔板7-2固定连接，所述上层隔板7-1上开有圆孔7-3；

所述电机3固定电机支架10上，电机支架10固定在所述上层隔板5-1的上表面；所述感应线圈1固定在所述上层隔板7-1与所述下层隔板7-2之间；

所述永磁体载体5穿过所述圆孔7-3上下运动。

本实施方式所述的支架及电机支架，用于更好地完成对永磁体的磁场强度的测试工作，支架的使用保证了电机及感应线圈的位置，从而保证了测试装置的稳定性，进一步提高了测试精度。

具体实施方式四、本实施方式为具体实施方式一所述的永磁体磁场强度的无损伤测试装置的进一步说明，本实施方式中，它还包括数据存储装置8及显示电路9；所述信号检测装置6的信号输出端同时连接数据存储装置8的一端及显示电路9的一端。

本实施方式所述的数据存储装置8及显示电路9用于存储及显示测得的感应线圈1的感应线圈电流，便于工作人员实时观察永磁体的磁场强度的变化。

具体实施方式五、本实施方式为具体实施方式三所述的永磁体磁场强度的无损伤测试装置的进一步说明，本实施方式中，它还包括电磁屏蔽罩；所述电磁屏蔽罩包围在所述支架7的外部。

测试过程中难免会受到环境磁场的影响，环境磁场包括地磁场、及周围其它设备发出的电磁场等。为了提高测试精度，需要尽量消除环境磁场的影响，因此需要将永磁体和感应线圈，及其相对运动空间进行电磁屏蔽。电磁屏蔽可以采用在防护空间外加屏蔽罩来实现，而屏蔽罩是利用了铁磁性材料对磁场分流的作用，从而实现电磁屏蔽的效果，进一步提高了测试精度。

具体实施方式六、本实施方式为具体实施方式一所述的永磁体磁场强度的无损伤测试装置的进一步说明，本实施方式中，所述感应线圈1的匝数为10～10⁵匝。

具体实施方式七、本实施方式为具体实施方式一所述的永磁体磁场强度的无损伤测试装置的进一步说明，本实施方式中，所述感应线圈1的材料为铜合金、铝合金、银合金或不导磁的含铁、钴或镍的合金材料。

具体实施方式八、本实施方式为具体实施方式一所述的永磁体磁场强度的无损伤测试装置的进一步说明，本实施方式中，所述电机4为步进电机或伺服电机。

具体实施方式九、本实施方式为一个实施例，具体说明本装置测试磁场强度的工作过程：

参数设置：采用铜合金导线，线径0.1mm，缠绕成横截面为环形的圆柱体，内径40mm、外径50mm、长度为10mm的感应线圈。

调零：在做测试磁场强度之前，需要对本装置进行调零。

采用已经充磁三年以上的，经过多种老化处理的磁性能稳定的AlNiCo永磁体作为标准样品。标准样品的形状为圆柱体，外径6mm、高8mm。

感应线圈、永磁体的相对运动轨迹如图2所示，圆柱形永磁体、感应线圈的中心与运动轨迹重合。灵敏电流表采用皮安表。测试时，感应线圈静止，永磁体的匀速直线运动由步进电机控制。表征永磁体激发磁场的能力用感应电流的大小表示。在本实施例中，标准样品与感应线圈的相对速度为1cm/s，测试得到感应电流的变化值，为-5.2～5.2×10^-6A。

原理：永磁体与感应线圈做相对运动。在相对运动过程中，根据法拉第电磁感应定律，会在感应线圈产生感应电动势。电动势的方向符合右手定则。电动势的大小，与每匝线圈的面积s_n成正比，如式(1)所示：

$e\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n{\left(\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}\right)}_n---\left(1\right)$

式中，e(t)——时间t时的感应电动势；

s_n——每匝线圈的面积；

B——线圈中的平均磁通密度；

t——时间。

由于线圈的感应电动势与感应电流成正比，即：

$I\left(t\right)=\frac{e\left(t\right)}{R}---\left(2\right)$

式中，I(t)——时间t时的感应电流；

R——感应线圈的电阻。

因此，式(1)可改写为式(3)：

$I\left(t\right)=\frac{1}{R}\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n{\left(\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}\right)}_n---\left(3\right)$

永磁体与感应线圈的相对速度v与相对位移l之间的关系如式(4)，

$v=\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

联合式(3)和(4)，可以得到感应电流与相对位移，以及相对位移处的磁通密度B之间的关系，如式(5)所示。

$I\left(l\right)=\frac{v}{R}\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n{\left(\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dl}}\right)}_n---\left(5\right)$

将式(5)变换成式(6)的形式，可以看到，当永磁体与感应线圈的相对位移到达l处时，每匝线圈的平均磁通密度与相对位移的瞬时变化率以每匝线圈的面积为权重的和，与线圈电阻、感应电流成正比，与相对运动速度成反比。

$\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n{\left(\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dl}}\right)}_n=\frac{\mathrm{RI}\left(l\right)}{v}---\left(6\right)$

重复永磁体与感应线圈的相对运动，如果每次运动的速度和初始位置都相同，那么平均磁通密度的变化就可以用感应线圈内的电流表征。因此实际上，每匝线圈的平均磁通密度与相对位移的瞬时变化率以每匝线圈的面积为权重的和，代表着一种线圈处的磁通密度的平均值。

Claims (7)

1.永磁体磁场强度的无损伤测试装置，永磁体(2)为被测对象，其特征在于，它包括感应线圈(1)、伸缩机构(3)、电机(4)、永磁体载体(5)、信号检测装置(6)和温度控制箱(11)；

感应线圈(1)和永磁体(2)位于温度控制箱(11)内；感应线圈(1)缠绕成环形的圆柱体；永磁体(2)放置在永磁体载体(5)内，伸缩机构(3)的一端连接永磁体载体(5)的一端，伸缩机构(3)的另一端连接电机(4)的驱动端；所述永磁体(2)位于所述感应线圈(1)的中心轴线上；感应线圈(1)的信号输出端信号检测装置(6)的信号输入端，

温度控制箱(11)的工作温度保持在25℃，

所述感应线圈(1)的匝数为10匝至10⁵匝，

感应线圈(1)的线径为0.1mm，内径为40mm、外径为50mm、长度为10mm，

被测对象与感应线圈的相对速度为1cm/s。

2.根据权利要求1所述的永磁体磁场强度的无损伤测试装置，其特征在于，所述信号检测装置(6)为灵敏电流表或灵敏电压表。

3.根据权利要求1所述的永磁体磁场强度的无损伤测试装置，其特征在于，它还包括支架(7)及电机支架(10)；

支架(7)包括上层隔板(7-1)和下层隔板(7-2)，所述上层隔板(7-1)与所述下层隔板(7-2)固定连接，所述上层隔板(7-1)上开有圆孔(7-3)；

所述电机(4)固定电机支架(10)上，电机支架(10)固定在所述上层隔板(5-1)的上表面；所述感应线圈(1)固定在所述上层隔板(7-1)与所述下层隔板(7-2)之间；

所述永磁体载体(5)穿过所述圆孔(7-3)上下运动。

4.根据权利要求1所述的永磁体磁场强度的无损伤测试装置，其特征在于，它还包括数据存储装置(8)及显示电路(9)；所述信号检测装置(6)的信号输出端同时连接数据存储装置(8)的一端及显示电路(9)的一端。

5.根据权利要求3所述的永磁体磁场强度的无损伤测试装置，其特征在于，它还包括电磁屏蔽罩；所述电磁屏蔽罩包围在所述支架(7)的外部。

6.根据权利要求1所述的永磁体磁场强度的无损伤测试装置，其特征在于，所述感应线圈(1)的材料为铜合金、铝合金、银合金或不导磁的含铁、钴或镍的合金材料。

7.根据权利要求1所述的永磁体磁场强度的无损伤测试装置，其特征在于，所述电机(4)为步进电机或伺服电机。