CN107085192A - 一种在开磁路中测量铁磁材料磁滞回线的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在开磁路中测量铁磁材料磁滞回线的方法及其装置，该装置包括磁通门探头、螺线管骨架、试样、线圈、电流方向切换开关、可调恒流源、微控制器和磁强计，该方法包含仪器校准、剩磁消除、初始磁化曲线测量、磁场强度递减阶段测量、磁场强度递增阶段测量、输出磁滞回线共六个顺序执行的步骤。其中，仪器校准阶段用于获取测量仪器的无试样电流‑磁感应强度曲线；剩磁消除阶段根据当前阶段的电流‑磁感应强度曲线与无试样电流‑磁感应强度曲线的交点来判断试样的剩磁强度是否零；初始磁化曲线测量阶段、磁场强度递减阶段和磁场强度递增阶段分别根据各自阶段的电流‑磁感应强度曲线与无试样电流‑磁感应强度曲线的斜率是否一致来判断试样是否已经达到了最大磁感应强度B _m和反向最大磁感应强度‑B _m，将各自阶段的电流‑磁感应强度曲线分别减去无试样电流‑磁感应强度曲线，便得到试样的初始磁化曲线、磁场递减阶段的磁滞回线和磁场递增阶段的磁滞回线，进而得到闭合的磁滞回线。

Description

一种在开磁路中测量铁磁材料磁滞回线的方法及其装置

技术领域

本发明属于磁学测量领域，具体涉及一种在开磁路中测量铁磁材料磁滞回线的方法及其装置。

背景技术

铁磁材料广泛应用于各种工程领域，如变压器、电机、电感等。磁滞现象是铁磁材料的一个基本特性，磁滞回线能够反映铁磁材料的矫顽力、剩磁强度等重要参数，对于铁磁材料的性能具有重要意义。

磁滞回线是指将铁磁材料进行周期性磁化，磁感应强度B和磁场强度H之间呈现出的如图1中曲线abcdefa所示的B-H闭合曲线。具体而言，当磁场强度H从零增加到H _m时，试样磁感应强度B相应的从零增加到B _m(最大磁感应强度)，如图1中a点所示。之后，逐步减少磁场强度H，试样的磁感应强度B将沿曲线ab下降。当H降至零时，B值并不等于零，而是等于B _r(剩余磁感应强度)，如图1中b点所示。要使B值从B _r减小至零，必须加上一定的反向磁场，此反向磁场强度称之为矫顽力H _c，如图1中c点所示。铁磁材料所具有的这种磁感应强度B滞后于磁场强度H的变化现象，称为磁滞。磁滞回线也就是呈现磁滞现象的B-H闭合曲线。

已有的磁滞回线测量方法可以分为“线圈感应信号积分法”和“霍尔传感器法”两大类。

线圈感应信号积分法通过在环形或者方形闭合磁芯上绕制交流励磁线圈1和感应线圈2；然后在交流励磁线圈1中通入电流可调整的交流正弦信号，在感应线圈2的两端接积分电路。根据安培环路定理，交流励磁线圈1产生的交变磁场强度正比于励磁电流和线圈1的匝数；根据电磁感应定律，线圈2两端产生的感应电动势正比于线圈2的匝数和磁路中的磁感应强度。因此，线圈2两端积分电路的输出信号的幅值便可反映出磁芯中的磁感应强度。通过调整交流励磁线圈1中的电流值，同时检测感应线圈2积分电路输出的电压值，便可以得出磁芯在不同磁场强度下的磁感应强度，进而得出其磁滞回线。尽管线圈感应信号积分法具有原理简单、结果直观的优点，但是该方法存在以下不足：⑴对试样形状有特殊要求，试样形状必须为闭合的环形或者方形磁芯，以便形成闭合磁路；⑵属于接触式测量，测量过程繁琐，对于不同的试样，需要重新绕制励磁线圈和感应线圈；⑶需要高精度交流可调恒流源以及高精度的积分电路。

霍尔传感器法的基本思路是通过在环形或者方形磁芯上绕制直流励磁线圈，然后在磁芯中切开一定间隔的气隙，将霍尔传感器放入气隙。根据安培环路定理，直流励磁线圈产生的磁场强度正比于励磁电流和励磁线圈的匝数；根据串联型直流磁路原理，当气隙长度很小时，气隙中的磁通密度约等于磁芯中的磁通密度。因此，通过霍尔传感器的输出信号便可反映出磁芯中的磁感应强度。通过调整直流励磁线圈中的电流值，同时检测霍尔传感器的输出信号，便可以得出磁芯在不同磁场强度下的磁感应强度，进而得出其磁滞回线。该方法具有电路结构简单、不需要交流可调恒流源等优点，但是仍存在以下不足：⑴对试样形状有特殊要求，试样形状不仅必须为闭合的环形或者方形磁芯，而且需要在磁芯中切割出一定长度的气隙；⑵属于接触式测量，测量过程繁琐，对于不同的试样，需要重新绕制直流励磁线圈；⑶由于气隙的边缘效应，气隙的截面积并不完全等于磁芯的截面积，所以气隙和磁芯中的磁感应强度并不完全相等。

现有的两种基于闭合磁路/半闭合磁路的磁滞回线测量方法存在的上述问题，严重的影响了铁磁材料磁滞回线的测量精度和效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对现有的“线圈感应信号积分法”和“霍尔传感器法”等基于闭合/半闭合磁路测量磁滞回线方法存在的问题，提供一种在开磁路中测量铁磁材料磁滞回线的方法及其装置。

一种在开磁路中测量铁磁材料磁滞回线的装置，包括磁通门探头、螺线管骨架、试样、线圈、电流方向切换开关、可调恒流源、微控制器和磁强计。

通过在螺线管骨架上均匀缠绕一定匝数的线圈，并在线圈中通以一定大小的直流电流，来产生特定大小的磁场强度；通过电流方向切换开关来对电流的方向进行切换，产生正向电流和反向电流，进而产生正向磁场和反向磁场；通过可调恒流源来产生可调的直流电流；通过水平放置于线圈两侧的差分磁通门探头来完成磁感应强度的测量，它们垂直于螺线管放置并靠近螺线管的中部，磁通门探头的输出信号由磁强计进行处理；通过微控制器采集磁强计的输出信号，并对电流方向切换开关和可调恒流源进行控制。

一种应用所述的在开磁路中测量铁磁材料磁滞回线的装置在开磁路中测量铁磁材料磁滞回线的方法，包括仪器校准阶段、剩磁消除阶段、初始磁化曲线测量阶段、磁场强度递减阶段、磁场强度递增阶段和输出磁滞回线阶段共六个顺序执行的步骤。

该方法具有以下技术特征：⑴通过在螺线管中通入可调的直流电来产生磁场，采用差分磁通门探头来检测磁感应强度。测量过程包括仪器校准、剩磁消除、初始磁化曲线测量、磁场强度递减、磁场强度递增、输出磁滞回线六个阶段；⑵在仪器校准阶段，通过在螺线管中通入线性增加的直流电流，线圈电流的范围为从负量程至正量程，并同步采集磁强计的输出的磁感应强度信号，得到仪器的无试样电流-磁感应强度曲线；⑶开始试样测量时，首先进行剩磁消除。将试样放入螺线管中，如果试样剩磁为正，则通入从零线性减小的退磁电流；如果试样剩磁为负，则通入从零线性增加的退磁电流；并同步采样磁强计输出的磁感应强度信号，得到消除剩磁阶段的有试样-磁感应强度曲线。如果有试样-磁感应强度曲线与仪器的无试样电流-磁感应强度曲线，则意味着试样的剩磁被消除；⑷当试样的剩磁被消除之后，进入初始磁化曲线测量阶段。在线圈中通入从零线性增加的充磁电流，并同步采集磁强计输出的磁感应强度信号，得到了初始磁化曲线阶段的有试样电流-磁感应强度曲线。如果有试样电流-磁感应强度曲线与仪器的无试样电流-磁感应强度曲线斜率一致，则意味着试样已经达到正向最大磁感应强度。将有试样电流-磁感应强度曲线减去无试样电流-磁感应强度曲线便得到了试样的初始磁化曲线；⑸当试样已达到正向最大磁感应强度后，则进入磁场强度递减阶段。线性减少线圈中的电流，并同步采集磁强计输出的磁感应强度信号，得到了磁场强度递减阶段的有试样电流-磁感应强度曲线。如果有试样-磁感应强度曲线与仪器的无试样电流-磁感应强度曲线斜率一致，则意味着试样已经达到反向最大磁感应强度。将有试样电流-磁感应强度曲线减去无试样电流-磁感应强度曲线便得到了磁场强度递减阶段的磁滞回线；⑹当试样已达到反向最大磁感应强度后，则进入磁场强度递增阶段。线性增加线圈中的电流，并同步采集磁强计输出的磁感应强度信号，得到了磁场强度递增阶段的有试样电流-磁感应强度曲线。如果有试样-磁感应强度曲线与仪器的无试样电流-磁感应强度曲线斜率一致，则意味着试样已经达到正向最大磁感应强度。将有试样电流-磁感应强度曲线减去无试样电流-磁感应强度曲线便得到了磁场强度递增阶段的磁滞回线。至此，已经形成了包含初始磁化曲线、磁场强度递减阶段和磁场强度递增阶段的磁场强度-磁感应强度曲线，进而得到了完整了磁滞回线闭合曲线。

有益效果

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

⑴属于开磁路测量方法，对于试样的形状无特殊要求，可以是片状、圆柱、方块等任何形状；⑵属于非接触式测量，不需要在试样上绕制励磁线圈或者感应线圈，测量过程便捷、不损坏试样；⑶采用磁通门传感器差分布置的磁强计，有效地消除了外界磁场对测量过程的干扰，测量精度高；⑷采用直流励磁电流，可以以较低的成本获得较高的电流精度。同时测量过程中，螺线管中的电流线性逐步增加或者减小，对可调恒流源的响应速度要求较低；⑸由于螺线管中的电流是连续的，所以磁强计工作在连续变化的磁场中，降低了对磁强计动态响应特性的要求，进一步提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明涉及铁磁材料磁滞回线示意图；

图2是本发明涉及的铁磁材料磁滞回线测量装置示意图；

图3是本发明中磁滞回线的总体测量流程图；

图4是本发明中仪器校准阶段和剩磁消除阶段示意图；

图5是本发明中剩磁消除阶段流程图；

图6是本发明中初始磁化曲线测量阶段示意图；

图7是本发明中磁场强度递减阶段流程图；

图8是本发明中磁场强度递减阶段示意图；

图9是本发明中磁场强度递增阶段示意图；

图10是本发明中整个磁滞回线测量过程示意图。

标号说明：

1、磁通门探头；2、螺线管骨架；3、试样剩磁磁力线；4、试样；5、退磁磁力线；6、线圈；7、电流方向切换开关；8、可调恒流源；9、微控制器；10、磁强计；11、无试样电流-磁感应强度曲线；12、初始磁化曲线测量阶段电流-磁感应强度曲线；13、初始磁化曲线；14、磁场强度递减阶段电流-磁感应强度曲线；15、磁场强度递减阶段的磁滞回线；16、磁场强度递增阶段电流-磁感应强度曲线；17、磁场强度递增阶段的磁滞回线。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

如图1-10所示，一种在开磁路中测量铁磁材料磁滞回线的装置，包括磁通门探头1、螺线管骨架2、试样4、线圈6、电流方向切换开关7、可调恒流源8、微控制器9和磁强计10。

通过在螺线管骨架2上均匀缠绕一定匝数的线圈6，并在线圈6中通以一定大小的直流电流，来产生特定大小的磁场强度；通过电流方向切换开关7来对电流的方向进行切换，产生正向电流和反向电流，进而产生正向磁场和反向磁场；通过可调恒流源8来产生可调的直流电流；通过水平放置于线圈6两侧的差分磁通门探头1来完成磁感应强度的测量，它们垂直于螺线管放置并靠近螺线管的中部，磁通门探头1的输出信号由磁强计10进行处理；通过微控制器9采集磁强计10的输出信号，并对电流方向切换开关7和可调恒流源8进行控制。

一种应用所述的在开磁路中测量铁磁材料磁滞回线的装置在开磁路中测量铁磁材料磁滞回线的方法，包括仪器校准阶段、剩磁消除阶段、初始磁化曲线测量阶段、磁场强度递减阶段、磁场强度递增阶段和输出磁滞回线阶段共六个顺序执行的步骤。

本发明中磁滞回线的定义为：当磁场强度H从零开始增加时，试样中的磁感应强度B会相应地从零增加到最大磁感应强度B _m；此后，逐渐的减小磁场强度H，试样的磁感应强度将沿着ab曲线下降。当H=0时，B并不等于零，而是等于剩余磁感应强度B _r。继续减小H至H _c，试样的磁感应强度将沿bcd曲线降至反向最大磁感应强度-B _m。之后，增加磁场强度，试样中的磁感应强度将沿着defa曲线回到a点。铁磁材料所具有的这种磁感应强度滞后于磁场强度变化的现象，称为磁滞。呈现磁滞现象的整个abcdefa曲线称为磁滞回线。

这里本发明所采用的磁滞回线测量系统的物理结构示意图如图2所示，通过在螺线管骨架2上均匀缠绕一定匝数的线圈6，并在线圈6中通以一定大小的电流，来产生特定大小的磁场强度，同时通过电流方向切换开关7来对电流的方向进行切换，从而实现磁场方向的切换。这里电流由可调恒流源8产生。磁场强度的测量由水平放置的差分磁通门探头1完成，它们垂直于螺线管放置并靠近螺线管的中部。磁通门探头1的差分连接可以补偿均匀外磁场对测量结果的影响。磁通门探头1的输出信号由磁强计10进行处理。微控制器9采集磁强计10的输出信号并根据测量过程对可调恒流源8的电流输出进行控制。

具体而言，所发明的铁磁材料磁滞回线测量方法包含仪器校准、剩磁消除、初始磁化曲线测量、磁场强度递减阶段、磁场强度递增阶段、输出磁滞回线共六个顺序执行的步骤，如图3所示。下面依次进行说明。

（1）仪器校准：即无试样电流-磁感应强度曲线测量阶段。该阶段的主要目标是获取仪器在没有试样情况下的电流-磁感应强度曲线，如图4中11所示的曲线L1所示。无试样电流-磁感应强度曲线测量的具体方法为：首先确保螺线管中没有试样；然后，将电流方向切换开关7切换为电流反向状态，并将可调恒流源8设定为电流最大值，来确保线圈6中获得反向电流最大值；线性减小可调恒流源8的输出电流，并同步采集磁强计10的输出信号。当可调恒流源8的输出电流值降至零时，将电流方向切换开关7切换为电流正向状态，并线性增加可调恒流源8的输出电流，以此来保证线圈6中获得从负量程至正量程之间的线性直流电流，进而产生反向最大磁场至正向最大磁场。记录电流值为自变量，以磁强计输出的磁场强度信号为因变量，便得到了仪器的无试样电流-磁感应强度曲线。如果可调恒流源8的线性度和磁强计11均具有良好的线性度，那么无试样电流-磁感应强度曲线将是一条直线。仪器校准操作只需要当仪器外部磁场环境发生变化时进行。也可以定期的执行仪器校准操作，来保证磁滞回线的测量精度。

（2）剩磁消除：剩磁消除阶段的主要目标是消除试样中的剩磁。首先将试样放入螺线管中部，并检测磁强计11的输出信号，如果试样的剩磁强度大于零，则将电流方向切换开关7切换至电流反向状态，否则将电流方向切换开关7切换至电流正向状态。然后，从零开始线性增加可调恒流源8的输出电流，并同步采集磁强计10的输出信号，得到电流-磁感应强度曲线。当电流-磁感应强度曲线与无试样电流-磁感应强度曲线相交时，即意味着试样的剩磁强度为零，如图4所示的c2点。整个剩磁消除阶段的流程如图5所示。

（3）初始磁化曲线测量：当试样的剩磁消除完成之后，首先将电流切换方向切换开关7切换至电流正向状态，并将可调恒流源8的输出电流设置为0；然后线性增加8的电流输出，并同步采集磁强计10的输出信号，并实时判断得到的电流-磁感应强度曲线的斜率，如果与无试样电流-磁感应强度曲线的斜率一致，即意味着试样达到了最大磁感应强度Bm。初始磁化曲线测量开始时，磁场强度和试样的磁感应强度均为零，即O点。随着电流/磁场强度的增加，便得到了12所示的电流-磁感应强度曲线L2。当L2到a1点时，L2的斜率和无试样电流-磁感应强度曲线L1的斜率一致，意味着试样已经达到了最大磁感应强度Bm，磁强计输出的磁场强度信号的增量仅包含螺线管中电流产生的磁场强度增加的分量。将L2减去L1，便消除了磁强计11输出信号中螺线管电流产生的磁场分量，进而得到了13所示的试样的初始磁化曲线L3。

（4）磁场强度递减阶段：如图7所示，当试样已经达到最大磁感应强度Bm之后，线性减小可调恒流源8的输出电流，并同步记录磁强计10的输出信号。当可调恒流源8的输出电流降至0时，通过将电流方向切换开关7切换至电流反向状态，并线性增加可调恒流源8的输出电流，来使线圈获得正向至零，再至反向的线性电流，进而产生正向至零，再至反向的磁场。在电流调整的同时，实时判断得到的电流-磁感应强度曲线的斜率，如果与无试样电流-磁感应强度曲线的斜率一致，即意味着试样达到了反向最大磁感应强度-Bm。如图8所示，14为当前阶段的电流-磁感应强度曲线L4，随着螺线管中电流的减小，当L4到达d1点时，L4与无试样电流-磁感应强度曲线L1的斜率保持一致，意味着试样已经达到了反向最大磁感应强度-Bm，磁强计输出的磁场强度信号的增量仅包含螺线管中电流产生的磁场强度增加的分量。将L4减去L1，便消除了磁强计11输出信号中螺线管电流产生的磁场分量，进而得到了15所示的试样的磁场递减阶段的磁滞回线L5。

（5）磁场强度递增阶段：当试样已经达到反向最大磁感应强度-Bm之后，便开始磁场递增阶段的磁滞回线测量。其过程与磁场递减阶段类似，仅仅是螺线管线圈中的电流为反向至零，再至正向。如图9所示，16为当前阶段的电流-磁感应强度曲线L6，随着螺线管中电流的减小，当L6到达a1点时，L6与无试样电流-磁感应强度曲线L1的斜率保持一致，意味着试样已经达到了最大磁感应强度Bm，磁强计输出的磁场强度信号的增量仅包含螺线管中电流产生的磁场强度增加的分量。将L6减去L1，便消除了磁强计11输出信号中螺线管电流产生的磁场分量，进而得到了17所示的试样的磁场递减阶段的磁滞回线L7。

（6）输出磁滞回线：如图10所示，完整的磁滞回线为由初始磁化曲线L3、磁场递减阶段的磁滞回线L5、磁场递增阶段的磁滞回线L7构成的闭合回线。它们分别是电流-磁感应强度曲线L2、L4、L6减去无试样电流-磁感应强度曲线L1得到的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种在开磁路中测量铁磁材料磁滞回线的装置，其特征在于，包括磁通门探头（1）、螺线管骨架（2）、试样（4）、线圈（6）、电流方向切换开关（7）、可调恒流源（8）、微控制器（9）和磁强计（10）。

2.根据权利要求1所述的在开磁路中测量铁磁材料磁滞回线的装置，其特征在于，

通过在螺线管骨架（2）上均匀缠绕一定匝数的线圈（6），并在线圈（6）中通以一定大小的直流电流，来产生特定大小的磁场强度；

通过电流方向切换开关（7）来对电流的方向进行切换，产生正向电流和反向电流，进而产生正向磁场和反向磁场；

通过可调恒流源（8）来产生可调的直流电流；

通过水平放置于线圈（6）两侧的差分磁通门探头（1）来完成磁感应强度的测量，它们垂直于螺线管放置并靠近螺线管的中部，磁通门探头（1）的输出信号由磁强计（10）进行处理；

通过微控制器（9）采集磁强计（10）的输出信号，并对电流方向切换开关（7）和可调恒流源（8）进行控制。

3.一种应用如权利要求1或2任一项所述的在开磁路中测量铁磁材料磁滞回线的装置在开磁路中测量铁磁材料磁滞回线的方法，其特征在于，包括仪器校准阶段、剩磁消除阶段、初始磁化曲线测量阶段、磁场强度递减阶段、磁场强度递增阶段和输出磁滞回线阶段共六个顺序执行的步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

在所述仪器校准阶段，通过在线圈（6）中通入线性增加的反向最大电流至正向最大电流，并同步采集磁强计（10）输出的磁感应强度信号，得到 无试样电流-磁感应强度曲线（11）；

在所述剩磁消除阶段，根据试样剩磁强度的方向，来确定电流方向切换开关（7）的方向，通过在线圈（6）中通入从零开始线性增加的直流电流，并同步采集磁强计（10）输出的磁感应强度信号，得到剩磁消除阶段电流-磁感应强度曲线，根据剩磁消除阶段电流-磁感应强度曲线与无试样电流-磁感应强度曲线（11）是否达到交点c2，来判断试样的剩磁强度是否为零，从而完成试样的剩磁消除；

在所述初始磁化曲线测量阶段，通过在线圈（6）中通入从零开始线性增加的直流电流，并同步采集磁强计（10）输出的磁感应强度信号，得到初始磁化曲线测量阶段电流-磁感应强度曲线（12），根据初始磁化曲线测量阶段电流-磁感应强度曲线（12） 与无试样电流-磁感应强度曲线（11）的斜率是否一致来判断试样是否达到了最大磁感应强度Bm，将初始磁化曲线测量阶段电流-磁感应强度曲线（12）减去无试样电流-磁感应强度曲线（11），便得到试样的初始磁化曲线（13）；

在所述磁场强度递减阶段，通过在线圈（6）中通入从零开始线性减小的电流，并同步采集磁强计（10）输出的磁感应强度信号，得到磁场强度递减阶段电流-磁感应强度曲线（14），根据磁场强度递减阶段电流-磁感应强度曲线（14）与无试样电流-磁感应强度曲线（11）的斜率是否一致来判断试样是否达到了反向最大磁感应强度-Bm，将磁场强度递减阶段电流-磁感应强度曲线（14）减去无试样电流-磁感应强度曲线（11），便得到试样磁场强度递减阶段的磁滞回线（15）；

在所述磁场强度递增阶段，通过在线圈（6）中通入从零开始线性增加的电流，并同步采集磁强计（10）输出的磁感应强度信号，得到磁场强度递增阶段电流-磁感应强度曲线（16），根据磁场强度递增阶段电流-磁感应强度曲线（16）与无试样电流-磁感应强度曲线（11）的斜率是否一致来判断试样是否达到了最大磁感应强度Bm，将磁场强度递增阶段电流-磁感应强度曲线（16）减去无试样电流-磁感应强度曲线（11），便得到试样磁场强度递增阶段的磁滞回线（17）；

在所述输出磁滞回线阶段，输出完整的由初始磁化曲线（13）、磁场强度递减阶段的磁滞回线（15）、磁场递增阶段的磁滞回线（17）构成闭合磁滞回线。