CN108226827B - 永磁体磁偏角测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁体磁偏角测量装置及方法，该装置包括：平台，平台上垂直固定有一组一维亥姆霍兹线圈、位于一组一维亥姆霍兹线圈之间的几何中心位置的旋转台，平台下方设有与旋转台连接并用以控制旋转台绕其旋转轴旋转设定周期的旋转控制机构；磁通计，与一维亥姆霍兹线圈电连接，用于接收一维亥姆霍兹线圈采集的周期数据并进行处理；处理分析模块，与磁通计连接，用于对经磁通计处理后的周期数据进行分析计算出周期数据中的相位角作为一维磁体偏角值、并用于将两组一维磁体偏角值进行合成得到磁体的三维磁偏角结果。本发明的永磁体磁偏角测量装置结构和操作更简单，且能够得到精确的角度测量结果。

Description

永磁体磁偏角测量装置及方法

技术领域

本发明涉及永磁体测量技术领域，特别地，涉及一种永磁体磁偏角测量装置及方法。

背景技术

各向异性永磁材料在磁场取向成型过程中，产品取向方向和取向磁场方向不平行而产生磁偏角；或在产品加工、装夹产品时未找正，而使产品几何对称轴和产品磁轴间产生磁偏角。磁偏角对精密磁性器件的性能有着重要影响。而对于永磁体样品的品质检验，磁偏角数据成为判别磁材质量的重要依据，是永磁材料重要品质之一。

目前市面上的磁偏角测量仪大多采用通过测量三轴磁矩分量来计算得出磁偏角方法，积分器的漂移和精度、三维亥姆霍兹线圈的垂直度和线圈常数的准确度对偏角测量影响非常大，导致测量出的结果往往精度并不高。

发明内容

本发明提供了一种永磁体磁偏角测量装置及方法，以解决现有测量装置和方法精度不高的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种永磁体磁偏角测量装置，包括：平台，平台上垂直固定有一组一维亥姆霍兹线圈、位于一组一维亥姆霍兹线圈之间的几何中心位置的旋转台，平台下方设有与旋转台连接并用以控制旋转台绕其旋转轴旋转设定周期的旋转控制机构；磁通计，与一维亥姆霍兹线圈电连接，用于接收一维亥姆霍兹线圈采集的周期数据并进行处理；处理分析模块，与磁通计连接，用于对经磁通计处理后的周期数据进行分析计算出周期数据中的相位角作为一维磁体偏角值、并用于将两组一维磁体偏角值进行合成得到磁体的三维磁偏角结果。

进一步地，处理分析模块包括傅立叶分析单元、相位角分析单元和合成单元，傅立叶分析单元用于对磁通计采集到的周期数据作傅立叶分析；相位角分析单元用于对经傅立叶分析后的周期数据计算其中的相位角作为一维磁体偏角值；合成单元用于对两组一维磁体偏角值进行合成得到磁体的三维磁偏角结果。

进一步地，旋转控制机构包括定位传感器、连接轴、电机和运动控制模块，电机的输出轴通过连接轴连接至旋转台的旋转轴；定位传感器固定设置于电机的上方且位于连接轴的旁侧或者旋转轴底端的旁侧，定位传感器用于在电机旋转至预定位置时导通并发送导通信号给运动控制模块；运动控制模块用于接收定位传感器发送的导通信号、以及控制电机以预定位置为起点旋转设定周期后停止。

进一步地，运动控制模块还用于在电机接收到启动信号后控制电机先向后转动预设缓冲角度，再向前旋转到定位传感器的初始导通位置，以及在电机旋转设定周期后继续向前转动预设缓冲角度后停止。

进一步地，连接轴上方套设有连接片，连接片的外缘向内凹陷形成有一处缺槽；定位传感器为红外对射式传感器；当电机旋转带动连接片同步旋转至缺槽对准红外对射式传感器时，红外对射式传感器导通。

根据本发明的另一方面，还提供了一种利用上述的永磁体磁偏角测量装置进行测量的永磁体磁偏角测量方法，包括如下步骤：

步骤S100，将测量磁体放置于旋转台并固定；

步骤S200，控制电机旋转带动旋转台绕其旋转轴旋转设定周期；

步骤S300，磁通计实时接收一组一维亥姆霍兹线圈采集的周期数据并进行处理；

步骤S400，处理分析模块接收经磁通计处理后的周期数据并进行处理分析得到一组一维磁体偏角值；

步骤S500，将测量磁体翻转设定角度固定于旋转台；

重复步骤S200、S300和S400得到另一组一维磁体偏角值；

步骤S600，处理分析模块对两组一维磁体偏角值进行合成得到磁体的三维磁偏角结果。

进一步地，步骤S400中，处理分析模块接收经磁通计处理后的周期数据，将得到的周期数据作傅立叶分析以滤除数据中的杂波，再分析其周期数据中的相位角作为一维磁体偏角值。

进一步地，步骤S200中，控制电机以定位传感器导通时的预定位置为起点旋转设定周期后停止。

优选地，步骤S200中，电机接收到启动信号后，控制电机先向后转动预设缓冲角度，再向前旋转到定位传感器的初始导通位置，接着以预定位置为起点旋转设定周期后继续向前转动预设缓冲角度后停止。

可选地，步骤S500中，设定角度为90°。

本发明的永磁体磁偏角测量装置，旋转台带动其上的测量磁体绕其旋转轴旋转设定周期，其只拥有一个旋转轴，结构和操作更简单；使用垂直于平台固定的一组一维亥姆霍兹线圈感应磁通，结构简单，相对于以往采用三维亥姆霍兹线圈的方式，一维亥姆霍兹线圈的垂直度更容易调整，能够提高测量精度；本发明的永磁体侧偏角测量方法，通过一维亥姆霍兹线圈和磁通计采样并通过数据处理分析得到一维磁体偏角值、再将两组一维磁体偏角值合成得到磁体的三维磁偏角结果，相对于以往三轴测量的方式，操作步骤更简单、测量快速、精度更高。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的永磁体磁偏角测量装置的结构示意图；

图2是图1中结构从另一方向的示意图；

图3是本发明优选实施例的永磁体磁偏角测量装置的结构框图；

图4是处理分析模块的结构框图；

图5是本发明优选实施例的永磁体磁偏角测量装置测量一维磁体偏角值的原理示意图；

图6是本发明优选实施例的永磁体磁偏角测量装置中磁通计采集一个周期信号的波形图；

图7是本发明优选实施例的永磁体磁偏角测量装置将两组一维磁体偏角值合成三维磁偏角的原理示意图。

附图标号说明：

1、平台；2、一维亥姆霍兹线圈；3、旋转台；30、旋转轴；4、磁通计；5、处理分析模块；50、傅立叶分析单元；51、相位角分析单元；52、合成单元；6、定位传感器；7、连接轴；70、连接片；8、电机；9、运动控制模块；10、显示终端；11、输入终端。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1和图3，本发明的优选实施例提供了一种永磁体磁偏角测量装置，包括：平台1，平台1上垂直固定有一组一维亥姆霍兹线圈2、位于一组一维亥姆霍兹线圈2之间的几何中心位置的旋转台3，平台1下方设有与旋转台3连接并用以控制旋转台3绕其旋转轴30旋转设定周期的旋转控制机构；磁通计4，与一维亥姆霍兹线圈2电连接，用于接收一维亥姆霍兹线圈2采集的周期数据并进行处理；处理分析模块5，与磁通计4连接，用于对经磁通计4处理后的周期数据进行分析计算出周期数据中的相位角作为一维磁体偏角值、并用于将两组一维磁体偏角值进行合成得到磁体的三维磁偏角结果。本发明的永磁体磁偏角测量装置，旋转台3只拥有一个旋转轴30，结构和操作更简单；使用垂直于平台1固定的一组一维亥姆霍兹线圈2感应磁通，结构简单，相对于以往采用三维亥姆霍兹线圈的方式，一维亥姆霍兹线圈2的垂直度更容易调整，能够提高测量精度。

本发明的平台1为机箱的水平上表面。一组一维亥姆霍兹线圈2垂直于机箱的水平上表面固定。旋转台3设置于一组一维亥姆霍兹线圈2的几何中心位置即一组一维亥姆霍兹线圈2的轴线上，使得置于其上的测量磁体也位于该几何中心位置。旋转台3下方连接有旋转轴30，旋转轴30的底端穿过平台1延伸至平台1下方。

如图1至图3中，进一步地，旋转控制机构包括定位传感器6、连接轴7、电机8和运动控制模块9。

本优选实施例中，旋转台3的旋转轴30底端穿过平台1位于平台1下方。本实施例中的电机8为步进电机。电机8的输出轴通过连接轴7连接至旋转台3的旋转轴30。定位传感器6固定设置于电机8的上方且位于连接轴7的旁侧或者旋转轴30底端的旁侧，定位传感器6用于在电机8旋转至预定位置时导通并发送导通信号给运动控制模块9。可选地，定位传感器6可以为接触导通式传感器，也可以为感应式传感器。本优选实施例中，在旋转轴30底端位于连接轴7上方套设有大致呈圆盘状的连接片70，连接片70的外缘向内凹陷形成有一处缺槽(未图示)。定位传感器6为红外对射式传感器，其包括位于连接片70上方的红外线发射器和位于连接片70下方的红外线接收器。当电机8的输出轴带动连接轴7和旋转轴30旋转时，连接片70受旋转轴30带动同步旋转，并在连接片70旋转至其缺槽对准红外对射式传感器时，缺槽上方的红外线发射器发射的红外线被缺槽下方的接收器接收从而使得定位传感器6导通，进而产生导通信号给运动控制模块9。

本发明采用单片机实现数据的计算分析和对机构的控制。具体地，单片机中具有运动控制模块9和处理分析模块5。

运动控制模块9用于接收定位传感器6发送的导通信号、以及控制电机8以预定位置为起点旋转设定周期后停止。进一步地，运动控制模块9还用于在电机8接收到启动信号后控制电机8先向后转动预设缓冲角度，再向前旋转到定位传感器6的初始导通位置，以及在电机8旋转设定周期后继续向前转动预设缓冲角度后停止。本发明通过控制电机8加速预设缓冲角度使电机8达到匀速、以及通过预设缓冲角度减速到停止，有利于电机8匀速转动至定位传感器6的初始的导通位置，以及防止电机8转动超过设定周期，从而可获得更准确的采样数据。进一步地，预设缓冲角度为30°。进一步地，设定周期为2。

参照图4，处理分析模块5包括傅立叶分析单元50、相位角分析单元51和合成单元52。傅立叶分析单元50用于对磁通计4采集到的周期数据作傅立叶分析。相位角分析单元51用于对经傅立叶分析后的周期数据计算其中的相位角作为一维磁体偏角值。合成单元52用于对两组一维磁体偏角值进行合成得到磁体的三维磁偏角结果。

本发明的永磁体磁偏角测量装置，还包括与处理分析模块5电连接的显示终端10和输入终端11。显示终端10例如可以是显示屏，用于显示处理分析模块5计算得到的一维磁体偏角值以及合成后的三维磁偏角结果。输入终端11包括位于机箱的启动面板上的启动按钮、测试按钮和按键等，用于启动测量装置进行测试、以及输入设定周期数和预设缓冲角度数值等。

本发明还提供了一种利用上述的永磁体磁偏角测量装置进行测量的永磁体磁偏角测量方法，包括如下步骤：

步骤S100，将测量磁体放置于旋转台3并固定；

步骤S200，控制电机8旋转带动旋转台3绕其旋转轴30旋转设定周期；

步骤S300，磁通计4实时接收一组一维亥姆霍兹线圈2采集的周期数据并进行处理；

步骤S400，处理分析模块5接收经磁通计4处理后的周期数据并进行处理分析得到一组一维磁体偏角值；

步骤S500，将测量磁体翻转设定角度固定于旋转台3；

重复步骤S200、S300和S400得到另一组一维磁体偏角值；

步骤S600，处理分析模块5对一组一维磁体偏角值进行合成得到磁体的三维磁偏角结果。

本发明的永磁体侧偏角测量方法，通过一维亥姆霍兹线圈2和磁通计4采样并通过数据处理分析得到一维磁体偏角值、再将两组一维磁体偏角值合成得到磁体的三维磁偏角结果，相对于以往三轴测量的方式，只需要将测量磁体翻转一次进行两次测量即可得到偏角结果，劳动强度小，操作步骤更简单、测量快速、精度更高。

进一步地，步骤S400中，处理分析模块5接收经磁通计4处理后的周期数据，将得到的周期数据作傅立叶分析以滤除数据中的杂波，再分析其周期数据中的相位角作为一维磁体偏角值。

进一步地，步骤S200中，控制电机8以定位传感器6导通时的预定位置为起点旋转设定周期后停止。

优选地，步骤S200中，电机8接收到启动信号后，控制电机8先向后转动预设缓冲角度，再向前旋转到定位传感器6的初始导通位置，接着以预定位置为起点旋转设定周期后继续向前转动预设缓冲角度后停止。可选地，预设缓冲角度为30°。通过控制电机8启动后先转动预设缓冲角度以达到匀速，使得电机8的输出轴带动旋转轴30以及测量磁体以匀速转动设定周期，可保证采集的周期数据更加准确。

可选地，步骤S500中，设定角度为90°。

下面给出一个具体的测量过程：

首先将待测量磁体放入旋转台3，通过控制旋转台3上的旋钮使夹片加紧测量磁体，按压启动面板上的测试按钮；

启动后，位于机箱内部的步进电机8接收到启动信号后先开始向后转动预设缓冲角度30°达到匀速，再向前旋转到第一次接触到定位传感器6的位置再旋转2个周期(整圈)加上30°(预设缓冲角度电机8减速所需的角度)，这2个整圈也就是需要采样的磁通数据；

磁通计4实时从亥姆霍兹线圈得到采样数据进行处理后将数据送入信号处理模块；

信号处理模块将得到的周期信号做傅立叶分析，最终将分析结果计算成一维磁体偏角值在显示屏上显示；

在一次测量后将测量磁体翻转90°方向进行固定，再通过以上步骤算出翻转方向后测量磁体的一维磁体偏角值，系统将自动对两组一维磁体偏角值进行合成，最终得到磁体的三维磁偏角结果。

参照图5至图7，本发明的测量原理如下：

单片机的运动控制模块9控制电机8旋转，带动旋转台3使测量磁体在亥姆霍兹线圈的几何中心位置绕Z轴旋转一周，磁通计4感应的磁通为一个周期性的正弦交流信号如图6中所示。同样地，绕Z轴旋转两周则得到两个周期性的正弦交流信号。信号的幅值正比于测量磁体磁矩在水平面上的分量Mxy。信号的初始相位等于测量磁体的水平分量磁矩Mxy与X轴夹角α。如果把测量磁体的理想取向方向平行于x轴，则该夹角即为样品实际磁化矢量的水平分量Mxy的偏角α。如果要确定测量磁体的三维磁场偏角，在测量完水平磁矩分量Mxy的偏角α后，将测量磁体绕X轴翻转90度，即将Mxz分量投射到XY平面，再测量一次，即可得出磁矩分量Mxz的偏角β。α、β即可确定M的空间矢量方向。

本发明通过采集测量磁体在一维亥姆霍兹线圈2的几何中心位置旋转设定周期的磁通信号，快速分离处理得到一维磁体偏角值，并通过两组一维磁体偏角值合成得到磁体的三维磁偏角结果，具有操作简单、测量快速、结果准确等优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种永磁体磁偏角测量装置，其特征在于，包括：

平台(1)，所述平台(1)上垂直固定有一组一维亥姆霍兹线圈(2)、位于一组所述一维亥姆霍兹线圈(2)之间的几何中心位置的旋转台(3)，所述平台(1)下方设有与所述旋转台(3)连接并用以控制所述旋转台(3)绕其旋转轴(30)旋转设定周期的旋转控制机构，所述设定周期为2；

磁通计(4)，与所述一维亥姆霍兹线圈(2)电连接，用于接收所述一维亥姆霍兹线圈(2)采集的周期数据并进行处理；

处理分析模块(5)，与所述磁通计(4)连接，用于对经所述磁通计(4)处理后的周期数据进行分析计算出周期数据中的相位角作为一维磁体偏角值、并用于将两组一维磁体偏角值进行合成得到磁体的三维磁偏角结果；

所述旋转控制机构包括定位传感器(6)、连接轴(7)、电机(8)和运动控制模块(9)，所述电机(8)的输出轴通过连接轴(7)连接至所述旋转台(3)的所述旋转轴(30)；

所述定位传感器(6)固定设置于所述电机(8)的上方且位于所述连接轴(7)的旁侧或者所述旋转轴(30)底端的旁侧，所述定位传感器(6)用于在所述电机(8)旋转至预定位置时导通并发送导通信号给所述运动控制模块(9)；

所述运动控制模块(9)用于接收所述定位传感器(6)发送的导通信号、以及控制所述电机(8)以所述预定位置为起点匀速旋转设定周期后停止；

所述运动控制模块(9)还用于在所述电机(8)接收到启动信号后控制所述电机(8)先向后转动预设缓冲角度，再向前旋转到所述定位传感器(6)的初始导通位置，以及在所述电机(8)匀速旋转设定周期后继续向前转动预设缓冲角度后停止，所述预设缓冲角度为30°。

2.根据权利要求1所述的永磁体磁偏角测量装置，其特征在于，

所述处理分析模块(5)包括傅立叶分析单元(50)、相位角分析单元(51)和合成单元(52)，

所述傅立叶分析单元(50)用于对所述磁通计(4)采集到的周期数据作傅立叶分析；

所述相位角分析单元(51)用于对经傅立叶分析后的周期数据计算其中的相位角作为一维磁体偏角值；

所述合成单元(52)用于对两组一维磁体偏角值进行合成得到磁体的三维磁偏角结果。

3.根据权利要求1所述的永磁体磁偏角测量装置，其特征在于，

所述连接轴(7)上方套设有连接片(70)，所述连接片(70)的外缘向内凹陷形成有一处缺槽；

所述定位传感器(6)为红外对射式传感器；

当电机(8)旋转带动所述连接片(70)同步旋转至所述缺槽对准红外对射式传感器时，所述红外对射式传感器导通。

4.一种利用权利要求1至3中任一所述的永磁体磁偏角测量装置进行测量的永磁体磁偏角测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S100，将测量磁体放置于旋转台(3)并固定；

步骤S200，控制电机(8)旋转带动旋转台(3)绕其旋转轴(30)旋转设定周期；

步骤S300，磁通计(4)实时接收一组所述一维亥姆霍兹线圈(2)采集的周期数据并进行处理；

步骤S400，处理分析模块(5)接收经所述磁通计(4)处理后的周期数据并进行处理分析得到一组一维磁体偏角值；

步骤S500，将测量磁体翻转设定角度固定于旋转台(3)；

重复步骤S200、S300和S400得到另一组一维磁体偏角值；

步骤S600，处理分析模块(5)对两组一维磁体偏角值进行合成得到磁体的三维磁偏角结果；

所述步骤S200中，控制所述电机(8)以定位传感器(6)导通时的预定位置为起点匀速旋转设定周期后停止；

所述步骤S200中，所述电机(8)接收到启动信号后，控制所述电机(8)先向后转动预设缓冲角度，再向前旋转到所述定位传感器(6)的初始导通位置，接着以所述预定位置为起点匀速旋转设定周期后继续向前转动预设缓冲角度后停止，所述预设缓冲角度为30°。

5.根据权利要求4所述的永磁体磁偏角测量方法，其特征在于，所述步骤S400中，

所述处理分析模块(5)接收经所述磁通计(4)处理后的周期数据，将得到的周期数据作傅立叶分析以滤除数据中的杂波，再分析其周期数据中的相位角作为所述一维磁体偏角值。

6.根据权利要求4所述的永磁体磁偏角测量方法，其特征在于，

所述步骤S500中，所述设定角度为90°。

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