CN110375656B - 磁致伸缩系数的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁致伸缩系数的测量装置，包括气浮动平台、激光测振仪、励磁单元、反光片自粘单元、滑动单元及取样单元；滑动单元包括一对导轨及可滑动地安装在导轨上的U型导轨；取样单元包括可滑动地安装在U型导轨上的机械抓手、设置在机械抓手一端的前吸盘及设置在机械抓手另一端的后吸盘，以及设置在导轨之间的试样待测框、试样测量框及试样回收框；反光片自粘单元包括布置在试样待测框旁的电动转盘及安装在机械抓手上的电磁吸盘。测量装置测量取向电工钢片的磁致伸缩应变量、噪声水平值的再现性可控制在3％以内，测量精度超过实验室的控制要求；同时，该测量装置实现了电工钢片磁致伸缩系数的非接触测量，效率高。

Description

磁致伸缩系数的测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于硅钢产品检测技术领域，具体涉及一种磁致伸缩系数的测量装置及测量方法。

背景技术

磁致伸缩效应是指铁磁材料在外加磁场环境下，材料的体积或尺寸随磁化强度增加而发生相应变化的现象。1842年，物理学家W. P.Joule发现了铁材料的磁致伸缩现象，随后关于铁合金的磁致伸缩现象也相继被发现，并对这些铁合金材料进行了研究。研究发现当这些铁磁材料受到外力或发生形变时可改变周围磁场，从而引发周围磁场规律性的变化，也就是物理学家维拉利发现的磁致伸缩逆效应，一般习惯称之为维拉利效应或逆磁致伸缩。以上研究表明，铁磁材料在外磁场下的形变和磁化强度有密切关系。磁致伸缩测量设备一般分为基于应变片方式和激光检测方式的测量系统。目前，国内外为一般应用应变片式磁致伸缩测量系统。

自2010年国际电工委员会公布了电工钢片磁致伸缩特性测量系统的技术报告IEC/TR62581后，行业内开始使用激光这一非接触测量方式实现磁致伸缩系数的测量。德国BROCKHAUS基于该技术文本，生产了用于一维磁致伸缩系数测量的测试系统。该测量系统包括主机、测量装置、激光发射接收器三部分组成。2018年6月，日本专家Masao结合多年的测量经验，再次提出了修订文本68/602/NP “Magnetic materials-Part 17:Methods ofmeasurement of the magnetostriction characteristics of electrical steel stripand sheet by means of a single sheet tester and an optical sensor”，目前，该文本也在逐渐讨论和验证中。而德国BROCKHAUS于2010年开发的一维磁致伸缩系数测量系统并不适应该标准文本的变化。

另外，进一步试验发现，Brockhaus开发的磁致伸缩测量仪的测量再现性偏差较大，一般都在10％以上，极端情况下会到50％，测量精度差，不符合实验室的精度要求。同时，现有采用激光测量磁致伸缩系数的设备，均需要手动在试样上粘接反光片、取放样品等人工操作，效率低，与当前低噪声取向电工钢产品指数式的增长需求和日益加快的产品检测周期要求不符。

目前，根据IEC技术报告68/602/NP的要求，现有取向硅钢(电工钢)交流磁致伸缩系数测量装置的再现性高达10％以上，且这些装置均需要手动在试样上粘接反光片、取放样品等人工操作，效率低，与当前低噪声取向电工钢产品指数式的增长需求和日益加快的产品检测周期要求不符。另外，由于人工粘贴反光片、调整激光焦点，反光片与激光器之间细小的位置和距离差异均会放大接收能量的随机波动，加上测量装置内部部分影响因素没有规避，导致测量结果波动性很大。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术缺陷，提供一种再现性控制在 3％以内、且精度效率高的磁致伸缩系数的测量装置及测量方法。

为实现上述目的，本发明所设计的磁致伸缩系数的测量装置，包括气浮动平台，均布置在所述气浮动平台上表面的激光测振仪、励磁单元、反光片自粘单元、滑动单元及取样单元；

所述滑动单元包括一对导轨及可滑动地安装在所述导轨上的U 型导轨；所述取样单元包括可滑动地安装在所述U型导轨上的机械抓手、设置在所述机械抓手一端的前吸盘及设置在所述机械抓手另一端的后吸盘，以及设置在所述导轨之间的试样待测框、试样测量框及试样回收框，所述励磁单元与所述试样测量框呈同一轴线布置；所述反光片自粘单元包括布置在试样待测框旁的电动转盘及安装在机械抓手上的电磁吸盘，且电磁吸盘与前吸盘同侧布置。

进一步地，所述激光测振仪位于所述气浮动平台上表面的一侧，所述滑动单元位于所述气浮动平台上表面的另一侧，所述励磁单元设置在所述气浮动平台上表面且位于所述激光测振仪与所述滑动单元之间；所述试样待测框、试样测量框及试样回收框平行并排布置，且所述试样测量框位于试样待测框与试样回收框之间。

进一步地，所述机械抓手上安装有两个电磁吸盘，两个所述电磁吸盘沿试样测量框轴线对称分布。

进一步地，所述取样单元还包括安装在试样测量框下表面的重量传感器。

进一步地，所述反光片的材质为酚醛树脂，反光片的质量小于 0.1g(控制在0.1g以内，对结果的几无影响，不需要设置下限)；所述反光片下表面粘有用于与试样粘接的薄膜橡胶磁片，所述薄膜橡胶磁片厚度不超过0.2mm，所述薄膜橡胶磁片磁力不大于0.2N。

进一步地，所述励磁单元包括励磁线圈线框和磁轭，所述励磁线圈线框包括骨架、一次线圈绕组、二次线圈绕组及H线圈绕组，二次线圈绕组位于一次线圈绕组内部均绕制在骨架上，且一次线圈绕组和二次线圈绕组均以骨架中心为中心对称且均匀布置；所述H 线圈绕组排布在骨架内框下表面，H线圈绕组以骨架中心为中心对称且均匀分布。

进一步地，所述骨架下表面贴有平面刚性片，平面刚性片为1mm 厚的氟树脂浸渍玻璃布胶膜，或者为0.8mm厚的玻璃环氧树脂片加 0.13mm厚的树脂浸渍玻璃布胶膜。

进一步地，所述一次线圈绕组的长度略小于骨架的长度，所述二次线圈绕组的长度为一次线圈绕组的一半，所述H线圈绕组的长度大于二次线圈绕组的长度、小于一次线圈绕组的长度；所述一次线圈绕组和所述二次线圈绕组的匝数均为360±20匝，所述H线圈绕组的匝数为200±20匝。

还提供一种如上述所述磁致伸缩系数的测量装置的测量方法，包括如下步骤：

1)将待测的试样放在试样待测框后，启动U型导轨和机械抓手，前吸盘、后吸盘将试样从试样待测框放入试样测量框，然后U型导轨运动至电动转盘旁，电磁吸盘通电吸取电动转盘内的反光片，反光片通过反光片下表面的薄膜橡胶磁片粘贴在试样的预设位置后，前吸盘、后吸盘吸起试样放入到励磁线圈线框的入口，前吸盘松开，后吸盘推动试样进入励磁线圈线框内；

2)激光测振仪发出激光照射在反光片上，试样被磁化至规定磁极化强度，激光测振仪的光电接收器根据反射光的频率变化，记录电压信号的波动，转换成磁致伸缩应变量，即得出试样磁致伸缩应变量与磁极化强度相关的曲线；

3)测量完成后，后吸盘吸住试样拉出，放置在试样测量框后， U型导轨运动带动电磁吸盘取下反光片，放入电动转盘的反光片槽内，前吸盘、后吸盘再将试样吸起放入试样回收框内；

4)重复步骤1)～步骤3)直至试样待测框没有样品为止。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明磁致伸缩系数的测量装置对应变反光片的平面及位置控制精度很高，测量取向电工钢片的磁致伸缩应变量、噪声水平值的再现性可控制在3％以内，测量精度超过实验室的控制要求；同时，该测量装置实现了电工钢片磁致伸缩系数的非接触测量，效率高。

附图说明

图1为本发明磁致伸缩系数的测量装置结构示意图；

图2为图1的主视示意图；

图3为磁致伸缩应变量与磁极化强度间的“蝴蝶曲线”。

其中：激光测振仪1、气浮动平台2、励磁单元3、导轨4、U型导轨5、试样回收框6、试样测量框7、试样待测框8、机械抓手9、电动转盘10、前吸盘11、电磁吸盘12、后吸盘13、试样14、励磁线圈线框15、磁轭16、重量传感器17。

具体实施方式

下面结合附图、具体实施例和对比例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1、图2所示磁致伸缩系数的测量装置包括气浮动平台2，均布置在气浮动平台2上表面的激光测振仪1、励磁单元3、反光片自粘单元、滑动单元及取样单元，其中，激光测振仪1位于气浮动平台2上表面的一侧，滑动单元位于气浮动平台2上表面的另一侧，励磁单元3设置在气浮动平台2上表面且位于激光测振仪1与滑动单元之间。滑动单元包括一对导轨4及可滑动地安装在该对导轨4 上的U型导轨5，一对导轨4沿气浮动平台2的长度方向对称且平行布置；取样单元包括可滑动地安装在U型导轨5上的机械抓手9、设置在机械抓手9一端的前吸盘11及设置在机械抓手9另一端的后吸盘13，以及平行并排设置在该对导轨4之间的试样待测框8、试样测量框7及试样回收框6，且试样测量框7位于试样待测框8与试样回收框6之间，同时，励磁单元3与试样测量框7呈同一轴线布置。另外，反光片自粘单元包括布置在试样待测框8旁的电动转盘 10及安装在机械抓手9上的电磁吸盘12，且电磁吸盘12与前吸盘 11同侧布置，通过电磁吸盘12的通断电实现自动吸起或放下反光片，电动转盘10上开设有供反光片安装的反光片卡槽；本实施例中，机械抓手9上安装有两个电磁吸盘12，两个电磁吸盘12沿试样测量框 7轴线对称分布，同时随着机械抓手9上下移动。

由于气浮动平台2采用气体作为介质，一方面保持整个测量平面在同一水平面上，另一方面消除来自地面及周围环境的振动。另外，取样单元还包括安装在试样测量框下表面的重量传感器17，用于称取试样重量。

本实施例中，反光片的材质为非导电、非磁性材料，优选酚醛树脂，一是酚醛树脂电绝缘性能好，二是酚醛树脂受环境影响小，耐水、耐热、耐酸碱，不易变形，更重要的是酚醛树脂表面光泽度高，对激光能量的吸收和转化率小。因为反光片粘贴在试样表面上，为避免其自重影响试样纵横方向上的微小振动变形，反光片质量小于0.1g。

因激光测振仪发出的激光波长是固定的，只有偏振仪与反光片的距离固定，才能有效保证测量效果，因此，在反光片下表面粘有用于与试样粘接的薄膜橡胶磁片，薄膜橡胶磁片是一种介质，为避免干扰试样振动的传递，薄膜橡胶磁片厚度不应超过0.2mm，同时考虑到反光片自动取下时，不因磁力太大带走试样，通过目前最薄 0.18mm试样的反复测试，薄膜橡胶磁片磁力不应大于0.2N。

本实施例中，励磁单元包括励磁线圈线框15和磁轭16，励磁线圈线框包括骨架、一次线圈绕组及二次线圈绕组，二次线圈绕组位于一次线圈绕组内部均绕制在骨架上，且一次线圈绕组和二次线圈绕组均以骨架中心为中心对称且均匀布置，本实施例中，一次线圈绕组的长度略小于骨架的长度，二次线圈绕组的长度为一次线圈绕组的一半；另外，测量磁致伸缩系数的同时还要了解材料的比总损耗等其它磁参量，可在骨架内框下表面排布H线圈绕组，H线圈绕组以骨架中心为中心对称且均匀分布，本实施例中H线圈绕组的长度大于二次线圈绕组的长度、小于一次线圈绕组的长度；同时，绕线匝数可根据测量电源和频率要求设计，工频条件下，一次线圈绕组和二次线圈绕组的匝数均为360±20匝，H线圈绕组的匝数为200 ±20匝。

骨架下表面贴有非导电、非磁性材料制成的平面刚性片，平面刚性片必须具有低的摩擦系数，经试验发现，氟树脂浸渍玻璃布胶膜不会对试样振动的传递带来影响，因此，本实施例中平面刚性片为1mm厚的氟树脂浸渍玻璃布胶膜或0.8mm厚的玻璃环氧树脂片加0.13mm厚的树脂浸渍玻璃布胶膜，当表面粗糙度变化超过10％，应及时更换平面刚性片。

本实施例中，磁轭16为垂直的C型单磁轭，骨架与垂直的C型单磁轭构成磁路回路，对试样进行励磁，也可以进行比总损耗、励磁有效功率等磁参量的测量。

本发明磁致伸缩系数测量装置的测量方法具体过程如下：

1)将待测的试样14放在试样待测框8后，启动U型导轨5和机械抓手9，前吸盘11、后吸盘13将试样14从试样待测框8放入试样测量框7，然后U型导轨5运动至电动转盘10旁，电磁吸盘12 通电吸取电动转盘10内的反光片，反光片通过反光片下表面的薄膜橡胶磁片粘贴在试样的预设位置后，前吸盘、后吸盘吸起试样放入到励磁线圈线框的入口，前吸盘松开，后吸盘推动试样进入励磁线圈线框内；

2)激光测振仪1发出激光照射在反光片上，试样14被磁化至规定磁极化强度，激光测振仪1的光电接收器根据反射光的频率(样品振动会带来位移变化)变化，记录电压信号的波动，转换成磁致伸缩应变量，即可得出试样磁致伸缩应变量与磁极化强度相关的“蝴蝶曲线”，如图3所示；

3)测量完成后，后吸盘13吸住试样14拉出，放置在试样测量框7后，U型导轨5运动带动电磁吸盘12取下反光片，放入电动转盘的反光片槽内，前吸盘11、后吸盘13再将试样14吸起放入试样回收框6内；

4)重复步骤1)～步骤3)直至试样待测框没有样品为止。

经大量试验，使用本发明磁致伸缩系数的测量装置在工频和磁极化强度1.7T条件下，测量取向电工钢片的磁致伸缩应变量、噪声水平值的再现性可控制在3％以内，测量精度超过实验室的控制要求；同时，该测量装置实现了电工钢片磁致伸缩系数的非接触测量，效率高。

Claims (5)

1.一种磁致伸缩系数的测量装置，其特征在于：包括气浮动平台，均布置在所述气浮动平台上表面的激光测振仪、励磁单元、反光片自粘单元、滑动单元及取样单元；

所述滑动单元包括一对导轨及可滑动地安装在所述导轨上的U型导轨；所述取样单元包括可滑动地安装在所述U型导轨上的机械抓手、设置在所述机械抓手一端的前吸盘及设置在所述机械抓手另一端的后吸盘，以及设置在所述导轨之间的试样待测框、试样测量框及试样回收框，所述励磁单元与所述试样测量框呈同一轴线布置；所述反光片自粘单元包括布置在试样待测框旁的电动转盘及安装在机械抓手上的电磁吸盘，且电磁吸盘与前吸盘同侧布置；

所述反光片的材质为酚醛树脂，反光片的质量小于0.1g；所述反光片下表面粘有用于与试样粘接的薄膜橡胶磁片，所述薄膜橡胶磁片厚度不超过0.2mm，所述薄膜橡胶磁片磁力不大于0.2N；

所述励磁单元包括励磁线圈线框和磁轭，所述励磁线圈线框包括骨架、一次线圈绕组、二次线圈绕组及H线圈绕组，二次线圈绕组位于一次线圈绕组内部均绕制在骨架上，且一次线圈绕组和二次线圈绕组均以骨架中心为中心对称且均匀布置；所述H线圈绕组排布在骨架内框下表面，H线圈绕组以骨架中心为中心对称且均匀分布；所述骨架下表面贴有平面刚性片，平面刚性片为1mm厚的氟树脂浸渍玻璃布胶膜，或者为0.8mm厚的玻璃环氧树脂片加0.13mm厚的树脂浸渍玻璃布胶膜；所述一次线圈绕组的长度略小于骨架的长度，所述二次线圈绕组的长度为一次线圈绕组的一半，所述H线圈绕组的长度大于二次线圈绕组的长度、小于一次线圈绕组的长度；所述一次线圈绕组和所述二次线圈绕组的匝数均为360±20匝，所述H线圈绕组的匝数为200±20匝。

2.根据权利要求1所述磁致伸缩系数的测量装置，其特征在于：所述激光测振仪位于所述气浮动平台上表面的一侧，所述滑动单元位于所述气浮动平台上表面的另一侧，所述励磁单元设置在所述气浮动平台上表面且位于所述激光测振仪与所述滑动单元之间；所述试样待测框、试样测量框及试样回收框平行并排布置，且所述试样测量框位于试样待测框与试样回收框之间。

3.根据权利要求1所述磁致伸缩系数的测量装置，其特征在于：所述机械抓手上安装有两个电磁吸盘，两个所述电磁吸盘沿试样测量框轴线对称分布。

4.根据权利要求1所述磁致伸缩系数的测量装置，其特征在于：所述取样单元还包括安装在试样测量框下表面的重量传感器。

5.一种如权利 要求 1所述磁致伸缩系数的测量装置的测量方法，其特征在于：所述测量方法包括如下步骤：

1)将待测的试样放在试样待测框后，启动U型导轨和机械抓手，前吸盘、后吸盘将试样从试样待测框放入试样测量框，然后U型导轨运动至电动转盘旁，电磁吸盘通电吸取电动转盘内的反光片，反光片通过反光片下表面的薄膜橡胶磁片粘贴在试样的预设位置后，前吸盘、后吸盘吸起试样放入到励磁线圈线框的入口，前吸盘松开，后吸盘推动试样进入励磁线圈线框内；

2)激光测振仪发出激光照射在反光片上，试样被磁化至规定磁极化强度，激光测振仪的光电接收器根据反射光的频率变化，记录电压信号的波动，转换成磁致伸缩应变量，即得出试样磁致伸缩应变量与磁极化强度相关的曲线；

3)测量完成后，后吸盘吸住试样拉出，放置在试样测量框后，U型导轨运动带动电磁吸盘取下反光片，放入电动转盘的反光片槽内，前吸盘、后吸盘再将试样吸起放入试样回收框内；

4)重复步骤1)～步骤3)直至试样待测框没有样品为止。

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