CN110471009A - 宽温域磁通温度特性测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽温域磁通温度特性测量装置及方法。所述的装置包括：样品室，其包括分别用于放置标准样品(6)、待测样品(7)的恒温腔室(11)、变温腔室(12)；感应信号采集系统，其用于检测待测样品(7)与标准样品(6)的磁通信号差值；温度探测及控制系统，其至少用于对变温腔室(12)的温度进行调控和测量；计算机控制和处理系统(5)，其与所述感应信号采集系统和温度探测及控制系统连接，并至少用于控制所述温度探测及控制系统的工作状态。本发明采用样品翻转的方式产生感应电压信号，采用两赫姆霍兹线圈感应电压信号差示的方法，提高了磁通信号测量的精度，适合测量温度系数优于‑1％％/℃的低温度系数永磁材料。
Description
技术领域
本发明特别涉及一种宽温域磁通温度特性测量装置及方法，属于磁性材料测试技术领域。
背景技术
永磁材料作为重要的功能器件，广泛用于先进武器装备中，永磁材料本身的温度稳定性直接决定了整个武器装备的稳定性和可靠性。随着武器装备高精度需求的发展，对永磁材料磁通提出了30ppm/℃的波动要求，这一指标不仅对高稳定性永磁材料的开发提出更高的要求，同时对永磁材料的检测技术带来了巨大的挑战。
CN 102830375 A公开了在开路中测量永磁体和永磁材料磁通温度特性的装置及方法，根据电磁感应原理，采用样品在赫姆霍兹线圈中提拉产生感应电动势的方式获取信号，样品变温系统与信号产生系统和样品提拉控制系统分离，避免了样品升降温过程中电流对磁通信号的影响，但缺点是样品的控温精度低。
尤其是测量温度系数优于0.3％％/℃的超低温度系数永磁材料，现有的检测装置和方法都存在控温精度差或信号采集精度差等分辨率低、重复性差等问题，需要一种更好的测量方法满足高精度检测的需求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种宽温域磁通温度特性测量装置及方法，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种宽温域磁通温度特性测量装置，包括：
样品室，其包括分别用于放置标准样品6、待测样品7的恒温腔室11、变温腔室12；
感应信号采集系统，其用于检测待测样品7与标准样品6的磁通信号差值；
温度探测及控制系统，其至少用于对变温腔室12的温度进行调控和测量；
计算机控制和处理系统5，其与所述感应信号采集系统和温度探测及控制系统连接，并至少用于控制所述温度探测及控制系统的工作状态。
本发明实施还提供了一种宽温域磁通温度特性测量方法，所述方法是基于所述的宽温域磁通温度特性测量装置实施的，并且所述方法包括：
以样品转动控制系统驱使标准样品6、待测样品7分别在感应信号采集与处理系统内的相应赫姆霍兹线圈21中转动并切割磁力线而产生感应电压信号，
同时利用温度探测及控制系统调控和检测待测样品7的温度，
以感应信号采集与处理系统对由标准样品6、待测样品7产生的感应电压信号进行处理，获得两者的感应电压信号差值，并转换为磁通信号差值，
以及，利用计算机控制和处理系统5接收待测样品7的温度数据、所述磁通信号差值，并计算出待测样品的磁通温度特性值，所述磁通温度特性值包括待测样品在不同温度点的磁通值 B、磁通温度系数ΔB/B0ΔT及不同温度区间下的平均磁通温度系数。
与现有技术相比，本发明提供的宽温域磁通温度特性测量装置及方法采用样品翻转的方式产生感应电压信号，采用两赫姆霍兹线圈感应电压信号差示的方法，提高了磁通信号测量的精度；采用特殊的温度探测及控制系统，不仅避免了加热方式对磁通信号的干扰，还可以实时监测和控制待测样品的温度，提高温度控制的精度；提供的测量方法测量精度高，适合测量温度系数优于-1％％/℃的低温度系数永磁材料。
附图说明
图1是本发明实施例1中一种宽温域磁通温度特性测量装置的结构示意图；
图2是本发明实施例1中变温腔室的结构示意图；
图3是本发明实施例2中一种宽温域磁通温度特性测量装置的结构示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例提供了一种宽温域磁通温度特性测量装置，包括：
样品室，其包括分别用于放置标准样品6、待测样品7的恒温腔室11、变温腔室12；
感应信号采集系统，其用于检测待测样品7与标准样品6的磁通信号差值；
温度探测及控制系统，其至少用于对变温腔室12的温度进行调控和测量；
计算机控制和处理系统5，其与所述感应信号采集系统和温度探测及控制系统连接，并至少用于控制所述温度探测及控制系统的工作状态。
在一些较为具体的实施方案中，所述感应信号采集系统包括：
串联设置的两个赫姆霍兹线圈21，其分别用于采集标准样品6、待测样品7的感应电压信号；
电压信号转换及放大装置，其用于收集和处理所述两个赫姆霍兹线圈21产生的感应电压信号差值并转换成磁通信号差值，再将磁通信号差值传输给计算机控制和处理系统。
进一步的，所述的宽温域磁通温度特性测量装置还包括样品转动控制系统，其用于驱使标准样品6、待测样品7分别在两个赫姆霍兹线圈21中转动并切割磁力线而产生感应电压信号。
更进一步的，所述样品转动控制系统包括传动连接的转动电机31和样品杆32，所述的样品杆32与常温样品台13、变温样品台15传动连接。
在一些较为具体的实施方案中，所述温度探测及控制系统包括：
温度传感器41，
温度测量仪42，
温度实现装置43，其用于对待测样品7的温度进行调控。
优选的，所述温度实现装置43包括加热系统431、冷却系统432和鼓风系统433。
在一些较为具体的实施方案中，所述温度探测及控制系统与所述变温腔室12连通而组成高低温度试验箱，并且所述温度实现装置43远离所述感应信号采集系统设置。
进一步的，所述计算机控制和处理系统5还用于控制所述样品转动及控制系统的工作状态。
在一些较为具体的实施方案中，所述标准样品6为具有单一磁化方向的铝镍钴永磁体；所述待测样品7为任意形状的具有单一磁化方向的永磁体。
本发明实施还提供了一种宽温域磁通温度特性测量方法，所述方法是基于所述的宽温域磁通温度特性测量装置实施的，并且所述方法包括：
以样品转动控制系统驱使标准样品6、待测样品7分别在感应信号采集与处理系统内的相应赫姆霍兹线圈21中转动并切割磁力线而产生感应电压信号，
同时利用温度探测及控制系统调控和检测待测样品7的温度，
以感应信号采集与处理系统对由标准样品6、待测样品7产生的感应电压信号进行处理，获得两者的感应电压信号差值，并转换为磁通信号差值，
以及，利用计算机控制和处理系统5接收待测样品7的温度数据、所述磁通信号差值，并计算出待测样品的磁通温度特性值，所述磁通温度特性值包括待测样品在不同温度点的磁通值 B、磁通温度系数ΔB/B0ΔT及不同温度区间下的平均磁通温度系数。
在一些更为具体的实施方案中，请参阅图1，本发明提供了一种宽温域高精度测量永磁材料和永磁器件磁通温度特性的装置，包括样品室，感应信号采集与处理系统、样品转动及控制系统、温度探测及控制系统、计算机控制和处理系统5。
所述的样品室包含恒温腔室11和变温腔室12；所述的恒温腔室11用于放置标准样品6，可以为封闭式也可以敞开式，优选为敞开式；所述变温腔室12用于放置待测样品7，并对待测样品7保温。
在一些较为具体的实施方案中，样品室包括：常温腔室11和变温腔室12；常温腔室11包括常温样品台13，其至少用于固定标准样品6，由非导磁材料而成，优选为聚四氟乙烯；样品台13置于赫姆霍兹线圈21的均匀区内；常温腔室底座14由非导磁材料而成，优选为铝合金，常温腔室底座14中部有通孔。变温腔室12包括样品台15，样品台15至少用于固定待测样品 7，由非导磁材料而成，优选为高纯紫铜；变温腔室底座16由非导磁材料而成，优选为铝合金，变温腔室底座16有两个通孔；保温罩17，外壳为非导磁材料，中心填充隔热材料，隔热材料优选为石棉或真空腔体，保温罩上端有可以安装温度传感器41的通孔。
所述的感应信号采集与处理系统采用计算待测样品7与标准样品6磁通信号差式的方式，提高磁通信号的测量精度，其包括两个赫姆霍兹线圈21，一个用于标准样品6感应信号采集，一个用于待测样品7感应信号采集。
所述样品转动及控制系统采用样品在线圈中翻转的方式切割磁力线产生电压信号，具体为转动电机31通过两个样品杆32带动样品室1中的样品台13/15分别在两个赫姆霍兹线圈21中翻转，两个样品台13/15可同步转动也可不同步转动，优选为同步转动。
在一些较为具体的实施方案中，样品转动及控制系统至少用于控制标准样品和待测样品的转动，包括样品杆31，样品杆由非导磁材料而成，优选为石英玻璃，样品杆的一端穿过样品室底座14/16的通孔进入赫姆霍兹线圈21均匀区内连接样品台13/15，样品杆和样品台的连接方式优选为曲轴链接，另一端连接转动电机32；转动电机32远离感应信号采集与处理系统，用于带动标准样品6和待测样品7分别在两赫姆霍兹线圈21均匀区内翻转产生感应电压，所述的转动电机32受控于计算机控制和处理系统5。
所述的感应信号采集与处理系统，用于检测和处理感应电压信号，将感应电压信号转换成磁通数据；所述的感应信号采集与处理系统包括两个串联连接的赫姆霍兹线圈21，用于分别检测标准样品6和待测样品7的感应电压值；电压信号转换及放大装置22，作为优选方案之一为磁通计，用于收集和处理两赫姆霍兹线圈21产生的感应电压信号差值，并将感应电压信号转换成磁通数值，并将磁通数值传输给计算机控制和处理系统5。
所述的温度探测及控制系统，用于测量和控制待测样品7的温度，与变温腔室12组成高低温度试验箱。温度探测及控制系统包括温度传感器41，温度传感器41安装于样品台15底部的小孔中并与待测样品7接触，用于时时测量待测样品的温度信号；温度测量仪42，用于接收温度传感器41的温度信号并显示待测样品7的温度值，以及将温度值传送到计算机控制和处理系统5；温度实现装置43，用于对待测样品进行加热或降温，达到控制待测样品到设定温度并保持温度稳定的功能。所述温度实现装置43远离所述的赫姆霍兹线圈21；所述的温度实现装置 43包括加热系统431，其用于对高低温试验箱的加热升温，受控于所述的计算机控制和处理系统5；冷却系统432，用于对高低温试验箱的冷却降温，受控于所述的计算机控制和处理系统 5；鼓风系统433，起到对待测样品7散热和变温腔室12温度均匀化的作用，使所述变温室12 中待测样品7的温度达到设定温度，并保持温度稳定。
所述的计算机控制和处理系统5，用于控制所述样品转动及控制系统中转动电机32的转动；控制所述温度探测及控制系统中温度实现装置43中的温度加热和冷却；接收信号采集与处理系统中电压信号转换及放大装置22的磁通或电压信号；接收温度探测及控制系统中温度测量仪42的温度值；处理数据并计算出不同温度下的磁通温度系数ΔB/B0ΔT。
本发明同时提供了一种宽温域磁通温度特性测量方法，根据电磁感应原理，利用样品转动及控制系统使待测样品7和标准样品6在感应信号采集与处理系统的赫姆霍兹线圈21中翻转产生感应电动势差值，将信号放大处理后传输给计算机控制和处理系统5，同时利用特殊的高低温烘箱对待测样品7进行实时控温，并将待测样品温度传输给计算机控制和处理系统5，计算机控制和处理系统5计算出待测样品不同温度点的磁通值B、磁通温度系数ΔB/B0ΔT及不同温度区间下的平均磁通温度系数等磁通温度特性值。
如下将结合附图和具体实施例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
实施例1
请参阅图1，本实施例采用待测样品变温时与恒温标准样品磁通差值的方式，测量永磁材料和永磁体磁通温度特性。
本实施例中的一种宽温域磁通温度特性测量装置由样品室，感应信号采集与处理系统、样品转动及控制系统、温度探测及控制系统、计算机控制和处理系统5组成。
样品室包含恒温腔室11和变温腔室12。恒温腔室11由样品台13和带有通孔的常温腔室底座14组成，标准样品6固定在样品台13上；变温腔室12如图2所示，由样品台15、带有两个通孔的变温腔室底座16、保温罩17组成，待测样品7固定在样品台15。
感应信号采集与处理系统用于测量待测样品与标准样品感应电压信号的差值，将电压差值经放大后转换成磁通数值，并将磁通数值传输给计算机控制和处理系统5。由两个串联连接的赫姆霍兹线圈21和磁通计22组成。磁通计22的输入端与两串联后的赫姆霍兹线圈21的输出端连接，磁通计22的输出端与计算机控制和处理系统5连接。
样品转动及控制系统用于控制标准样品6和待测样品7的转动，由两个样品杆31、一个转动电机32组成。两个样品杆31一端分别与样品台13、15曲轴连接，另外一端与转动电机32 连接，转动电机32与计算机控制和处理系统5连接，由计算机控制和处理系统5控制转动电机32，通过两个样品杆32和样品台13和15带动标准样品6和待测样品7在赫姆霍兹线圈21的均匀区中翻转，产生感应电压信号。
温度探测及控制系统用于测量和控制待测样品7的温度，由温度传感器41、温度测量仪 42、温度实现装置43组成，与变温腔室12共同组成高低温度试验箱。其中温度实现装置43由加热装置431、冷却装置432和鼓风系统433组成。温度实现装置43通过样品底座通孔与变温腔室12相通，接受计算机控制和处理系统5的指令对待测样品7进行加热或降温，温度传感器 41与温度测量仪42测量并显示待测样品7的温度，将温度数值传输给计算机控制和处理系统 5。
加热装置431选择电阻丝加热，对待测样品7进行加热，鼓风系统433对待测样品散热和变温腔室12温度均匀化，使待测样品7达到预设温度；冷却装置432选择压缩机和制冷剂或则液氮装置，对待测样品7进行降温，实现室温以下温度的测试。
计算机控制和处理系统5向温度实现装置发出温度控制指令；向转动电机32发出转动指令；记录温度传感器41与温度测量仪42输送的温度信号；接收磁通计22的磁通输出信号；计算并处理接收的温度和磁通数值得到待测样品7的磁通温度特性。
实施例2
请参考图3所示，本实施例中的一种宽温域磁通温度特性测量装置中，样品室只有变温室 12和待测样品7；感应信号采集与处理系统由单个赫姆霍兹线圈21和磁通计22组成，磁通计 22接收和输出的是待测样品7的磁通值；样品转动及控制系统由单个样品杆15和转动电机 32。转动电机32通过样品杆15带动待测样品7在赫姆霍兹线圈21中的均匀区中翻转，磁通计 22接收待测样品磁通信号并传输给计算机控制和处理系统5；其它结构与实施例1相同。
分别采用实施例1和实施例2中提供的一种宽温域磁通温度特性测量装置进行永磁材料和永磁体磁通温度特性测量，其中采用的标准样品为：Alnico8，Φ10*10mm的标准样柱；待测样品1：低温度系数SmCo，Φ10*10mm的样柱；待测样品2：高性能SmCo(SC30)Φ10*10mm 的样柱。
实施例1中的测试数据结果如表1所示：
表1为实施例1中待测样品1和待测样品2对应的测试条件和测试结果
实施例2测试结果如表2所示：
表2为实施例2中待测样品1和待测样品2对应的测试条件和测试结果
通过比对实施例1与实施例2中的测量结果显示，本发明提供的宽温域磁通温度特性测量装置及方法采用样品翻转的方式产生感应电压信号，采用两赫姆霍兹线圈感应电压信号差示的方法，提高磁通信号测量的精度，采用特殊的温度探测及控制系统，不仅避免了加热方式对磁通信号的干扰，还可以实时监测和控制待测样品的温度，提高温度控制的精度；提供的测量方法精度高，适合测量温度系数优于-1％％/℃的低温度系数永磁材料。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种宽温域磁通温度特性测量装置，其特征在于包括：
样品室，其包括分别用于放置标准样品(6)、待测样品(7)的恒温腔室(11)、变温腔室(12)；
感应信号采集系统，其用于检测待测样品(7)与标准样品(6)的磁通信号差值；
温度探测及控制系统，其至少用于对变温腔室(12)的温度进行调控和测量；
计算机控制和处理系统(5)，其与所述感应信号采集系统和温度探测及控制系统连接，并至少用于控制所述温度探测及控制系统的工作状态。
2.根据权利要求1所述的宽温域磁通温度特性测量装置，其特征在于：所述的恒温腔室(11)包括常温样品台(13)和常温样品室底座(14)，所述的变温腔室(12)包括变温样品台(15)、和变温样品室底座(16)。
3.根据权利要求1所述的宽温域磁通温度特性测量装置，其特征在于：所述感应信号采集系统包括：
串联设置的两个赫姆霍兹线圈(21)，其分别用于采集标准样品(6)、待测样品(7)的感应电压信号；
电压信号转换及放大装置，其用于收集和处理所述两个赫姆霍兹线圈(21)产生的感应电压信号差值并转换成磁通信号差值，再将磁通信号差值传输给计算机控制和处理系统。
4.根据权利要求3所述的宽温域磁通温度特性测量装置，其特征在于还包括样品转动控制系统，其用于驱使标准样品(6)、待测样品(7)分别在两个赫姆霍兹线圈(21)中转动并切割磁力线而产生感应电压信号。
5.根据权利要求4所述的宽温域磁通温度特性测量装置，其特征在于：所述样品转动控制系统包括传动连接的转动电机(31)和样品杆(32)，所述的样品杆(32)与常温样品台(13)、变温样品台(15)传动连接。
6.根据权利要求1所述的宽温域磁通温度特性测量装置，其特征在于：所述温度探测及控制系统包括：
温度传感器(41)，
温度测量仪(42)，以及
温度实现装置(43)，其用于对待测样品(7)的温度进行调控；
所述温度实现装置(43)包括加热系统(431)、冷却系统(432)和鼓风系统(433)。
7.根据权利要求6所述的宽温域磁通温度特性测量装置，其特征在于：所述温度探测及控制系统与所述变温腔室(12)连通而组成高低温度试验箱，并且所述温度实现装置(43)远离所述感应信号采集系统设置。
8.根据权利要求1所述的宽温域磁通温度特性测量装置，其特征在于：所述计算机控制和处理系统(5)还用于控制所述样品转动及控制系统的工作状态。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的宽温域磁通温度特性测量装置，其特征在于：所述标准样品(6)为具有单一磁化方向的铝镍钴永磁体；所述待测样品(7)为任意形状的具有单一磁化方向的永磁体。
10.一种宽温域磁通温度特性测量方法，其特征在于：所述方法是基于权利要求1-9中任一项所述的装置实施的，并且所述方法包括：
以样品转动控制系统驱使标准样品(6)、待测样品(7)分别在感应信号采集与处理系统内的相应赫姆霍兹线圈(21)中转动并切割磁力线而产生感应电压信号，
同时利用温度探测及控制系统调控和检测待测样品(7)的温度，
以感应信号采集与处理系统对由标准样品(6)、待测样品(7)产生的感应电压信号进行处理，获得两者的感应电压信号差值，并转换为磁通信号差值，
以及，利用计算机控制和处理系统(5)接收待测样品(7)的温度数据、所述磁通信号差值，并计算出待测样品的磁通温度特性值，所述磁通温度特性值包括待测样品在不同温度点的磁通值B、磁通温度系数△B/B0△T及不同温度区间下的平均磁通温度系数。
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