CN111157928A - 材料磁性在线快速检测系统及其检测方法 - Google Patents

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CN111157928A CN202010012391.4A CN202010012391A CN111157928A CN 111157928 A CN111157928 A CN 111157928A CN 202010012391 A CN202010012391 A CN 202010012391A CN 111157928 A CN111157928 A CN 111157928A
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张涛
陈铎霄
韩冰
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Abstract

本发明涉及一种材料磁性在线快速检测系统，该系统的低电压控制单元供电端连接电源，控制端连接升压单元的输入，可调节升压单元的输入电压范围在0V到220V之间；升压单元的输出连接主线和副线；分段式电容储能单元连接在主线与副线之间，并通过电容放电控制单元连接脉冲磁场产生单元；待测样品放置在脉冲磁场产生单元中，磁通检测单元用于采集待测样品的感应电动势e并计算磁场强度H和磁感应强度B。本发明可以完成对产品的在线式全部检测，系统操作简单，检测速度快，普通人员即可操作，能用于大批量产品的全部检测。

Description

材料磁性在线快速检测系统及其检测方法
技术领域
本发明属于材料磁性检测技术领域，特别涉及一种自适应脉冲磁场下材料磁性的快速检测系统及其检测方法。
背景技术
磁性材料是金属功能材料的重要分支，其性能的检测是材料研发、生产过程中不可缺少的技术环节。
目前，我国很多磁性材料企业普遍意识到以前存在的生产工艺控制精度不够，质量意识低，管理粗放的问题，这导致了产品一致性差，成品率不高，产品性能低，影响了企业自身的竞争力和市场占有率，并且很多厂家由于分析手段的不足未做必要的跟踪检测和严密控制。因此，对于产品生产和研发过程中的检测技术和设备的需求更加迫切。现在市场上主流的磁性材料检测仪器大多是适合企业进行抽样检测，一批样品中抽出一部分来进行检测分析，效率比较低，操作比较繁琐，而且随着产品生产规模的增大和质量的高要求，迫切需要合适的快速在线检测系统对每一批产品进行全部检测，对材料磁特性进行快速检测和分析。
为了改善这些现状，为企业提供一套快速材料磁性在线检测系统，适合普通工作人员操作，能够让企业在生产磁性功能材料产品的同时完成对全部产品的性能检测，及时找出造成的产品缺陷或者质量性能不佳的原因。质量检测做到了，企业生产的磁性产品才能性能好、稳定性高、竞争力强，材料的质量提升了，我们国家的电子行业如家电、汽车、医疗、军事等行业的产品才能有质量保障。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种材料磁性在线快速检测系统及其检测方法。
为了解决上述技术问题，本发明的材料磁性在线快速检测系统包括包括低电压控制单元、升压单元、分段式电容储能单元、电容放电控制单元、脉冲磁场产生单元、磁通检测单元；低电压控制单元供电端连接电源，控制端连接升压单元的输入，可调节升压单元的输入电压范围在0V到220V之间；升压单元的输出连接主线4-1和副线4-2；分段式电容储能单元连接在主线4-1与副线4-2之间，并通过电容放电控制单元连接脉冲磁场产生单元；待测样品放置在脉冲磁场产生单元中，磁通检测单元用于采集待测样品的感应电动势e并计算磁场强度H和磁感应强度B；所述的低压控制电路包括电子调压器控制端2-1，电压设定数字电压表为2-2，滑动变阻器2-3，多圈电位器2-4；多圈电位器2-4的电阻两端分别与5V电源和地线相连，滑动端分别与电子调压器控制端2-1和滑动变阻器2-3的一端相连；电子调压器控制端2-1的另一端接地；滑动变阻器2-3的另一端与电压设定数字电压表2-2的电源输入端相连，电压设定数字电压表2-2的另一端连接地；升压单元包括电子调压器3-1，大功率变压器3-2；电子调压器3-1的输入端连接220V交流电，电子调压器3-1的输出与大功率变压器3-2的初级线圈相连，大功率变压器3-2的次级线圈一端通过A大功率二极管D1连接主线4-1，另一端连接副线4-2。
所述的升压单元还可以包括A继电器开关3-3，控制开关3-4；电子调压器3-1的输出通过A继电器开关3-3与大功率变压器3-2的初级线圈相连，A继电器开关3-3与控制开关3-4控制电子调压器3-1为大功率变压器3-2提供电压的通断；大功率变压器3-2的次级线圈一端通过A大功率二极管D1连接主线4-1，另一端连接副线4-2。
所述的分段式电容储能单元包括多路并联的电容量相同的串联电容储能回路；电容储能回路由并联在主线4-1与副线4-2之间的B二极管4-5、B电容4-6、B电阻4-7组成，并且电容储能回路由串接在12V电源与地线之间的面板小开关4-3和B继电器开关4-4控制B电容4-6的充放电。
进一步，本发明还包括分压电路；所述的分压电路包括四个串接在主线4-1与副线4-2之间的Ca电阻5-1、Cb电阻5-2、Cc电阻5-3、Cd电阻5-4。
所述的Ca电阻5-1、Cb电阻5-2、Cc电阻5-3、Cd电阻5-4的阻值分别为100KΩ、100KΩ、200Ω、1KΩ，电压采样数字电压表2-5连在Cc电阻5-3的两端。
所述的电容放电控制单元包括触发信号产生电路为6-1,B大功率二极管6-2，可控硅6-3。其中触发信号产生电路为6-1包括充放电开关6-11和脉冲变压器6-12；脉冲变压器6-12的初级一端通过充放电开关6-11连接12V电压，另一端与地相连；脉冲变压器6-12的次级一端连接可控硅6-3的触发极，另一端和地相连；B大功率二极管6-2的正负极分别与副线4-2和可控硅6-3的阴极相连；可控硅6-3的正向连接在主线4-1上。
所述脉冲磁场产生单元由脉冲螺线管7-1和电流传感器7-2组成，脉冲螺线管7-1和电流传感器7-2串接在主线4-1和副线4-2线之间。
所述磁通检测单元包括设置在脉冲螺线管7-1内部的探头8-1、A/D转换模块和数据处理单元，探头8-1采集的感应电动势e经A/D转换模块转换后传输给数据处理单元，数据处理单元根据感应电动势e，根据下述公式计算得到磁场强度H和磁感应强度B。
Figure BDA0002357609740000031
Figure BDA0002357609740000032
磁场强度H,μ0＝1，N为脉冲螺线管7-1线圈的匝数，S为脉冲螺线管7-1线圈磁通面积；感应电动势e(采集)，v为磁场所处空间的体积即脉冲螺线管7-1内部体积，P为脉冲源功率，Δt为脉冲峰值维持时间。
本发明的材料磁性在线快速检测方法包括下述步骤：
1)将待测样品放入样品室中，样品室处于脉冲螺线管7-1的线圈内部；
2)打开检测系统的电源开关1-2，手动调节多圈电位器2-4使电子调压器3-1的输出低压为设定低压值；此时升压单元的大功率变压器3-2将电压升至设定高压值；
3)根据待测样品材料所需磁化电压确定初始电容储能单元的容量，手动闭合分段式电容储能单元中相应路数的面板小开关；
4)打开充放电开关6-11，按照设定电压给分段式电容储能单元充电至电容电压达到设定值；
5)断开充放电开关6-11，通过电容放电控制单元的触发信号产生电路6-1及B大功率二极管6-2控制可控硅6-3，使得分段式电容储能单元对脉冲磁场产生单元进行放电，在脉冲螺线管7-1中产生脉冲磁场；
6)待测样品磁化，通过探头8-1采集感应电动势e，数据处理单元根据感应电动势e，利用下述公式得出磁场强度H和磁感应强度B的动态数值与时间的变化关系，进而绘制出磁滞回线，进而计算出磁滞回线与X轴，Y轴的交点，也即矫顽力Hc和剩磁Br的值；
Figure BDA0002357609740000041
Figure BDA0002357609740000042
磁场强度H,μ0＝1,N为脉冲螺线管7-1线圈的匝数，S为脉冲螺线管7-1线圈磁通面积；e为感应电动势，v为磁场所处空间的体积即脉冲螺线管7-1内部体积，P为脉冲源功率，Δt为脉冲峰值维持时间。
与现有检测系统相比，本发明的优点如下：
本发明系统采用脉冲产生及检测技术对材料磁性进行在线连续测量，由于多路储能电容的安排可以实现部分电容回路充电的同时其他电容回路放电而完成测量工作，而且根据最初的测量结果反馈控制充电电压及选择电容回路以确定能量存储范围，提高了测试过程的效率及性价比。因此，该系统可以实现在线快速检测的功能。
本发明旨在提供一套材料磁性在线快速检测系统，该系统能为企业提供快速检测装置，一个样品从放入到出检测结果只要十几秒中，完全可以完成对产品的在线式全部检测，系统操作简单，检测速度快，普通人员即可操作，能用于大批量产品的全部检测。可以及时提供磁性材料的性能和参数，包括材料的剩磁、矫顽力、磁滞回线等，完善磁性材料生产过程中的质量控制环节。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的总体结构框图；
图2是本发明的具体实现原理示意图；
图3是低电压控制单元原理图；
图4是升压单元原理图；
图5是分段式电容储能单元原理图；
图6是分压电路原理图；
图7是电容放电控制单元原理图；
图8是脉冲磁场产生单元原理图；
图9是磁通检测单元原理图；
图10是磁滞回线图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步地说明。
如图1、2所示，本发明的材料磁性在线快速检测系统包括低电压控制单元、升压单元、分段式电容储能单元、电容放电控制单元、分压电路、电容放电控制单元、脉冲磁场产生单元、磁通检测单元。
如图2所示，电源1-1有5V，12V，220V，电源开关1-2控制总电路即220V交流电、5V和12V直流电的电源电压的通断。如图3所示，所述的低电压控制单元具有电压调节功能，调节范围在0V到220V之间，其供电端链接在电源1-1的5V电源线和地线上，输出的电压波形为正弦波且连续可调。低压控制电路包括电子调压器控制端2-1，电压设定数字电压表为2-2，滑动变阻器2-3，多圈电位器2-4，电压采样数字电压表为2-5。多圈电位器2-4的电阻两端分别与5V电源和地线相连，滑动端分别与电子调压器控制端2-1和滑动变阻器2-3的一端相连；电子调压器控制端2-1的另一端接地；滑动变阻器2-3的另一端与电压设定数字电压表2-2的电源输入端相连，电压设定数字电压表2-2的另一端连接地。电压设定数字电压表2-2之前连接的滑动变阻器2-3用于分压，使电压设定数字电压表2-2显示的电压稳定在0-2V之间；电压采样数字电压表2-5连接在分压电路中Cc电阻5-3的两端。
如图4所示，所述的升压单元为变比固定的大功率变压器，可以根据系统最大电压需求设计变比，本发明设计的变比为1比10，最大输出电压为2200V。所述的升压单元包括电子调压器3-1，大功率变压器3-2，A继电器开关3-3，控制开关3-4；电子调压器3-1的控制端2-1与多圈电位器2-4的滑动端相连，可以控制电子调压器的输出电压。电源电压通过电源开关1-2把220V交流电连接到电子调压器3-1的输入端，电子调压器3-1的输出通过A继电器开关3-3与大功率变压器3-2的初级线圈相连，A继电器开关3-3与控制开关3-4控制电子调压器3-1为大功率变压器3-2提供电压的通断，起保护电路的作用，大功率变压器3-2的次级线圈一端通过A大功率二极管D1连接主线4-1，另一端连接副线4-2；分段式电容储能单元连接在主线4-1与副线4-2之间。
如图5所示，所述的分段式电容储能单元包括但不限于四路串联后并联的相对独立控制的电容回路组成，每一路串联电容回路的电容量是相同的，四路串联电容回路进行并联以达到最大的储能需求，四路电容储能回路通过电子开关控制，可以根据需求任意组合成不同的电容储能电路。每个电容储能回路由并联在主线4-1与副线4-2之间的B二极管4-5、B电容4-6、B电阻4-7组成；电容储能回路由串接在12V电源与地线之间的面板小开关4-3和B继电器开关4-4控制电容的充放电，保护电路。B二极管4-5防止反向电流过大，击穿电路，起到保护电路的作用；B电阻4-7同样，防止电流过大，保护电路。
如图6所示，所述的分压电路包括四个串接在主线4-1与副线4-2之间的Ca电阻5-1、Cb电阻5-2、Cc电阻5-3、Cd电阻5-4。Ca电阻5-1、Cb电阻5-2、Cc电阻5-3、Cd电阻5-4的阻值分别为100KΩ、100KΩ、200Ω、1KΩ，电压采样数字电压表2-5连在Cc电阻5-3的两端。
如图7所示，所述的电容放电控制单元包括触发信号产生电路为6-1,B大功率二极管6-2，可控硅6-3。其中触发信号产生电路为6-1包括充放电开关6-11和脉冲变压器6-12；脉冲变压器6-12的初级一端通过充放电开关6-11连接12V电压，另一端与地相连，脉冲变压器6-12的次级一端连接可控硅6-3的触发极，另一端和地相连；B大功率二极管6-2的正负极分别与副线和可控硅的阴极相连；可控硅6-3的正负极两端分别与主线和脉冲产生单元相连。按下充放电开关时会给脉冲变压器6-12电压信号，触发信号产生；触发信号触发可控硅6-3，通过可控硅控制分段式电容储能单元向脉冲磁场产生单元放电；B大功率二极管6-2负责保护电路。
如图8所示，所述脉冲磁场产生单元由脉冲螺线管7-1和电流传感器7-2组成，可以产生0到2T的脉冲磁场；脉冲螺线管7-1和电流传感器7-2串接在主线4-1和副线4-2线之间。电流传感器用于控制和检测电流。
如图9所示，所述磁通检测单元包括设置在脉冲螺线管7-1内部的探头8-1和数据处理单元和A/D转换模块，探头8-1采集的待测样品的感应电动势e经A/D转换模块转换后传输给数据处理单元，数据处理单元根据感应电动势e，根据下述公式计算得到磁场强度H和磁感应强度B。
Figure BDA0002357609740000071
Figure BDA0002357609740000072
磁场强度H,μo＝1，N为脉冲螺线管7-1线圈的匝数，S为脉冲螺线管7-1线圈磁通面积；e为感应电动势(采集)，v为磁场所处空间的体积即脉冲螺线管7-1内部体积，P为脉冲源功率，Δt为脉冲峰值维持时间。
磁通检测系统工作原理：当磁场强度变化时，或者线圈与磁场发生相对位移时，通过线圈的磁通量也会随之发生变化，感应电动势e会在线圈中产生，其值为
Figure BDA0002357609740000073
对时间t进行积分，得
Figure BDA0002357609740000074
被测磁场强度H与磁通变化量相关，
Figure BDA0002357609740000075
当线圈的轴向和磁场方向平行，将它从场强H处移至场强为零处，则
Figure BDA0002357609740000076
进而可得
Figure BDA0002357609740000077
理想条件下假定测试环境为真空，N为线圈的匝数，S为线圈磁通面积；μ0＝1，经过推导，求出绕线上的感应电动势对时间t的积分∫e dt。在进行实地测试前，需要对已知参数的脉冲源，激励线圈和探测线圈所构成的系统进行估算，计算其理论上最大磁感应强度B，磁场能量密度计算公式为
Figure BDA0002357609740000078
B为磁感应强度，μ为真空磁导率，是一个常数。对于脉冲磁场，有β*V＝P*Δt，其中V为磁场所处空间的体积，P为脉冲源功率，Δt为脉冲峰值维持时间，联立上式可得
Figure BDA0002357609740000081
得出磁场强度H和磁感应强度B。
本发明的材料磁性在线快速检测方法具体如下：
1)将待测样品放入样品室中，样品室处于脉冲螺线管7-1的线圈内部；
2)设定初始电容充电电压；打开检测系统的电源开关1-2，手动调节多圈电位器2-4使电子调压器3-1得输出低压为100V；此时升压单元的大功率变压器3-2将电压升至1000V；
3)选择储能电容容量；
根据待测样品材料大致所需磁化电压确定初始电容储能单元的容量，手动调节分段式电容储能单元中的面板小开关，选择若干路电容储能回路。这里优选将分段式电容储能单元的四路电容储能回路的面板小开关全部接通，使分段式电容储能单元的电容量最大。
4)电容充电储能；打开充放电开关6-11，按照设定电压给分段式电容储能单元充电至电容电压达到设定值。这里优选各路电容储能回路全部充满至电压1000V。
5)电容放电及脉冲磁场产生；断开充放电开关6-11，通过电容放电控制单元的触发信号产生电路6-1及B大功率二极管6-2控制可控硅6-3，使得分段式电容储能单元对脉冲磁场产生单元进行放电，在脉冲螺线管7-1中产生近1.5T的脉冲磁场。
6)脉冲磁场及待测样品材料磁性参数的测量；磁通检测单元中，本发明采用自制脉冲螺线管7-1作为激励线圈，使用与其同轴线布置的小型线圈作为探头8-1；将待测样品磁化，通过探头8-1采集感应电动势e，数据处理单元根据感应电动势e，利用下述公式得出磁场强度H和磁感应强度B的动态数值与时间的变化关系，进而绘制出磁滞回线，如图10所示；进而计算出磁滞回线与X轴，Y轴的交点，也即矫顽力Hc和剩磁Br的值。即测量出了脉冲磁场强度及待测样品材料的磁性信号，即最终数据。
Figure BDA0002357609740000082
Figure BDA0002357609740000083
磁场强度H,μo＝1,N为脉冲螺线管7-1线圈的匝数，S为脉冲螺线管7-1线圈磁通面积；e为感应电动势(采集)，v为磁场所处空间的体积即脉冲螺线管7-1内部体积，P为脉冲源功率，Δt为脉冲峰值维持时间。
通过磁滞回线可以计算、判断待测样品材料的饱和磁化的磁场强度Bm，并给出分段式电容储能单元的充电电压(即数字电压表2-2显示的电压信息)，在此条件下检测系统可以对相同材料的待测样品进行快速充磁，待测样品只需要短暂停留在样品室一秒钟，即可完成数据采集及计算得出磁滞回线以及剩磁Br和矫顽力Hc的数值，然后存储起来便于随时调用查看，也可以将Br和Hc的值发送至屏幕，进行实时显示，实现在流水线上逐个检测磁性样品参数，即满足实际在线测量需要，又降低能源损耗。

Claims (8)

1.一种材料磁性在线快速检测系统，其特征在于包括低电压控制单元、升压单元、分段式电容储能单元、电容放电控制单元、脉冲磁场产生单元、磁通检测单元；低电压控制单元供电端连接电源，控制端连接升压单元的输入，可调节升压单元的输入电压范围在0V到220V之间；升压单元的输出连接主线(4-1)和副线(4-2)；分段式电容储能单元连接在主线(4-1)与副线(4-2)之间，并通过电容放电控制单元连接脉冲磁场产生单元；待测样品放置在脉冲磁场产生单元中，磁通检测单元用于采集待测样品的感应电动势e并计算磁场强度H和磁感应强度B；所述的低压控制电路包括电子调压器控制端(2-1)，电压设定数字电压表为(2-2)，滑动变阻器(2-3)，多圈电位器(2-4)；多圈电位器(2-4)的电阻两端分别与5V电源和地线相连，滑动端分别与电子调压器控制端(2-1)和滑动变阻器(2-3)的一端相连；电子调压器控制端(2-1)的另一端接地；滑动变阻器(2-3)的另一端与电压设定数字电压表(2-2)的电源输入端相连，电压设定数字电压表(2-2)的另一端连接地；升压单元包括电子调压器(3-1)，大功率变压器(3-2)；电子调压器(3-1)的输入端连接220V交流电，电子调压器(3-1)的输出与大功率变压器(3-2)的初级线圈相连，大功率变压器(3-2)的次级线圈一端通过A大功率二极管(D1)连接主线(4-1)，另一端连接副线(4-2)。
2.根据权利要求1所述的材料磁性在线快速检测系统，其特征在于所述的分段式电容储能单元包括多路并联的电容量相同的串联电容储能回路；电容储能回路由并联在主线(4-1)与副线(4-2)之间的B二极管(4-5)、B电容(4-6)、B电阻(4-7)组成，并且电容储能回路由串接在12V电源与地线之间的面板小开关(4-3)和B继电器开关(4-4)控制B电容(4-6)的充放电。
3.根据权利要求1所述的材料磁性在线快速检测系统，其特征在于还包括分压电路；所述的分压电路包括四个串接在主线(4-1)与副线(4-2)之间的Ca电阻(5-1)、Cb电阻(5-2)、Cc电阻(5-3)、Cd电阻(5-4)。
4.根据权利要求4所述的材料磁性在线快速检测系统，其特征在于所述的Ca电阻(5-1)、Cb电阻(5-2)、Cc电阻(5-3)、Cd电阻(5-4)的阻值分别为100KΩ、100KΩ、200Ω、1KΩ，电压采样数字电压表(2-5)连在Cc电阻(5-3)的两端。
5.根据权利要求1所述的材料磁性在线快速检测系统，其特征在于所述的电容放电控制单元包括触发信号产生电路为(6-1),B大功率二极管(6-2)，可控硅(6-3)；其中触发信号产生电路为(6-1)包括充放电开关(6-11)和脉冲变压器(6-12)；脉冲变压器(6-12)的初级一端通过充放电开关(6-11)连接12V电压，另一端与地相连；脉冲变压器(6-12)的次级一端连接可控硅(6-3)的触发极，另一端和地相连；B大功率二极管(6-2)的正负极分别与副线(4-2)和可控硅(6-3)的阴极相连；可控硅(6-3)的正向连接在主线(4-1)上。
6.根据权利要求5所述的材料磁性在线快速检测系统，其特征在于所述脉冲磁场产生单元由脉冲螺线管(7-1)和电流传感器(7-2)组成，脉冲螺线管(7-1)和电流传感器(7-2)串接在主线(4-1)和副线(4-2)线之间。
7.根据权利要求6所述的材料磁性在线快速检测系统，其特征在于所述磁通检测单元包括设置在脉冲螺线管(7-1)内部的探头(8-1)、A/D转换模块和数据处理单元，探头(8-1)采集的感应电动势e经A/D转换模块转换后传输给数据处理单元，数据处理单元根据感应电动势e，根据下述公式计算得到磁场强度H和磁感应强度B。
Figure FDA0002357609730000021
Figure FDA0002357609730000022
磁场强度H,μ0＝1，N为脉冲螺线管(7-1)线圈的匝数，S为脉冲螺线管(7-1)线圈磁通面积；感应电动势e，v为磁场所处空间的体积即脉冲螺线管(7-1)内部体积，P为脉冲源功率，Δt为脉冲峰值维持时间。
8.一种如权利要求7所述材料磁性在线快速检测系统的检测方法，其特征在于包括下述步骤：
1)将待测样品放入样品室中，样品室处于脉冲螺线管(7-1)的线圈内部；
2)打开检测系统的电源开关(1-2)，手动调节多圈电位器(2-4)使电子调压器(3-1)的输出低压为设定低压值；此时升压单元的大功率变压器(3-2)将电压升至设定高压值；
3)根据待测样品材料所需磁化电压确定初始电容储能单元的容量，手动闭合分段式电容储能单元中相应路数的面板小开关；
4)打开充放电开关(6-11)，按照设定电压给分段式电容储能单元充电至电容电压达到设定值；
5)断开充放电开关(6-11)，通过电容放电控制单元的触发信号产生电路(6-1)及B大功率二极管(6-2)控制可控硅(6-3)，使得分段式电容储能单元对脉冲磁场产生单元进行放电，在脉冲螺线管(7-1)中产生脉冲磁场；
6)待测样品磁化，通过探头(8-1)采集感应电动势e，数据处理单元根据感应电动势e，利用下述公式得出磁场强度H和磁感应强度B的动态数值与时间的变化关系，进而绘制出磁滞回线，进而计算出磁滞回线与X轴，Y轴的交点，也即矫顽力Hc和剩磁Br的值；
Figure FDA0002357609730000031
Figure FDA0002357609730000032
磁场强度H,μ0＝1,N为脉冲螺线管(7-1)线圈的匝数，S为脉冲螺线管(7-1)线圈磁通面积；e为感应电动势，v为磁场所处空间的体积即脉冲螺线管(7-1)内部体积，P为脉冲源功率，Δt为脉冲峰值维持时间。
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