CN111500838A - 非晶磁芯的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种非晶磁芯的热处理方法，包括：设置步骤：将待处理的非晶磁芯置于磁屏蔽环境内；加热步骤：以预定的加热时间对所述非晶磁芯施加直流电流，并且利用所述直流电流产生的热量加热所述非晶磁芯；以及循环步骤：循环执行多次所述加热步骤，以消除所述非晶磁芯内部的应力，其中，在每次所述加热步骤中，以预定的切换周期切换所施加的所述直流电流的电流方向。

Description

非晶磁芯的热处理方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种非晶磁芯的热处理方法。
背景技术
通过矢量磁场测量，能够实现地磁导航、磁异场探测、电磁跟踪等军民领域的不同应用。磁通门传感器在矢量磁场测量方面得到了较为广泛的应用，作为地磁导航仪、无损检测设备、电磁跟踪装置等仪器设备的核心传感器件。
非晶丝金属软磁材料因具有独特磁畴结构，表现出明显的巨磁阻抗效应等磁特性，被用于制作高精度磁通门传感器，其特性对传感器的整体性能有非常重要的影响，而热处理能够消除丝材内部应力，是改善磁芯性能、降低传感器噪声的重要途径。
热处理是消除金属材料内应力的常用手段，非晶磁芯材料的热处理主要目的通常包括消除丝材成型过程的内应力，消除结构变形(如探头结构需要的弯曲、卷绕)应力，调整参数(磁滞回线)几个方面。
常见的磁芯热处理方法是在加热炉中进行恒温处理，但是使用加热炉难以实现磁屏蔽环境，热处理过程中磁芯受到外部磁场影响后，会改变其各向异性方向，引起灵敏度下降和偏置增加。传统的直流焦耳热处理方法能够起到消除非晶丝内部应力的效果，但由于外磁场和电流磁场对环向磁畴的影响，对于磁通门应用容易带来较大的输出偏置，特别是对于正交体制磁通门；因此，需要一种新的非晶丝磁芯热处理方法，消除非晶磁芯应力的同时控制，从而提高磁通门传感器的综合性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种非晶磁芯热处理方法，通过磁屏蔽环境下电流方向不断转换的多周期焦耳热处理，在消除丝材应力的同时避免对磁畴结构的不利影响，提高制成的正交磁通门传感器性能。
根据本发明的一方面，提供一种非晶磁芯的热处理方法，包括：设置步骤：将待处理的非晶磁芯置于磁屏蔽环境内；加热步骤：以预定的加热时间对所述非晶磁芯施加直流电流，并且利用所述直流电流产生的热量加热所述非晶磁芯；以及循环步骤：循环执行多次所述加热步骤，以消除所述非晶磁芯内部的应力，其中，在每次所述加热步骤中，以预定的切换周期切换所施加的所述直流电流的电流方向。
优选地，所述预定的切换周期在1至10秒的范围内。
优选地，每次所述加热步骤均包括：
上升处理：将所施加的所述直流电流的电流值阶梯式地从零逐渐上升至预设值；
恒流处理：将所述电流值以预定的恒流时间稳定在所述预定值；和
下降处理：将所述电流值阶梯式地从所述预定值逐渐下降至零。
优选地，在所述上升处理和所述下降处理中，所述直流电流的电流值经过多个中间电流值阶梯式地逐渐上升和下降，并且每个所述中间电流值保持预定的持续时间。
优选地，所述切换周期等于所述持续时间除以n，其中n是偶数，使得在所述中间电流值的保持期间，相同次数的两个不同方向的电流流经所述非晶磁芯。
优选地，所述循环步骤中，在执行所述多次加热步骤的各加热步骤之间设置预定的时间间隔，以使所述非晶磁芯在每次所述加热步骤后进行冷却。
优选地，所述热处理方法还包括
温度监测步骤，在加热所述非晶磁芯的同时，实时监测所述非晶磁芯的两端电压和电流，通过测得的所述非晶磁芯的电压值和电流值计算所述非晶磁芯的电阻，并且根据预设的非晶磁芯的温度-电阻关系获得所述非晶磁芯的温度。
优选地，当在所述温度监测步骤中获得的所述非晶磁芯的温度高于预定的温度阈值时，停止加热。
优选地，通过将具有与待处理的所述非晶磁芯相同的规格的试验件置于温箱中加热，在不同温度值下测定所述试验件的电阻值，并且对所述温度值和测定的所述电阻值进行拟合，获得所述预设的非晶磁芯的电阻-温度关系。
优选地，根据所述预设的非晶磁芯的电阻-温度关系和所述非晶磁芯的长度，获得基于单位长度的所述预设的非晶磁芯的电阻-温度关系，以计算不同长度的所述非晶磁芯的温度。
发明的有益效果
通过本发明的非晶磁芯的热处理方法，能够消除磁芯内部应力，有效降低了制成的磁通门传感器的噪声水平，同时降低了探头输出偏置，有利于提高传感器的综合性能；并且使处理流程较为简单，具有较强可操作性。
上述的非惯用的可选方式所具有的进一步效果将在下文中结合具体实施方式加以说明。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，但其说明仅用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为根据本发明的实施例的非晶磁芯的热处理方法的示意流程图。
图2是示出加热步骤S2的一具体实例的示意图。
图3是示出加热步骤S2中的上升处理的一具体实例的示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
结合图1-3说明本发明的非晶磁芯的热处理方法。图1为根据本发明的实施例的非晶磁芯的热处理方法的示意流程图。图2是示出加热步骤S2的一具体实例的示意图。图3是示出加热步骤S2中的上升处理的一具体实例的示意图。
本发明中的非晶丝磁芯热处理方法用于对非晶磁芯进行热处理。被处理的非晶磁芯例如为由钴基非晶丝制成的U型磁芯。
根据本发明的实施例的非晶磁芯的热处理方法，如图1所示，包括：设置步骤S1：将待处理的非晶磁芯置于磁屏蔽环境内；加热步骤S2：以预定的加热时间对非晶磁芯施加直流电流，并且利用直流电流产生的热量加热所述非晶磁芯；以及循环步骤S3：循环执行多次加热步骤S2，以消除非晶磁芯内部的应力，其中，在每次的加热步骤中S2，以预定的切换周期切换所施加的直流电流的电流方向。
某一单向电流产生的磁场会影响磁芯的磁畴结构，逐渐改变磁芯的各向异性方向，引起输出偏置增加。因此，在本发明中，通过周期性地不断切换电流方向的处理方式，能够避免热处理过程对磁芯内部各向异性状态产生影响。
优选地，所述预定的切换周期在1至10秒的范围内。从而，能够以较短的周期切换电流方向，而不在某个电流方向上长时间保持，从而能够更有效地避免对磁芯内部各向异性状态产生影响。
在设置步骤中，优选地，非晶磁芯可以安装在待处理件中，将安装有非晶磁芯的待处理置于磁屏蔽环境内。待处理件例如具有与非晶磁芯的使用环境相同的支撑结构，该非晶磁芯被设置在支撑结构中。或者，支撑结构是保证热处理后在安装过程中不会受到明显应力的结构。本发明的实施例中的磁屏蔽环境例如是磁屏蔽桶内。在一设置实例中，将非晶丝磁芯置于双孔陶瓷骨架中，该骨架与最终安装至探头内的支撑结构相同；将安装有待处理磁芯的骨架置于磁屏蔽桶内，连接相应引线。
如图2所示，加热步骤S2例如包括：上升处理：将所施加的直流电流的电流值阶梯式地从零逐渐上升至预设值；恒流处理：将电流值稳定在所述预定值预定的恒流时间；和下降处理：将电流值阶梯式地从预定值逐渐下降至零。在进行所述上升处理、所述恒流处理和所述下降处理的同时，不间断地切换直流电流的电流方向。电流值通过上述阶梯式的改变，能够更好地配合电流方向的切换，使得在每个阶梯能够针对同一电流值进行电流方向的切换。
在加热步骤S2中，直流电流的电流值例如经过多个中间电流值阶梯式地逐渐上升和下降，并且每个中间电流值保持预定的持续时间。图3示出了加热步骤S2中的上升处理的一具体实例，其中，直流电流的电流值经过多个中间电流值I1、I2、I3、I4阶梯式地逐渐上升，并且中间电流值I1、I2、I3、I4保持预定的持续时间t2-t1、t3-t2、t4-t3、t5-t4。下降处理以与图3所示的上升处理相反的方式阶梯式地逐渐下降。
此外，在执行多次的加热步骤S2期间，多次的加热步骤S2之间例如具有预定的时间间隔，以使非晶磁芯在每次加热步骤S2后进行冷却，避免受热不均并便于控制温度。时间间隔优选地不小于1分钟。
以下描述加热步骤的更具体实例。首先，使电流Ii＝[I1,I2,…,Ii,…,Im](其中，i＝1,2,...m)阶梯上升，每个阶梯持续时间为Ti(在本实例中，例如为4秒)，达到Im后保持电流幅值不变，进行时间为Ts的恒流处理，Ts优选为0.5至2分钟，(在本实例中，例如为1分钟)；随后使电流阶梯下降，同样每个阶梯持续时间为Ti，直至电流幅值为零；电流上升或下降过程的总时间优选为大于30秒。
整个加热过程中，不断切换电流方向，切换周期优选为数秒，例如，在1至10秒的范围内。进一步优选为Ti/n(例如为2秒)，n为偶数，使得在每个电流值下经过相同次数两个不同方向的电流，电流方向的切换在电流值的升高、恒流和减小过程中不间断进行。通过使相同次数的两个不同方向的电流流经非晶磁芯，使得在每个电流值下磁芯受到相同时间的交替的双向激励，通过这样的对称状态的电流激励，避免改变磁芯的磁各向异性状态。
重复上述加热步骤，进行多个循环的处理，每次加热步骤之间间隔例如2分钟，以使磁芯及支撑结构冷却，避免受热不均并便于控制温度。在完成例如8个循环的加热步骤后，取出磁芯并安装至磁通门探头试验件进行测试。在本发明的循环步骤中，循环次数优选地大于5次。
根据本发明的实施例的热处理方法例如还包括温度监测步骤。在该温度监测步骤中，在加热非晶磁芯的同时，实时监测非晶磁芯的两端电压和电流，通过测得的非晶磁芯的电压值和电流值计算非晶磁芯的电阻，并且根据预设的非晶磁芯的温度-电阻关系获得非晶磁芯的温度。
优选地，当在所述温度监测步骤中获得的所述非晶磁芯的温度高于预定的温度阈值时，停止加热。
优选地，通过将具有与待处理的所述非晶磁芯相同的规格的试验件置于温箱中加热，在不同温度值下测定所述试验件的电阻值，并且对所述温度值和测定的所述电阻值进行拟合，获得所述预设的非晶磁芯的电阻-温度关系。
进一步优选地，根据所述预设的非晶磁芯的电阻-温度关系和所述非晶磁芯的长度，获得基于单位长度的所述预设的非晶磁芯的电阻-温度关系，以计算不同长度的所述非晶磁芯的温度。
以下描述温度监测步骤的更具体实例。
在恒温箱内设置阶梯温度Ti＝[T1,T2,…,Ti,…,Tm]，其中m为设置的阶梯温度的台阶数；将与待处理的非晶磁芯相同规格的长度为L0的非晶丝作为试验件置于恒温箱内，在不同温度下测量其电阻值Ri＝[R1,R2,…,Ri,…,Rm]。
在m个阶梯温度下，对温度Ti和该温度下磁芯电阻Ri进行例如二阶最小二乘拟合，得到磁芯的电阻值与温度的关系Ri(T)＝a0+a1T+a2T2，其中，a0、a1、a2是通过最小二乘拟合得到的多项式系数。
将拟合的结果除以作为试验件的非晶磁芯的长度L0，得到单位长度下的非晶丝磁芯的温度-电阻值关系R(T)＝(a0/L0)+(a1/L0)T+(a2/L0)T2，其中，a0、a1、a2是通过最小二乘拟合得到的多项式系数。
在热处理的过程中实时测量被处理的非晶磁芯的电压Ur和电流值Ir，得到实时电阻值Rr。在除以其实际长度L后，代入以上温度-电阻值关系得到磁芯的实时温度Tr。
在热处理过程中监控磁芯温度变化，使恒流过程中磁芯温度较为稳定，且温度不超过极限温度Tmax，Tmax代表会引起退磁使磁芯性能下降的阈值温度。该阈值温度例如通过前期实验获得。
对热处理后的磁芯制成的若干探头进行测试，相同的激励和电路条件下，处理后的磁芯制成的磁通门传感器相比处理前，噪声降低约30％，初始偏置下降一个数量级，有效的提高了非晶磁芯的性能。
通过本发明的非晶磁芯的热处理方法，能够消除磁芯内部应力，有效降低了制成的磁通门传感器的噪声水平，同时降低了探头输出偏置，有利于提高传感器的综合性能；并且使处理流程较为简单，具有较强可操作性。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。以上示例性实施例仅仅是用于阐明本发明的原理，而并非用于限定本发明的保护范围。本领域技术人员在不背离本发明所揭示的精神和原理的范围内，可以对本发明做出各种改进，而不会超出由权利要求书限定的范围。

Claims (10)

1.一种非晶磁芯的热处理方法，包括：
设置步骤，将待处理的非晶磁芯置于磁屏蔽环境内；
加热步骤，以预定的加热时间对所述非晶磁芯施加直流电流，并且利用所述直流电流产生的热量加热所述非晶磁芯；以及
循环步骤，循环执行多次所述加热步骤，以消除所述非晶磁芯内部的应力，
其中，在每次所述加热步骤中，以预定的切换周期切换所施加的所述直流电流的电流方向。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其中，所述预定的切换周期在1至10秒的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的热处理方法，其中，每次所述加热步骤均包括：
上升处理：将所施加的所述直流电流的电流值阶梯式地从零逐渐上升至预设值；
恒流处理：将所述电流值以预定的恒流时间稳定在所述预定值；和
下降处理：将所述电流值阶梯式地从所述预定值逐渐下降至零。
4.根据权利要求3所述的热处理方法，其中，在所述上升处理和所述下降处理中，所述直流电流的电流值经过多个中间电流值阶梯式地逐渐上升和下降，并且每个所述中间电流值保持预定的持续时间。
5.根据权利要求4所述的热处理方法，其中，所述切换周期等于所述持续时间除以n，其中n是偶数，使得在所述中间电流值的保持期间，相同次数的两个不同方向的电流流经所述非晶磁芯。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的热处理方法，其中，所述循环步骤中，在执行所述多次加热步骤的各加热步骤之间设置预定的时间间隔，以使所述非晶磁芯在每次所述加热步骤后进行冷却。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的热处理方法，其中，所述热处理方法还包括：
温度监测步骤，在加热所述非晶磁芯的同时，实时监测所述非晶磁芯的两端电压和电流，通过测得的所述非晶磁芯的电压值和电流值计算所述非晶磁芯的电阻，并且根据预设的非晶磁芯的温度-电阻关系获得所述非晶磁芯的温度。
8.根据权利要求7所述的热处理方法，其中，当在所述温度监测步骤中获得的所述非晶磁芯的温度高于预定的温度阈值时，停止加热。
9.根据权利要求7所述的热处理方法，其中，通过将具有与待处理的所述非晶磁芯相同的规格的试验件置于温箱中加热，在不同温度值下测定所述试验件的电阻值，并且对所述温度值和测定的所述电阻值进行拟合，获得所述预设的非晶磁芯的电阻-温度关系。
10.根据权利要求9所述的热处理方法，其中，根据所述预设的非晶磁芯的电阻-温度关系和所述非晶磁芯的长度，获得基于单位长度的所述预设的非晶磁芯的电阻-温度关系，以计算不同长度的所述非晶磁芯的温度。
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