CN111505548B - 测量非晶丝的环向磁滞回线的方法 - Google Patents

测量非晶丝的环向磁滞回线的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种测量非晶丝的环向磁滞回线的方法，包括：设置步骤：将待测的具有预定长度的非晶丝设置于四臂电桥中的一臂；信号施加步骤：经采样电阻对四臂电桥的输入端施加交流电压信号；采集步骤：采集四臂电桥的输出端的输出电压信号以及采样电阻两端的电压信号；以及处理步骤：对所采集的四臂电桥的输出电压信号和采样电阻两端的电压信号进行处理，以获得非晶丝的环向磁滞回线。

Description

测量非晶丝的环向磁滞回线的方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种非晶丝的环向磁滞回线的测量方法。
背景技术
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，常被用于制作高精度磁传感器，其特性对传感器的整体性能有非常重要的影响，特别是对于磁通门传感器，其利用了非晶丝材料的芯-壳结构，在激励状态下响应磁场变化，因此非晶丝磁芯的环向磁特性对传感器探头的性能有重要影响。
磁滞回线是描述磁性材料特性的通用方法，通过测量得到非晶金属丝的环向磁滞回线，能够对其应用于磁通门探头时的输出特性和噪声等性能进行评估，同时可以为材料选型和热处理提供有效参考。
传统的圆柱形磁性材料的轴向磁滞回线测量有成熟方法和商用设备，但并不能用于环向磁滞回线的测量，因此需要一种非晶金属丝环向磁滞回线的测量方法，用于测量获取非晶金属丝的环向磁滞回线。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种测量非晶丝的环向磁滞回线的方法，通过将非晶丝置于四臂电桥中并对桥路施加激励，同时测量桥路输出和激励信号的方式，经过计算得到磁滞回线，从而能够以环向磁滞回线测量评价磁芯性能，为磁芯选择和热处理提供依据。
根据本发明的一方面，提供一种测量非晶丝的环向磁滞回线的方法，包括：设置步骤：将待测的具有预定长度的非晶丝设置于四臂电桥中的一臂；信号施加步骤：经采样电阻对所述四臂电桥的输入端施加交流电压信号；采集步骤：采集所述四臂电桥的输出端的输出电压信号以及所述采样电阻两端的电压信号；以及处理步骤：对所采集的所述四臂电桥的输出电压信号和所述采样电阻两端的电压信号进行处理，以获得所述非晶丝的环向磁滞回线。
优选地，所述测量非晶丝的环向磁滞回线的方法还包括平衡步骤：在将所述非晶丝设置于所述四臂电桥中的一臂之后，调整所述四臂电桥的桥路，使得所述四臂电桥的桥路平衡。
优选地，在所述平衡步骤中，对所述四臂电桥的输入端施加直流电压，测量所述四臂电桥的输出端的电压，并调整设置在所述四壁电桥中的可变电阻的电阻值，使得所述输出端的电压为零，从而使所述四壁电桥的桥路平衡。
优选地，所述交流电压信号被施加至所述四臂电桥，以在所述四臂电桥中产生激励电流，所述处理步骤具体包括：磁化强度计算步骤，基于采集的所述四臂电桥的输出电压信号，计算所述非晶丝内的环向磁化强度，磁场强度计算步骤，基于采集的所述采样电阻两端的电压信号，计算所述激励电流在所述非晶丝内形成的环向磁场强度，以及获得步骤，通过计算的所述磁化强度和所述磁场强度，合成李萨茹图，以获得所述非晶丝的环向磁滞回线。
优选地，所述磁化强度计算步骤包括，通过将采集的所述四臂电桥的输出电压信号经过数值积分，计算所述非晶丝内的所述环向磁化强度，并且所述环向磁化强度满足下述公式：
Figure GDA0003508935670000021
其中，U1(t)表示在采样时间t的四臂电桥的输出电压信号经数值积分的结果，M(t)表示在采样时间t的环向磁化强度，a表示非晶丝的半径，L表示非晶丝的长度，K表示电路增益，μ0表示真空磁导率。
优选地，所述磁场强度计算步骤包括，基于采集的所述采样电阻两端的电压信号以及所述采样电阻的电阻值，计算所述激励电流在所述非晶丝内形成的环向磁场强度，所述环向磁场强度满足下述公式：
Figure GDA0003508935670000031
其中，U2(t)表示在采样时间t的所述采样电阻两端的电压信号，H(t)表示在采样时间t的环向磁场强度，R为采样电阻的电阻值，a为非晶丝的半径。
优选地，将所计算的所述磁化强度作为横轴，并且将所计算的所述磁场强度作为纵轴，以合成李萨茹图。
优选地，利用模数转换器采集所述四臂电桥的输出端的输出电压信号以及所述采样电阻两端的电压信号。
优选地，利用处理装置进行所述处理步骤。
优选地，所施加的所述交流电压信号为正弦电压信号。
发明的有益效果
本发明的测量非晶丝的环向磁滞回线的方法通过对非晶丝进行激励并采集其产生的输出信号，与激励信号结合进行处理，得到了非晶丝的环向磁滞回曲线，其可用于材料选择和性能评估等方面；并且，采用的测量方法和测量硬件较为简单，便于实际测量中使用。
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测量非晶丝的环向磁滞回线的方法的示意流程图。
图2为包括平衡步骤的测量方法的实例的示意图。
图3示出了根据本发明的测量方法的更具体实例的结构示意图。
图4示出了根据本发明的测量方法的更具体实例而合成的李萨茹图。
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1-4说明本发明的测量非晶丝的环向磁滞回线的方法。图1为根据本发明的实施例的测量非晶丝的环向磁滞回线的方法的示意流程图。图2为包括平衡步骤的测量方法的实例的示意图。图3示出了根据本发明的测量方法的一具体实例的结构示意图。图4示出了根据本发明的测量方法的一具体实例合成的李萨茹图。
本发明提供一种测量非晶丝的环向磁滞回线的方法，其中，非晶丝为非晶金属丝材料。
根据本发明的实施例的测量非晶丝的环向磁滞回线的方法，如图1所示，包括：设置步骤S1，将待测的具有预定长度的非晶丝设置于四臂电桥中的一臂；信号施加步骤S2：经采样电阻对四臂电桥的输入端施加交流电压信号；采集步骤S3，采集四臂电桥的输出端的输出电压信号以及采样电阻两端的电压信号；以及处理步骤S4，对所采集的四臂电桥的输出电压信号和采样电阻两端的电压信号进行处理，以获得非晶丝的环向磁滞回线。
优选地，如图2所示，本发明的实施例的测量非晶丝的环向磁滞回线的方法还包括平衡步骤S5：在将非晶丝设置于四臂电桥中的一臂之后，调整四臂电桥的桥路，使得四臂电桥的桥路平衡。
通过执行上述平衡步骤，使得施加的激励信号本身不会在桥路输出端产生输出电压。例如，如磁芯的位置处是电阻，则不具备磁特性，当电桥平衡时输出端不会产生输出信号。因此，上述平衡步骤能够消除激励信号本身的影响。
进一步优选地，在平衡步骤S5中，对四臂电桥的输入端施加直流电压，测量四臂电桥的输出端的电压，并调整设置在四壁电桥中的可变电阻的电阻值，使得输出端的电压为零，从而使四壁电桥的桥路平衡。
以下描述上述处理步骤S4的一具体实例。交流电压信号作为激励源被施加至四臂电桥，以在四臂电桥中产生激励电流。处理步骤S4具体包括：磁化强度计算步骤，基于采集的四臂电桥的输出电压信号计算激励电流在非晶丝内形成的环向磁化强度；磁场强度计算步骤，基于采集的采样电阻两端的电压信号计算激励电流在非晶丝内形成的环向磁场强度；以及获得步骤，通过计算的磁化强度和磁场强度，合成李萨茹图，以获得非晶丝的环向磁滞回线。
更进一步地，上述磁化强度计算步骤包括：通过将采集的所述四臂电桥的输出电压信号经过数值积分，计算所述非晶丝内的所述环向磁化强度，并且所述环向磁化强度满足下述公式：
Figure GDA0003508935670000061
其中，U1(t)表示在采样时间t的四臂电桥的输出电压信号经数值积分的结果，M(t)表示在采样时间t的环向磁化强度，a表示非晶丝的半径，L表示非晶丝的长度，K表示电路增益，μ0表示真空磁导率。
更具体地，例如通过如下方法计算环向磁化强度：
1)对于半径为a的圆柱形状非晶丝，令A为磁矢量势，t为时间，其内部任意一点的电场强度为
Figure GDA0003508935670000062
当磁化强度M为常数时，M与磁矢量势的关系为A＝μ0M(a-r)，其中r为某点到截面圆心的径向距离；长度为L的丝材上的电压可表示为
Figure GDA0003508935670000063
为丝材截面上的平均电场强度，其中，
Figure GDA0003508935670000064
为截面上某一点到与圆心连线在坐标系中的角度。
综上可得，半径为a长度为L的非晶金属丝上的电压U和环向磁化强度M间关系为：
Figure GDA0003508935670000065
2)对采集的电桥输出U0(t)进行数值积分得到:
Figure GDA0003508935670000066
其中，U0(t)表示在对电桥输出的电压进行预定的等时间间隔采样，而得到的在采样时间t的电桥输出的电压值序列；电桥输出通过电路进行滤波放大，K为电路增益；U1(t)表示在采样时间t的四臂电桥的输出电压信号U0(t)经数值积分的结果；μ0为真空磁导率。
3)可以由电压积分结果U1(t)计算M(t):
Figure GDA0003508935670000071
其中，M(t)表示在采样时间t下的环向磁化强度。
此外，更进一步地，上述磁场强度计算步骤包括：基于采集的所述采样电阻两端的电压信号以及所述采样电阻的电阻值，计算激励电流在所述非晶丝内形成的环向磁场强度，并且所述环向磁场强度满足下述公式：
Figure GDA0003508935670000072
其中，U2(t)表示在采样时间t的所述采样电阻两端的电压信号，H(t)表示在采样时间t的环向磁场强度，R为采样电阻的电阻值，a为非晶丝的半径。
更具体地，例如通过如下方法计算环向磁场强度：
1)将所述采样电阻两端的电压信号U2(t)除以采样电阻值R再除以2得到通过丝材的电流I，其中，U2(t)表示对采样电阻两端电压进行预定时间间隔采样，而得到的在采样时间t的采样电阻的电压值序列；
2)根据导体内安培环路定律可得
Figure GDA0003508935670000073
因此，可得丝材内环向磁场强度
Figure GDA0003508935670000074
其中，H(t)表示在采样时间t的环向磁场强度，U2(t)表示在采样时间t的采样电阻两端的电压信号，R为采样电阻的电阻值，a为非晶丝的半径。
优选地，将所计算的磁化强度M或μ0M作为横轴，将所计算的磁场强度H作为纵轴，以合成李萨茹图。从而，获得非晶丝的环向磁滞回线。
优选利用模数转换器采集四臂电桥的输出端的输出电压信号以及采样电阻两端的电压信号。优选利用处理装置进行上述处理步骤。所施加的交流电压信号优选为正弦电压信号。
参考图3描述根据本发明的测量非晶丝的环向磁滞回线的方法的更具体实例。
在本实例中，非晶丝例如为钴基非晶丝。
将一段长度为L＝30mm，半径为a＝70μm的钴基非晶丝1置于四臂电桥10的一臂，利用直流电压/交流电压信号产生电路3对桥路施加直流电压，测量桥路另外两个节点电压，调整桥路中变阻器2的阻值，使该电压为零，即使桥路平衡。
在桥路调平后，经过采样电阻R对电桥施加一正弦电压，同时由模数转换器6采集采样电阻R两端电压U2(t)，将电桥输出通过放大滤波电路5进行滤波放大，电路增益为K，通过模数转换器6采集放大后的输出电压U0(t)。
在例如上位机4的处理装置中通过采集的电桥输出U0(t)经过数值积分计算丝材内环向磁化强度M(t)。
具体的，对采集的电桥输出U0(t)进行数值积分得到：
Figure GDA0003508935670000091
由电压积分结果U1(t)计算M(t)：
Figure GDA0003508935670000092
通过上述步骤得到的电压U2(t)计算得到激励电流在丝材内形成的环向磁场强度H(t)。
具体的，将电压U2(t)除以采样电阻值2R得到通过丝材的电流I，可得丝材内环向磁场强度：
Figure GDA0003508935670000093
通过上述步骤得到的磁化强度M和磁场强度H合成李萨茹图(例如图4所示)，横轴为H，纵轴使用μ0M，形成被测非晶金属丝的环向磁滞回曲线。
对采集的信号进行滤波可以使获得的曲线更加平滑，实际对于磁滞回线的使用影响不大，最终可得类似附图的环向磁滞回线。对于较短的被试丝材，通常不需要调整相位。
本发明的测量非晶丝的环向磁滞回线的方法通过对非晶丝进行激励并采集其产生的输出信号，与激励信号结合进行处理，得到了非晶丝的环向磁滞回曲线，其可用于材料选择和性能评估等方面；并且，采用的测量方法和测量硬件较为简单，便于实际测量中使用。
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 (11)

1.一种测量非晶丝的环向磁滞回线的方法，包括：
设置步骤：将待测的具有预定长度的非晶丝设置于四臂电桥中的一臂；
信号施加步骤：经采样电阻对所述四臂电桥的输入端施加交流电压信号；
采集步骤：采集所述四臂电桥的输出端的输出电压信号以及所述采样电阻两端的电压信号；以及
处理步骤：对所采集的所述四臂电桥的输出电压信号和所述采样电阻两端的电压信号进行处理，以获得所述非晶丝的环向磁滞回线，
所述交流电压信号被施加至所述四臂电桥，以在所述四臂电桥中产生激励电流，
所述处理步骤具体包括：
磁化强度计算步骤，基于采集的所述四臂电桥的输出电压信号，计算所述激励电流在所述非晶丝内形成的环向磁化强度，
磁场强度计算步骤，基于采集的所述采样电阻两端的电压信号，计算所述激励电流在所述非晶丝内形成的环向磁场强度，以及
获得步骤，通过计算的所述磁化强度和所述磁场强度，合成李萨茹图，以获得所述非晶丝的环向磁滞回线，
其中，所述磁化强度计算步骤包括，通过将采集的所述四臂电桥的输出电压信号经过数值积分，计算所述非晶丝内的所述环向磁化强度，并且所述环向磁化强度满足下述公式：
Figure FDA0003508935660000011
其中，U1(t)表示在采样时间t的四臂电桥的输出电压信号经数值积分的结果，M(t)表示在采样时间t的环向磁化强度，a表示非晶丝的半径，L表示非晶丝的长度，K表示电路增益，μ0表示真空磁导率。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
平衡步骤：在将所述非晶丝设置于所述四臂电桥中的一臂之后，调整所述四臂电桥的桥路，使得所述四臂电桥的桥路平衡。
3.根据权利要求2所述的方法，在所述平衡步骤中，对所述四臂电桥的输入端施加直流电压，测量所述四臂电桥的输出端的电压，并调整设置在所述四臂电桥中的可变电阻的电阻值，使得所述输出端的电压为零，从而使所述四臂电桥的桥路平衡。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述磁场强度计算步骤包括，基于采集的所述采样电阻两端的电压信号以及所述采样电阻的电阻值，计算所述激励电流在所述非晶丝内形成的环向磁场强度，并且所述环向磁场强度满足下述公式：
Figure FDA0003508935660000021
其中，U2(t)表示在采样时间t的所述采样电阻两端的电压信号，H(t)表示在采样时间t的环向磁场强度，R为采样电阻的电阻值，a为非晶丝的半径。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的方法，其中，将所计算的所述磁化强度作为横轴，并且将所计算的所述磁场强度作为纵轴，以合成李萨茹图。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的方法，其中，利用模数转换器采集所述四臂电桥的输出端的输出电压信号以及所述采样电阻两端的电压信号。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，利用模数转换器采集所述四臂电桥的输出端的输出电压信号以及所述采样电阻两端的电压信号。
8.根据权利要求1-4任意一项所述的方法，利用处理装置进行所述处理步骤。
9.根据权利要求5所述的方法，利用处理装置进行所述处理步骤。
10.根据权利要求1-4任意一项所述的方法，所施加的所述交流电压信号为正弦电压信号。
11.根据权利要求5所述的方法，所施加的所述交流电压信号为正弦电压信号。
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