CN112798993B - 基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置及测量方法，其中，装置包括一挠性摆式加速度计，所述挠性摆式加速度计包括壳体和分别位于壳体内顶部和底部的被测永磁体，所述壳体包括空心的本体，和位于本体两端与本体匹配且可拆卸连接的盖体，两被测永磁体完全相同，相对的面磁性相同，并与盖体可拆卸连接，还包括恒温箱、转台、信号采集电路和控制器。本发明提出了一种新的测量装置及方法，将挠性摆式加速度计中用于产生磁场的永磁体作为被测永磁体，对其温度系数进行测量。本发明采用挠性摆式加速度计的闭合磁路结构，最大限度克服了外界环境对测量准确性、重复性的影响，实现了测量的高精度、高准确性、高重复性。

Description

基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种温度系数测量装置及方法，尤其涉及一种基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置及测量方法。

背景技术

在永磁材料应用领域，一些特殊应用领域的永磁体，如各种航空、航天及飞船等国防领域飞行器关键部件中应用的高稳定稀土永磁 ，其磁性能直接影响相关领域技术水平。由于准确性、可靠性及安全性的特殊高要求，上述领域要求永磁材料的磁性能不随温度变化而波动，飞行器、飞船的惯导器件必须使用极低温度系数的永磁材料。因此，对永磁材料的温度系数的准确测量尤为重要。

目前，现有技术中测量永磁材料温度系数的方法主要有开磁路法、闭磁路扫描法等。其中，闭磁路法其测量分辨率为10-4 /℃，随着极低温度系数永磁材料的研究和应用向10-5 /℃甚至10-6 /℃数量级的发展，现有闭磁路扫描法无法满足测量要求。而开磁路法的测量分辨率虽然能够达到10-5 /℃数量级，但由于开磁路法如磁通法、磁天平法等，测量对测量环境要求太高，比如，测量仪器系统要求必须要对周围的各种电磁、供电电路、地磁等因素进行特殊处理建立屏蔽间，同时，对测量操作人也有特别要求等，因此，现有开磁路法难于克服周围环境的干扰，存在测量的重复性、准确性不能满足测量要求。并且有关极低温度系数测量方法方面也没有公开的文献报道。国内目前对永磁材料极低温度系数材料方法和设备缺乏，国外对此类技术测量严格保密和禁运，从而限制了极低温度系数永磁材料的研究及应用技术的发展。

目前现有永磁材料温度系数测量开磁路方法和闭磁路扫描方法，受到测量原理和测量仪器的限制，对于极低温度系数永磁材料，其温度系数测量的分辨率、测量的准确性、重复性不能达到要求。

名词解释：加速度计就是测量加速度的传感器，简单一点说，就是该传感器的输入是加速度，输出是电脉冲数。输出的电脉冲数和输入的加速度之间的比值，即为标度因数。因此输出的电脉冲数乘上标度因数就可以得到加速度。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，对于极低温度系数永磁材料、其温度系数测量的分辨率高、准确性高，且具有较高的抗干扰能力的基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置及测量方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置，包括一挠性摆式加速度计，所述挠性摆式加速度计包括壳体和分别位于壳体内顶部和底部的第一永磁体、第二永磁体；

所述壳体包括空心的本体，和位于本体两端与本体匹配且可拆卸连接的盖体，所述第一永磁体、第二永磁体均为被测永磁体，两被测永磁体完全相同，相对的面磁性相同，并与盖体可拆卸连接，用于提供稳定磁场；

还包括恒温箱、转台、信号采集电路和控制器；

所述恒温箱用于提供不同温度的测量环境；

所述转台位于恒温箱一侧，表面设有圆周刻度，且沿圆周刻度等间距选择至少1个圆周刻度作为测量位置，转台上设有一转轴，所述转轴伸入恒温箱内，且通过夹具可拆卸连接挠性摆式加速度计，用于为挠性摆式加速度计提供加速度；

所述信号采集电路用于采集测量数据，所述测量数据包括恒温箱内温度数据、和挠性摆式加速度计的标定因数数据；

所述控制器用于根据标定因数数据计算一温度区间的温度系数σt。这里采用公式

进行计算。式中，T_A、T_B为温度区间的两个端值，且T_A<T_B，K_A为一测量位置在温度T_A时采集的标定因数数据，K_B为同一测量位置在温度T_B时采集的标定因数数据。

作为优选：所述被测永磁体为矩形永磁体，或环形永磁体。

作为优选：所述挠性摆式加速度计还包括差动电容、差动电容检测器、伺服回路、输出电阻、和惯性质量块，所述惯性质量块由安装环、设置在安装环上的挠性摆片和力矩器线圈构成；

所述挠性摆片一端位于差动电容间，所述差动电容输出经差动电容检测器、伺服回路、力矩器线圈、连接输出电阻，所述力矩器线圈缠绕在惯性质量块上，并位于挠性摆片的上下两面；

所述惯性质量块用于受加速度产生位移，带动挠性摆片摆动，使差动电容产生电容变化，所述差动电容检测器用于检测电容变化，产生电信号传输至伺服回路，所述伺服回路用于将电信号处理成反馈电流，所述力矩器线圈用于将反馈电流转换为反馈力矩，使惯性质量摆在被测永磁体的磁场下重新平衡，所述输出电阻用于输出平衡时电信号值。

一种基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置的测量方法，包括以下步骤：

（1）装配一基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置，并在转台的圆周刻度0°-360°之间，等间距选择至少1个圆周刻度作为测量位置、预设n个测量温度，并按从小到大的顺序排列为T₁-T_n；

（2）获取T₁下的加速度计的标定因数K₁(T₁)数据；

（21）调节恒温箱温度至T₁；

（22）转台匀速转动，顺时针转动，每转动至一测量位置，采集一次标定因数，每个测量位置采集M次，则每个测量位置得到一组标定因数；逆时针转动，每转动至一测量位置，采集一次标定因数，每个测量位置采集M次，则每个测量位置得到一组标定因数；

（23）重复步骤（22）1-2次；

（24）将一测量位置对应的所有标定因数求平均值，并将平均值作为T₁下、该测量位置的标定因数数据；并依次计算所有测量位置的标定因数数据；

（3）按照步骤（2）的（21）-（24），依次获得T₂-T_n下，每个测量位置的标定因数数据；

（4）计算一测量位置处，一温度区间的温度系数σt；

（41）从T₁-T_n中选择两个温度，分别标记为T_A和T_B，且T_A<T_B，则T_A、T_B为一温度区间的两个端值；

（42）选择一测量位置，获取其在温度T_A和T_B时的标定因数数据，记录为K_A和K_B；

（43）根据下式计算被测永磁体，在该测量位置处，T_A-T_B的温度系数σt；

。

作为优选：所述测量位置为转台圆周刻度的0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°和330°处。

本发明中挠性摆式加速度计的结构如图1，包括壳体、壳体内设有差动电容、差动电容检测器、伺服回路、输出电阻、力矩器线圈、挠性摆片、惯性质量块、第一永磁体、第二永磁体。

其中，惯性质量块由安装环、设置在安装环上的挠性摆片和力矩器线圈构成，而对力矩线圈和第一永磁体、第二永磁体，构成了力矩器。

该结构具有以下特点：

（1）本发明中，挠性摆式加速度计通过夹具与转台可拆卸连接，则挠性摆式加速度计可以根据需要进行更换。

（2）壳体用于保护和装载加速度计内部结构，本发明中为能打开的结构，方便安装和更换不同的被测永磁体。被测永磁体为可更换的被测部件，与壳体可拆卸连接，具体为：用胶粘在壳体上固定，当然，可拆卸连接方式依据被测永磁体的形状与尺寸不限于胶粘，也设计专用的加速度计壳体用于固定被测永磁体。

（3）第一永磁体、第二永磁体为同种产品，其型号、规格、批次、磁性能均完全相同，分别位于壳体内的顶部和底部，用于提供稳定的磁场。所述壳体、惯性质量块、挠性摆片均采用不导磁材料，如2A12、304不锈钢等。

挠性摆式加速度计的工作原理为：当转台发生旋转时，转台旋转的加速度作用在惯性质量块上，使惯性质量块发生位移，惯性质量块带动挠性摆片位移，挠性摆片位移造成差动电容的电容值变化，差动电容检测器检测到电容值发生变化，产生电信号传输给伺服回路，伺服回路处理信号产生反馈电流，反馈电流经过力矩器线圈产生磁场，与被测永磁体的磁场相互作用产生反馈力矩，使惯性质量块重新平衡，此时力矩器线圈的电信号与惯性质量块的加速度值成正相关关系，可换算为加速度值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提出了一种新的测量永磁材料温度系数的装置及方法，将挠性摆式加速度计中用于产生磁场的永磁体作为被测永磁体，对其温度系数进行测量。本发明采用分辨率为10-6数量级的高精度惯导特性，将磁电信号转换为力信号的方式，实现高灵敏高精度永磁材料温度系数测量。采用挠性摆式加速度计的闭合磁路结构，永磁体放置于外壳体上，最大限度克服了外界环境对测量准确性、重复性的影响，实现了测量的高精度、高准确性、高重复性。

附图说明

图1为装配矩形永磁体的挠性摆式加速度计结构示意图；

图2是本发明结构示意图；

图3是装配环形永磁体的挠性摆式加速度计结构示意图。

图中：1、壳体；2、差动电容；3、差动电容检测器；4、伺服回路；5、输出电阻；6、力矩器线圈；7、挠性摆片；8、惯性质量块；9、第一永磁体；10、第二永磁体；11、转台；12、夹具；13、挠性摆式加速度计；14、恒温箱；15、控制器；16、信号采集电路。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1和图2，一种基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置，包括一挠性摆式加速度计13，所述挠性摆式加速度计13包括壳体1和分别位于壳体1内顶部和底部的第一永磁体9、第二永磁体10，所述壳体1包括空心的本体，和位于本体两端与本体匹配且可拆卸连接的盖体，所述第一永磁体9、第二永磁体10均为被测永磁体，两被测永磁体完全相同，相对的面磁性相同，并与盖体可拆卸连接，用于提供稳定磁场；

还包括恒温箱14、转台11、信号采集电路16和控制器15；

所述恒温箱14用于提供不同温度的测量环境；

所述转台11位于恒温箱14一侧，表面设有圆周刻度，且沿圆周刻度等间距选择至少1个圆周刻度作为测量位置，转台11上设有一转轴，所述转轴伸入恒温箱14内，且通过夹具12可拆卸连接挠性摆式加速度计13，用于为挠性摆式加速度计13提供加速度；

所述信号采集电路16用于采集测量数据，所述测量数据包括恒温箱14内温度数据、和挠性摆式加速度计13的标定因数数据；

所述控制器15用于根据下式计算被测永磁体在一温度区间的温度系数σt；

式中，T_A、T_B为温度区间的两个端值，且T_A<T_B，K_A为一测量位置在温度T_A时采集的标定因数数据，K_B为同一测量位置在温度T_B时采集的标定因数数据。

本实施例中，所述被测永磁体为矩形永磁体。

所述挠性摆式加速度计13还包括差动电容2、差动电容检测器3、伺服回路4、输出电阻5、和惯性质量块8，所述惯性质量块8由安装环、设置在安装环上的挠性摆片7和力矩器线圈6构成；

所述挠性摆片7一端位于差动电容2间，所述差动电容2输出经差动电容检测器3、伺服回路4、力矩器线圈6、连接输出电阻5，所述力矩器线圈6缠绕在惯性质量块8上，并位于挠性摆片7的上下两面；

所述惯性质量块8用于受加速度产生位移，带动挠性摆片7摆动，使差动电容2产生电容变化，所述差动电容检测器3用于检测电容变化，产生电信号传输至伺服回路4，所述伺服回路4用于将电信号处理成反馈电流，所述力矩器线圈6用于将反馈电流转换为反馈力矩，使惯性质量摆在被测永磁体的磁场下重新平衡，所述输出电阻5用于输出平衡时电信号值。

一种基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置的测量方法，包括以下步骤：

（1）装配一基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置，并在转台11的圆周刻度0°-360°之间，等间距选择至少1个圆周刻度作为测量位置、预设n个测量温度，并按从小到大的顺序排列为T₁-T_n；

（2）获取T₁下的加速度计的标定因数K₁(T₁)数据；

（21）调节恒温箱14温度至T₁；

（22）转台11匀速转动，顺时针转动，每转动至一测量位置，采集一次标定因数，每个测量位置采集M次，则每个测量位置得到一组标定因数；逆时针转动，每转动至一测量位置，采集一次标定因数，每个测量位置采集M次，则每个测量位置得到一组标定因数；

（23）重复步骤（22）1-2次；

（24）将一测量位置对应的所有标定因数求平均值，并将平均值作为T₁下、该测量位置的标定因数数据；并依次计算所有测量位置的标定因数数据；

（3）按照步骤（2）的（21）-（24），依次获得T₂-T_n下，每个测量位置的标定因数数据；

（4）计算一测量位置处，一温度区间的温度系数σt；

（41）从T₁-T_n中选择两个温度，分别标记为T_A和T_B，且T_A<T_B，则T_A、T_B为一温度区间的两个端值；

（42）选择一测量位置，获取其在温度T_A和T_B时的标定因数数据，记录为K_A和K_B；

（43）根据下式计算被测永磁体，在该测量位置处，T_A-T_B的温度系数σt

〕。

所述测量位置为转台11圆周刻度的0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°和330°处。

实施例2：参见图2和图3，所述被测永磁体为环形永磁体，其余与实施例1相同。

实施例3：参见图1、图2，为了更好的说明本发明的方案，我们给出一种具体的基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置及方法。

本实施例中，所述基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置结构，同实施例1，其测量方法为：

（1）装配一基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置，并在转台11的0°-360°之间，等间距选择12个圆周刻度作为测量位置，分别是圆周刻度为0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°和330°处，预设7个测量温度，并按从小到大的顺序排列为-55℃，0℃，50℃，100℃，150℃，200℃，250℃；

（2）获取-55℃下的的加速度计的标定因数K1(T1)数据；

（21）调节恒温箱14温度至-55℃，60min降温后，保证恒温箱14内环境温度和温度传感器温度均为-55℃，并恒定一段时间；

（22）转台11顺时针转动匀速转动，当挠性摆式加速度计13位于转台11圆周刻度的0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°和330°位置时，控制器15自动记录的标定因数各50组；再逆时针转动，当挠性摆式加速度计13位于转台11的330°、300°、270°、240°、210°、180°、150°、120°、90°、60°、30°和0°时，控制器15自动记录的标定因数各50组；这样，每个测量位置则对应100组标定因数；

（23）重复步骤（22）1-2次；

（24）将0°对应的所有标定因数求平均值，并将平均值作为-55℃下、该0°测量位置的标定因数数据；并依次计算所有测量位置的标定因数数据；

通过上述步骤（2），就能得到-55℃时，与0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°和330一一对应的标定因数数据；由于测量位置有12个，那么-55℃温度下，共有12个标定因数数据；

（3）按照步骤（2）的（21）-（24），分别调节恒温箱14温度为0℃，50℃，100℃，150℃，200℃，250℃，得到这些测量温度下，所有测量位置的标定因数数据；也就是说，每个温度下，分别12个位置对应12个标定因数数据；

（4）计算一测量位置处，一温度区间的温度系数σt；

（41）假设我们要计算0℃-100℃的温度系数，那么从上述12个温度中，选择0℃标记为T_A、100℃标记为T_B；

（42）再选择一测量位置，获取其在温度T_A和T_B时的标定因数数据，记录为K_A和K_B；假设我们选择30°这个测量位置，那么就先获取0℃温度时，30°这个测量位置对应的标定因数数据作为K_A，再获取100℃温度时，30°这个测量位置对应的标定因数数据作为K_B；

（43）根据下式计算被测永磁体，在该测量位置处，T_A-T_B的温度系数σt；

。

同理，如果我们要计算50℃-200℃的温度系数，则可以通过下述步骤（41）-（43）实现。

（41）由于我们要计算50℃-200℃的温度系数，那么从上述12个温度中，选择50℃标记为T_A、200℃标记为T_B；

（42）再选择一测量位置，获取其在温度T_A和T_B时的标定因数数据，记录为K_A和K_B；假设我们选择300°这个测量位置，那么就先获取50℃温度时，300°这个测量位置对应的标定因数数据作为K_A，再获取200℃温度时，300°这个测量位置对应的标定因数数据作为K_B；

（43）根据下式计算被测永磁体，在该测量位置处，T_A-T_B的温度系数σt；

。

现有技术中测量永磁材料温度系数的方法主要有开磁路法、闭磁路扫描法等。其中，闭磁路法其测量分辨率为10^-4 /℃，开路磁通法、磁天平法德测量精度可提高到10^-5 /℃,而基于加速度计测量的永磁材料温度系数测试分辨率达到10^-6数量级。并且由于是闭合磁回路结构，因此，具有极强的抗外界干扰能力，准确性、重复性可达到（5～6）×10^-6。可以很好地满足极低温度系数永磁材料的研究和应用向10^-5 /℃甚至10^-6 /℃数量级的发展需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）装配一基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置，并在转台的圆周刻度0°-360°之间，等间距选择至少1个圆周刻度作为测量位置、预设n个测量温度，并按从小到大的顺序排列为T₁-T_n；所述基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置 包括一挠性摆式加速度计，所述挠性摆式加速度计包括壳体和分别位于壳体内顶部和底部的第一永磁体、第二永磁体，所述壳体包括空心的本体，和位于本体两端与本体匹配且可拆卸连接的盖体，所述第一永磁体、第二永磁体均为被测永磁体，两被测永磁体完全相同，相对的面磁性相同，并与盖体可拆卸连接，用于提供稳定磁场；

还包括恒温箱、转台、信号采集电路和控制器；

所述恒温箱用于提供不同温度的测量环境；

所述转台位于恒温箱一侧，表面设有圆周刻度，且沿圆周刻度等间距选择至少1个圆周刻度作为测量位置，转台上设有一转轴，所述转轴伸入恒温箱内，且通过夹具可拆卸连接挠性摆式加速度计，用于为挠性摆式加速度计提供加速度；

所述信号采集电路用于采集测量数据，所述测量数据包括恒温箱内温度数据、和挠性摆式加速度计的标定因数数据；

所述控制器用于根据标定因数数据计算一温度区间的温度系数σt；

（2）获取T₁下的加速度计的标定因数K₁(T₁)数据；

（21）调节恒温箱温度至T₁；

（22）转台匀速转动，顺时针转动，每转动至一测量位置，采集一次标定因数，每个测量位置采集M次，则每个测量位置得到一组标定因数；逆时针转动，每转动至一测量位置，采集一次标定因数，每个测量位置采集M次，则每个测量位置得到一组标定因数；

（23）重复步骤（22）1-2次；

（24）将一测量位置对应的所有标定因数求平均值，并将平均值作为T₁下、该测量位置的标定因数数据；并依次计算所有测量位置的标定因数数据；

（3）按照步骤（2）的（21）-（24），依次获得T₂-T_n下，每个测量位置的标定因数数据；

（4）计算一测量位置处，一温度区间的温度系数σt；

（41）从T₁-T_n中选择两个温度，分别标记为T_A和T_B，且T_A<T_B，则T_A、T_B为一温度区间的两个端值；

（42）选择一测量位置，获取其在温度T_A和T_B时的标定因数数据，记录为K_A和K_B；

（43）根据下式计算被测永磁体，在该测量位置处，T_A-T_B的温度系数σt；

。

2.根据权利要求1所述的基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置的测量方法，其特征在于：所述测量位置为转台圆周刻度的0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°和330°处。

3.根据权利要求1所述的基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置的测量方法，其特征在于：所述被测永磁体为矩形永磁体，或环形永磁体。

4.根据权利要求1所述的基于加速度计测量永磁材料温度系数的装置的测量方法，其特征在于：所述挠性摆式加速度计还包括差动电容、差动电容检测器、伺服回路、输出电阻、和惯性质量块，所述惯性质量块由安装环、设置在安装环上的挠性摆片和力矩器线圈构成；

所述挠性摆片一端位于差动电容间，所述差动电容输出经差动电容检测器、伺服回路、力矩器线圈、连接输出电阻，所述力矩器线圈缠绕在惯性质量块上，并位于挠性摆片的上下两面；

所述惯性质量块用于受加速度产生位移，带动挠性摆片摆动，使差动电容产生电容变化，所述差动电容检测器用于检测电容变化，产生电信号传输至伺服回路，所述伺服回路用于将电信号处理成反馈电流，所述力矩器线圈用于将反馈电流转换为反馈力矩，使惯性质量摆在被测永磁体的磁场下重新平衡，所述输出电阻用于输出平衡时电信号值。

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