CN114384449B - 一种三维空间矢量测磁装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维空间矢量测磁装置及方法，包括主支架、三组铁心组件和样品装载组件，铁心组件包括相对设置的两个半铁心、设于半铁心上的绕组、分别与两半铁心固接的铁心固定片以及与铁心固定片相连的驱动部，驱动部能够调节两半铁心之间的间距，样品装载组件包括样品支架、样品本体和屏蔽块，半铁心的铁心极头与样品本体之间设有屏蔽块，屏蔽块与样品本体之间紧密抵接有压电传感片或压电应力陶瓷片。本发明解决了现有测试方法中磁化环境影响磁‑电之间的关系导致测试可靠性差、样品磁化效率低和测试不能模拟实际工况磁化环境的问题，避免磁性材料模型不准确导致的材料利用率低、能耗高的问题。

Description

一种三维空间矢量测磁装置及方法

技术领域

本发明涉及磁性材料测试技术领域，尤其涉及一种三维空间矢量测磁装置及方法。

背景技术

磁性材料的磁特性分为静态磁特性和动态磁特性。静态磁特性与材料的成分和结构有关，常用的测量方法有冲击法、磁通计法等。动态磁特性与材料的磁化环境（如激磁波形、温度、应力、频率等）、样品形态和加工工艺等有关，常用的测量方法有爱波斯坦方圈法、环形样件法等。

根据磁场的边界条件，当传感线圈与样品表面距离无限接近且表面电流为0时，磁场满足切向磁通连续。由高斯定理，封闭区域的磁场满足法向磁通连续原理。通过磁通连续原理使用磁场传感器即可得出样品内部的磁场强度和磁感应强度。三维磁特性测试技术是在笛卡尔坐标系X、Y、Z三个方向激磁环境下获得材料动态磁性能的测试技术，三维磁特性测试系统主要由激磁绕组、传感系统、功率放大系统、信号采集系统等组成。

现有技术，采用感应线圈传感器，依据电磁感应原理建立磁-电之间的关系，测得磁场强度和磁感应强度。然而，感应线圈易受挤压变形、高频环境稳定性差。另外，感应H线圈接近样品表面的距离受限于现有技术难以接近为0且各个线圈一致性较差，受限于样品测试空间，H传感的灵敏度难以提高，三维磁特性测试装置单轴（X轴或Y轴或Z轴）铁心极头位置调控稳定性和激磁效率受限样品磁化环境。此外，针对于实际工况磁化环境，现有技术不能模拟应力下样品的三维动态磁特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种三维空间矢量测磁装置及方法。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种三维空间矢量测磁装置，其特征在于，包括主支架、设于主支架内的三组铁心组件以及设于三组铁心组件之间的样品装载组件，所述铁心组件包括相对设置的两个半铁心、设于半铁心上的绕组、分别与两半铁心固接的铁心固定片以及与铁心固定片相连的驱动部，其中一个所述铁心固定片与主支架固接，另一个所述铁心固定片与主支架滑动连接，所述驱动部能够调节两半铁心之间的间距，所述样品装载组件夹紧于三组两两相对的半铁心的铁心极头之间，所述样品装载组件包括样品支架、样品本体以及屏蔽块，所述半铁心的铁心极头与样品本体之间设有屏蔽块，所述屏蔽块与样品本体之间紧密抵接有压电传感片或压电应力陶瓷片。

根据上述技术方案，优选地，其中一个所述铁心固定片通过铁心固定块与主支架固接，另一个所述铁心固定片下端固接有滑块，所述滑块滑动连接有滑轨，所述滑轨固接于主支架上。

根据上述技术方案，优选地，所述驱动部包括与主支架转动连接的扭杆、分别固接于两铁心固定片一侧的扭杆固定块以及与扭杆端部固接的扭轮，三组铁心组件的扭杆分别沿着卡尔坐标系的XYZ三个方向设置，所述扭杆一端与其中一个扭杆固定块转动连接，扭杆中部与另一个扭杆固定块螺纹连接。

根据上述技术方案，优选地，所述压电传感片包括定位板、安装于定位板上的H传感和B传感，所述H传感和B传感为环状结构，所述定位板中部开设有矩形通孔，所述H传感固定连接于矩形通孔处，所述B传感设于H传感外并与定位板固定连接。

根据上述技术方案，优选地，所述H传感和B传感围成四边形环状结构，H传感和B传感均设有压电陶瓷片和导电铜带，所述B传感和H传感分别在磁场方向中导电铜带产生的安培力垂直于压电陶瓷片。

本专利还公开了一种三维空间矢量测磁方法，通过上述一种三维空间矢量测磁装置，包括如下步骤：a.将所述样品装载组件安装在铁心极头间；b.根据磁化环境对样品本体施加激励；c.获取采集压电传感片的电信号，所述电信号由根据压电效应建立的样品磁信号和力信号的磁-力关系，以及电磁定理建立的力信号和电信号的力-电关系融合而成。

根据上述技术方案，优选地，步骤a包括：将铁心极头和样品本体间安装屏蔽块；将压电传感片或压电应力陶瓷片安装在所述屏蔽块和样品本体间。

根据上述技术方案，优选地，步骤b中，对样品本体施加激励包括任意激磁波形加载、应力加载、频率改变加载。

根据上述技术方案，优选地，当所述屏蔽块和样品本体间安装有压电应力陶瓷片时，所述压电应力陶瓷片的力-电关系为：

；其中，U为电压，g₃₁为压电常数，w₁为压电应力陶瓷片宽度，F₁为应力。

根据上述技术方案，优选地，当所述屏蔽块和样品本体间安装有压电传感片时，所述磁-力关系为：

，力-电关系为：

，所述磁-力关系与力-电关系融合而成的磁-电关系为：

；其中，U为电压，g₃₃为压电常数，w₂为压电陶瓷片宽度，h为压电陶瓷片厚度，l为压电陶瓷片长度，F₃为应力，B为磁感应强度，I为电流，L为导电铜带长度。

本发明的有益效果是：

本发明解决了现有测试方法中磁化环境影响磁-电之间的关系导致测试可靠性差、样品磁化效率低和测试不能模拟实际工况磁化环境的问题；装置结构简单、易于安装、可靠性强，能够模拟实际工况磁性材料的动态磁化特性，改善机电能量转换装备设计方法，避免磁性材料模型不准确导致的材料利用率低、能耗高的问题；本发明具有较好的应用推广价值，有利于优化机电能量转换装备的效率指标，提高材料利用率，降低装备的生产成本，产生较大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是测磁装置的主视结构示意图。

图2是三组铁心组件的立体结构示意图。

图3是铁心组件部分的主视结构示意图。

图4是样品装载组件部分的立体结构示意图。

图5是压电传感片正面部分的立体结构示意图。

图6是压电传感片背面部分的立体结构示意图。

图7是H传感和B传感的立体结构示意图。

图8是B传感的俯视结构示意图。

图9是H传感的主视结构示意图。

图10是当屏蔽块与样品本体之间放置压电应力陶瓷片时的位置关系示意图。

图中：1、扭轮；2、扭杆；3、主支架；4、半铁心；5、扭杆固定块；6、铁心固定片；7、铁心固定块；8、滑轨；9、滑块；10、扭杆固定板；11、铁心套；12、绕组；13、屏蔽块；14a、样品支架；14b、样品支架盖；15、定位板；16、压电传感片；16a、H传感；16b、B传感；16c、传感固定架；16d、导电铜带；16e、压电陶瓷片；17、压电应力陶瓷片；18、样品本体。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

在发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

如图所示，本发明包括主支架3、设于主支架3内的三组铁心组件以及设于三组铁心组件之间的样品装载组件，所述铁心组件包括相对设置的两个半铁心4、设于半铁心4上的绕组12、分别与两半铁心4固接的铁心固定片6以及与铁心固定片6相连的驱动部，半铁心4为半环形结构，半铁心4的一端为铁心极头，使放置于样品装载组件中的样品被三组两两相对的半铁心4在笛卡尔坐标系的XYZ三个方向上夹紧。其中一个所述铁心固定片6与主支架3固接，另一个所述铁心固定片6与主支架3滑动连接，所述驱动部能够调节两半铁心4之间的间距，所述样品装载组件夹紧于三组两两相对的半铁心4的铁心极头之间，所述样品装载组件包括样品支架14a、样品本体18以及屏蔽块13，所述半铁心4的铁心极头与样品本体18之间设有屏蔽块13，所述屏蔽块13与样品本体18之间紧密抵接有压电传感片16或压电应力陶瓷片17，本例中屏蔽块13的材质要与被测样品一致，其作用为降低漏磁，提高铁心激磁效率，保证传感测试精度。

根据上述实施例，优选地，半铁心4外套接有铁心套11，铁心固定片6与铁芯套固接，其中一个铁心固定片6通过铁心固定块7与主支架3固接，另一个铁心固定片6下端固接有滑块9，所述滑块9滑动连接有滑轨8，所述滑轨8固接于主支架3上。

根据上述实施例，优选地，所述驱动部包括与主支架3转动连接的扭杆2、分别固接于两铁心固定片6一侧的扭杆固定块5以及与扭杆端部固接的扭轮1，三组铁心组件的扭杆2分别沿着卡尔坐标系的XYZ三个方向设置，所述扭杆2一端与其中一个扭杆固定块5转动连接，扭杆2中部与另一个扭杆固定块5螺纹连接，所述主支架3一侧固接有扭杆固定板10，所述扭杆固定板10用于支撑扭杆在主支架3上转动。

根据上述实施例，优选地，所述压电传感片16包括定位板15、安装于定位板15上的H传感16a和B传感16b，所述H传感16a和B传感16b为环状结构，所述定位板15中部开设有矩形通孔，所述H传感16a通过传感固定架16c固定连接于矩形通孔处，所述B传感16b设于H传感16a外并通过传感固定架16c与定位板15固定连接。所述H传感16a和B传感16b围成四边形环状结构，H传感16a和B传感16b均设有压电陶瓷片16e和导电铜带16d，其中在B传感中，压电陶瓷片和导电铜带的布置方式为内环/外环的方式，在H传感中，环状的压电陶瓷片布置在环状的导电铜带一侧，上述布置方式的目的在于使B传感、H传感分别在其对应的磁场方向中导电铜带产生的安培力垂直于压电陶瓷片。其中，样品本体18为六面体结构，样品本体18六面安装有压电传感片16或压电应力陶瓷片17，样品本体18六面安装有屏蔽块13，所述屏蔽块13安装在样品本体18和铁心极头间，所述样品本体18被三组两两相对的半铁心4在笛卡尔坐标系的XYZ三个方向上夹紧，样品的屏蔽块13和传感块（压电传感片16或压电应力陶瓷片17）被样品支架14a和样品支架盖14b固定。

本专利还公开了一种三维空间矢量测磁方法，包括如下步骤：

a.将所述样品装载组件安装在铁心极头间，具体地，将铁心极头和样品本体间安装屏蔽块，将压电传感片或压电应力陶瓷片安装在所述屏蔽块和样品本体间。本装置可模拟应力加载下测试样品的动态磁特性，其中，在一组铁心组件的铁心极头处使用压电应力陶瓷片，其他两组铁心组件的铁心极头处使用压电传感片，可测试块状样品在一个维度上加载应力时其他二维的磁特性；在其中两组铁心组件的铁心极头处使用压电应力陶瓷片，其他一组铁心组件的铁心极头处使用压电传感片，可测试块状样品在两个维度上加载应力时其他一维的磁特性。

在步骤a中，将样品装载组件抵接在铁心极头间，此时由于样品本体在三维方向上均存在铁心极头，因此无需施加外力即可将样品本体定位在装置内。当模拟一维或二维应力加载下的磁化环境时，根据逆压电效应原理通过改变压电应力陶瓷片两端电压可以实现应力加载，具体原理如下：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。当所述屏蔽块和样品本体间安装有压电应力陶瓷片时，所述压电应力陶瓷片的力-电关系为：

；其中，U为电压，g₃₁为压电常数，w₁为压电应力陶瓷片宽度，F₁为应力。

b.根据磁化环境对样品本体施加激励。本装置可模拟以下磁化环境：任意激磁波形加载、频率改变加载、应力加载，可通过为半铁心上的绕组通电以实现任意激磁波形加载及频率改变加载的磁化环境，可通过在一组或两组铁心组件的铁心极头处使用压电应力陶瓷片，模拟一维或二维应力加载下的磁化环境。

c.获取采集压电传感片的电信号，所述电信号由根据压电效应建立的样品磁信号和力信号的磁-力关系，以及电磁定理建立的力信号和电信号的力-电关系融合而成。

在步骤c中，压电传感片用来测量样品磁特性的工作原理为：当半铁心上的绕组通电后，位于铁心极头间的样品被施加磁场激励；压电传感片中的导电铜带是在测试磁特性的过程中根据电磁定理，使通电的导电铜带在磁场中受到安培力；此时安培力会作用于压电传感中的压电陶瓷片上，压电陶瓷片受到力之后根据压电效应，压电陶瓷片的两个相对表面上出现正负相反的电荷，从而产生电信号，这个电信号就是被测磁场信号，进而通过融合而成的磁-电关系得出被测样品的磁感应强度B，从而获得材料的磁特性。

d.在获取压电传感片中压电陶瓷片传输的电信号后，对数据进行处理，具体处理原理如下：

本申请中一个压电传感片上设有一组环形的H传感和一组环形的B传感，其中H传感和B传感分别包括四个由“压电陶瓷片+导电铜带”组成的边，因此，每一个压电传感片的H传感和B传感均会获取4个电压信号。根据麦克斯韦方程推导出磁场的边界条件可知，B（磁感应强度）值是法向连续的，H（磁场强度）值是切向连续的，因此B传感每条边的电压信号表示在激励磁场方向下的B（磁感应强度）值，可以取平均值，H传感的相对两边为一组，电压信号表示在激励磁场的其他两方向下的H（磁场强度）值，同样可将相对的两边的电压信号取平均值。

此外，样品共六个面，相对两个面的压电传感片测得为同一个量，为了提高测试的准确性可靠性，可将对面两组压电传感片测得的B、H值相加取平均值，进而通过B值和H值表征材料的磁特性。

电磁定理中的力-电关系为：

，压电效应中的磁-力关系为：

，磁-力关系与力-电关系融合而成的磁-电关系为：

；其中，U为电压，g₃₃为压电常数，w₂为压电陶瓷片宽度，h为压电陶瓷片厚度，l为压电陶瓷片长度，F₃为应力，B为磁感应强度，I为电流，L为导电铜带长度。

其中，B传感的压电陶瓷片，可通过融合而成的磁-电关系获取B（磁感应强度）的数值，H传感的压电陶瓷片，在通过融合而成的磁-电关系获取B值后，由于在空气介质中，

，

为空气中磁导率，可获取H（磁场强度）的数值。

在实际操作过程中，若在装置的三个维度均装载压电传感片，那么压电传感片能测X、Y、Z三个方向的磁场，根据上述原理可知，两个相对的压电传感片中，H传感和B传感中的压电陶瓷片传输的电信号的值为：

X方向：H_y、H_z、B_x、B_x、H_z、H_y

Y方向：H_x、H_z、B_y、B_y、H_x、H_z

Z方向：H_x、H_y、B_z、B_z、H_x、H_y

同理，当在其中一个/两个维度上装载压电应力陶瓷片时，可以测得其他二维/一维在应力加载下的磁特性。

本发明解决了现有测试方法中现有技术中磁化环境影响磁-电之间的关系导致测试可靠性差、样品磁化效率低和测试不能模拟实际工况磁化环境的问题；装置结构简单、易于安装、可靠性强，能够模拟实际工况磁性材料的动态磁化特性，改善机电能量转换装备设计方法，避免磁性材料模型不准确导致的材料利用率低、能耗高的问题；本发明具有较好的应用推广价值，有利于优化机电能量转换装备的效率指标，提高材料利用率，降低装备的生产成本，产生较大的经济效益和社会效益。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种三维空间矢量测磁装置，其特征在于，包括主支架、设于主支架内的三组铁心组件以及设于三组铁心组件之间的样品装载组件，所述铁心组件包括相对设置的两个半铁心、设于半铁心上的绕组、分别与两半铁心固接的铁心固定片以及与铁心固定片相连的驱动部，其中一个所述铁心固定片与主支架固接，另一个所述铁心固定片与主支架滑动连接，所述驱动部能够调节两半铁心之间的间距，所述样品装载组件夹紧于三组两两相对的半铁心的铁心极头之间，所述样品装载组件包括样品支架、样品本体以及屏蔽块，所述半铁心的铁心极头与样品本体之间设有屏蔽块，所述屏蔽块与样品本体之间紧密抵接有压电传感片或压电应力陶瓷片；

所述压电传感片包括定位板、安装于定位板上的H传感和B传感，所述H传感和B传感为四边形环状结构，所述定位板中部开设有矩形通孔，所述H传感固定连接于矩形通孔处，所述B传感设于H传感外并与定位板固定连接，所述H传感和B传感均设有压电陶瓷片和导电铜带，所述B传感和H传感分别在磁场方向中导电铜带产生的安培力垂直于压电陶瓷片。

2.根据权利要求1所述一种三维空间矢量测磁装置，其特征在于，其中一个所述铁心固定片通过铁心固定块与主支架固接，另一个所述铁心固定片下端固接有滑块，所述滑块滑动连接有滑轨，所述滑轨固接于主支架上。

3.根据权利要求1或2所述一种三维空间矢量测磁装置，其特征在于，所述驱动部包括与主支架转动连接的扭杆、分别固接于两铁心固定片一侧的扭杆固定块以及与扭杆端部固接的扭轮，三组铁心组件的扭杆分别沿着卡尔坐标系的XYZ三个方向设置，所述扭杆一端与其中一个扭杆固定块转动连接，扭杆中部与另一个扭杆固定块螺纹连接。

4.一种三维空间矢量测磁方法，使用权利要求1至3中任意一项的所述一种三维空间矢量测磁装置，其特征在于，包括如下步骤：a.将样品装载组件安装在铁心极头间；b.根据磁化环境对样品本体施加激励；c.获取采集压电传感片的电信号，所述电信号由根据压电效应建立的样品磁信号和力信号的磁-力关系，以及电磁定理建立的力信号和电信号的力-电关系融合而成，当所述屏蔽块和样品本体间安装有压电传感片时，所述磁-力关系为：F₃＝BIL，力-电关系为：

所述磁-力关系与力-电关系融合而成的磁-电关系为：

其中，U为电压，g₃₃为压电常数，w₂为压电陶瓷片宽度，h为压电陶瓷片厚度，l为压电陶瓷片长度，F₃为应力，B为磁感应强度，I为电流，L为导电铜带长度。

5.根据权利要求4所述一种三维空间矢量测磁方法，其特征在于，步骤a包括：将铁心极头和样品本体间安装屏蔽块；将压电传感片或压电应力陶瓷片安装在所述屏蔽块和样品本体间。

6.根据权利要求4所述一种三维空间矢量测磁方法，其特征在于，步骤b中，对样品本体施加激励包括任意激磁波形加载、应力加载、频率改变加载。

7.根据权利要求5所述一种三维空间矢量测磁方法，其特征在于，当所述屏蔽块和样品本体间安装有压电应力陶瓷片时，所述压电应力陶瓷片的力-电关系为：

其中，U为电压，g₃₁为压电常数，w₁为压电应力陶瓷片宽度，F₁为应力。

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