CN116466275A - 一种平板二维磁特性自动化测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种平板二维磁特性自动化测试装置，其具体包括导磁激励模块、高精度测量模块、二自由度自动控制系统及支撑定位模块。其中导磁激励模包括磁轭和激励线圈，通过磁轭构成相互垂直的磁通回路以保证测试信号强度，通过激励线圈完成测试磁场的激励给定。高精度测量模块由磁场强度线圈及磁感应强度探针构成，利用磁场强度线圈及磁感应强度探针对分别获取相互垂直方向的磁场强度及磁感应强度数据。二自由度自动控制系统通过电机驱动实现测量模块在水平面任意测试点的精准定位与自动测。支撑定位模块可保证部件之间的安装位置，并可作为测试样件的定位基准。本发明结构紧凑，操控便捷，适用性广，测试效果较好。

Description

一种平板二维磁特性自动化测试装置

技术领域

本发明涉及软磁材料测试领域，特别涉及一种平板二维磁特性自动化测试装置，用于测试高磁导率软磁材料。

背景技术

利用软磁材料的高导磁特性，可将环境大部分直流及低频磁场分流锁入软磁材料内部，因此在用软磁材料建立封闭结构后，由于分流作用，可在封闭结构内部可得到近零磁空间，由此可完成对外部磁场环境的高效屏蔽作用，而构建的零磁空间可作为超高灵敏测量、深空深地探测、基础物理学研究等的基础条件，因此软磁材料在磁屏蔽领域具有重要的作用。软磁材料的磁导率、矫顽力、饱和磁感应强度等磁特性将直接决定其磁屏蔽性能，因此如何准确、快速、全面的测试和评判软磁材料的磁特性具有重要的意义。

传统的软磁测量装置一般针对特制标准试环(GB/T13012-2008)，利用变压器原理，在试环上均匀密绕激励线圈与测试线圈，通过电源模块对激励线圈施加正反向电流后，用数据采集模块获得测试线圈的感应磁场，即得材料完整磁滞回线，由此推算出材料的磁特性。该种测试装置的缺陷在于：1)装置的测试对象有限制，需要特制标准试环，无法直接反应平板结构(屏蔽体安装模块)的材料性能；2)每次测试需要绕线，测试效率低，且引入人为应力误差。为了提升传统软磁测量装置的缺陷，部分研究团队开展平板测试装置的研究。Gmyrek团队利用高导磁材料做成辅助磁轭模块，搭建可直接获取平板磁特性的测试装置，通过缠绕在平板样件上的线圈提供激励磁场并获取测试数据(GmyrekZ,CavagninoA.Modifiedsinglesheettestersystemforengineering measurements[C]//XXIIthInternationalConferenceonElectricalMachines(ICEM'2016).IEEE,2016.)。Mailhé团队在平板测试装置的基础上设计磁场强度测试线圈，用以准确获得平板样件上的磁场强度(BJMailhé,EliasR,SilvaI,etal.InfluenceofShieldingon theMagneticFieldMeasurementbyDirectH-CoilMethodinaDouble-YokedSST[C]//MOMAGPortoAlegre2016.)。平板测试装置可以直接针对屏蔽体安装模块进行磁特性测试，但仍然存在一定的局限性：(1)装置需要在平板样件上绕制感应线圈，因此仍然存在测试效率低下及绕线应力的引入；(2)目前的平板测试装置只能获取整块平板的性能，无法进行单点或局部评估，而单点或局部测试对于缺陷定位有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种平板二维磁特性自动化测试装置，实现平板软磁样件的自动化测试，并可通过施加二维磁场的大小改变磁场激励方向，从而实现平板样件完整磁特性测量，装置结构简单，操作便捷，适用性较强。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种平板二维磁特性自动化测试装置，包括导磁激励模块、高精度测量模块、二自由度自动控制系统及支撑定位模块；

所述导磁激励模块通过支撑底座上的定位槽固定在支撑定位模块上，二自由度自动控制系统中的无磁滑轨通过螺栓固定在支撑定位模块上，高精度测量模块通过与驱动轴的轴孔配合可沿着驱动轴方向自由滑动，无磁滑块与驱动轴用螺钉固定连接，通过操控二自由度自动控制系统中无磁滑块的位置精确控制高精度测量模块的水平两自由度；利用导磁激励模块为测试样件提供激励磁场，利用高精度测量模块捕获测试样件上各测量点位的磁场强度和磁感应强度，利用二自由度自动控制系统实现平板样件各区域自动化测量。

进一步地，所述导磁激励模块由上磁轭，激励线圈和下磁轭构成，下磁轭通过支撑底座上的定位槽固定在支撑定位模块上，激励线圈均匀缠绕在上、下磁轭上，在测试过程中，首先将测试样件安置在下磁轭上表面，然后在测试样件上压装上磁轭，其中上、下磁轭的边缘保持对称对齐，在激励线圈施加激励电流后，由上磁轭、下磁轭及测试样件构成磁通回路，由此可在测试样件内产生均匀的激励磁场。

进一步地，上磁轭与测试样件的压合力为100～200N；上磁轭、下磁轭采用高导磁软磁材料制作。

进一步地，所述高导磁软磁材料为无取向硅钢片或高磁导率铁镍合金。

进一步地，采用两对相互垂直的磁轭二维结构，通过调整两对磁轭上激励线圈的电流大小，可控制两个方向的磁场激励幅值，控制进入测试样件的磁场方向和大小，实现二维磁特性测量。

进一步地，为提高测试样件内部的磁场均匀度，上磁轭和下磁轭采用宽边设计，宽边的长度K参考的尺寸为220～300mm。

进一步地，所述二自由度自动控制系统由驱动电机，二自由度的无磁滑轨，无磁滑块，驱动轴及相应的控制系统构成；其中二自由度的无磁滑轨通过螺钉与支撑定位模块固定连接，驱动电机通过驱动丝杠传动部件，使得无磁滑块在无磁滑轨上自由运动，无磁滑块与驱动轴之间用螺钉固定连接，由此通过驱动电机控制驱动轴在平面二自由度内运动；驱动轴与测量组件之间为孔轴配合；通过驱动电机实现高精度测量模块在平面二自由度任意位置运动，用于选定测试样件上的任意测量点位；通过控制系统配合，设置测试样件的不同区域测试方案，实现全自动测量；经过屏蔽处理的驱动电机延伸至下磁轭之外。

进一步地，所述支撑定位模块包含支撑底座，对准条，连接轴；支撑底座有两块，通过连接轴用螺栓固定连接，对准条有4块，通过螺栓与支撑底座固定连接；支撑底座用于支撑整个测试装置，通过支撑底座上的定位槽保证两对垂直的下磁轭的相互位置关系，并通过支撑底座的台阶结构，控制两对下磁轭的间隙，方便激励线圈散热；所述对准条用于测试样件的有边界限位，对准条作为测试样件的定位基准，由此精确获得测试样件上的各测试点位与测量组件8的相对位置关系，便于快速定位测试缺陷区域；对准条的侧面与上磁轭和下磁轭有配合关系，对准条保证上磁轭与下磁轭安装位置关系，减小上磁轭和下磁轭的对准误差，保证测试样件与上磁轭和下磁轭在接触位置的磁通连续性。

进一步地，所述高精度测量模块包括测量组件，所述测量组件由测量底座，磁感应强度探针，磁场强度测试线圈，驱动滑块，导向轴，无磁电推杆组成；磁感应强度探针通过胶粘的方式与测量底座固定连接，磁场强度测试线圈与测量底座通过沉头螺钉固定连接，由此测量底座、磁感应强度探针与磁场强度测试线圈形成一个整体测试结构；无磁电推杆一端通过法兰与驱动滑块固定连接，另一端通过螺栓与测量底座连接，导向轴与驱动滑块通过螺纹连接，测量底座、磁场强度测试线圈与导向轴之间为精密孔轴配合；无磁电推杆推动测量底座、磁感应强度探针与磁场强度测试线圈组成的整体测试结构沿着导向轴的方向运动，实现测量组件靠近测试样件的测量动作；磁感应强度探针有两对，分别测试两垂直方向的磁感应强度，在无磁电推杆的驱动下，磁感应强度探针针头与测试样件触碰收缩，形成电导通路，得到触碰点位间的电势差，进一步计算出测试点位间的磁感应强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明针对平板样件进行测试，可以得到样件实际安装结构的真实磁导率，无需单独制作标准试环。

2.本发明通过自动化结构的引入，可以实现磁场激励自动给定，测量模块自动靠近样件，信号自动捕捉，无需绕线，减少了测试过程中人为因素影响，提高了测试便捷性及可靠性。

3.本发明通过二自由度滑轨，可实现测试样件多点位测试，实现对测试样件各区域分别测试，可以获取测试样本的局部缺陷，测试数据更加全面可靠。

4.本发明采用二维磁性能测试方案，可通过调整激励磁场分量的大小改变激励磁场方向，可获得测试样件的各向磁特性数据，并可以得到旋转磁场下的损耗参数。

5.本发明中的感应线圈采用梯度成对设计结构，提高了测试准确度。

6.本发明可以根据需求调整测试样件的测试区域，对于测试样件的尺寸并没有限制，提高了测试对象的适用性。

附图说明

图1为本发明的一种平板二维磁特性自动化测试装置的整体结构的立体示意图；

图2为本发明的导磁激励模块示意图；

图3为本发明的剖面图A-A；

图4为本发明的剖面图B-B；

图5为本发明的高精度测量模块示意图；

图6为本发明的高精度测量模块测试动作示意图；其中，图a为测量模块远离待测样件状态，图b为测量模块靠近待测样件状态；

图7为本发明的样件磁场强度测试原理图；

图8为本发明的磁场强度测试线圈示意图。

图中：1、上磁轭；2、激励线圈；3、下磁轭；4、支撑底座；5、对准条；6、连接轴；7、驱动电机；8、测量组件；9、无磁滑块；10、驱动轴；11、无磁滑轨；12、测试样件；13、第一线圈；14、第二线圈；8-1、测量底座；8-2、磁感应强度探针；8-3、磁场强度测试线圈；8-4、驱动滑块；8-5、导向轴；8-6、无磁电推杆。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-图5所示，本发明的平板二维磁特性自动化测试装置包括导磁激励模块、高精度测量模块、二自由度自动控制系统及支撑定位模块。

其中各模块之间的连接关系如下：导磁激励模块通过支撑底座4上的定位槽固定在支撑定位模块上，二自由度自动控制系统中的无磁滑轨11通过螺栓固定在支撑定位模块上，高精度测量模块通过与驱动轴10的轴孔配合可沿着驱动轴方向自由滑动，无磁滑块9与驱动轴10用螺钉固定连接，通过操控二自由度自动控制系统中无磁滑块9的位置即可精确控制高精度测量模块的水平两自由度。

平板二维磁特性自动化测试装置的工作方式：利用导磁激励模块为测试样件12提供激励磁场，利用高精度测量模块捕获测试样件12上各测量点位的磁场强度H和磁感应强度B，利用二自由度自动控制系统实现平板样件各区域自动化测量，由此实现平板二维磁特性自动化测试装置的整体功能。

如图1和图2所示，导磁激励模块由上磁轭1，激励线圈2和下磁轭3构成，下磁轭3通过支撑底座4上的定位槽固定在支撑定位模块上，激励线圈2按图2所示均匀缠绕在各个磁轭上，在测试过程中，首先将测试样件12安置在下磁轭3上表面，然后在测试样件上压装上磁轭1，其中上、下磁轭的边缘要保持对称对齐，上磁轭1与测试样件12的压合力优选为100～200N。其中上磁轭1、下磁轭3采用高导磁软磁材料制作(包括但不限于无取向硅钢片，高磁导率铁镍合金等)。如图2所示，在激励线圈2施加激励电流后，由上磁轭1、下磁轭3及测试样件12构成磁通回路，由此可在测试样件内产生均匀的激励磁场。如图1和图3所示，为了实现测试样件12在不同激励磁场方向下的磁特性，本发明采用两对磁轭相互垂直放置，通过调整两对磁轭上激励线圈2的电流大小，可控制两个方向的磁场激励幅值，即可控制进入测试样件12的磁场方向和大小，实现二维磁特性测量。为提高测试样件12内部的磁场均匀度，上磁轭1和下磁轭3采用宽边设计，宽边的长度K参考的尺寸为220～300mm。

如图3所示，二自由度自动控制系统由驱动电机7，二自由度的无磁滑轨11，无磁滑块9，驱动轴10及相应的控制系统构成。其中二自由度的无磁滑轨11通过螺钉与支撑定位模块固定连接，驱动电机7通过驱动丝杠传动部件，使得无磁滑块9在无磁滑轨11上自由运动，无磁滑块11与驱动轴10之间用螺钉固定连接，由此可通过驱动电机7控制驱动轴10在平面二自由度内运动。驱动轴10与测量组件8之间为孔轴配合，因此可通过驱动电机7，实现测量模块在平面二自由度任意位置运动，用于选定测试样件12上的任意测量点位(如图4所示)。通过控制系统配合，可设置测试样件12的不同区域测试方案，且可实现全自动测量。如图3所示，经过屏蔽处理的驱动电机7延伸至下磁轭3之外，通过磁轭的进一步屏蔽作用，将驱动电机对于测量组件8的影响降到最低。

如图4所示，本发明的支撑定位模块包含支撑底座4，对准条5，连接轴6。支撑底座4有两块，通过连接轴6用螺栓固定连接，对准条5有4块，通过螺栓与支撑底座4固定连接。其中支撑底座4用于支撑整个测试装置，通过支撑底座4上的定位槽可保证两对垂直的下磁轭3的相互位置关系，并通过支撑底座4的台阶结构，可控制两对下磁轭3的间隙，方便激励线圈2散热。由于对准条5对于测试样件12的有边界限位，对准条5可作为测试样件12的定位基准，由此可以精确获得测试样件12上的各测试点位与测量组件8的相对位置关系，便于快速定位测试缺陷区域。对准条5的侧面与上磁轭1和下磁轭3有配合关系，借用对准条5可保证上磁轭1与下磁轭3安装位置关系，由此可减小上磁轭1和下磁轭3的对准误差，从而保证测试样件12与上磁轭1和下磁轭3在接触位置的磁通连续性。4块对准条5可根据测试样件12的尺寸、上磁轭1和下磁轭3的使用数量等需求进行选择安装。连接轴6与支撑底座4相接后，形成测试样件的支撑底座结构，连接轴6除了减重并提高支撑底座结构的强度外，同时起到方便测试装置搬运的作用。

如图5所示，高精度测量模块主要由测量组件8构成，包括测量底座8-1，磁感应强度探针8-2，磁场强度测试线圈8-3，驱动滑块8-4，导向轴8-5，无磁电推杆8-6。磁感应强度探针8-2通过胶粘的方式与测量底座8-1固定连接，磁场强度测试线圈8-3与测量底座8-1通过沉头螺钉固定连接，由此测量底座8-1、磁感应强度探针8-2与磁场强度测试线圈8-3形成一个整体测试结构。无磁电推杆8-6一端通过法兰与驱动滑块8-4固定连接，另一端通过螺栓与测量底座8-1连接，导向轴8-5与驱动滑块通过螺纹连接，测量底座8-1、磁场强度测试线圈8-3与导向轴8-5之间为精密孔轴配合，由此，在无磁电推杆8-6的作用下，可推动测量底座8-1、磁感应强度探针8-2与磁场强度测试线圈8-3组成的测试结构沿着导向轴8-5的方向运动，由此可实现测量组件8靠近测试样件12的测量动作。如图6所示，其中图a为测量组件8离开测试样件12的状态，图b为测量组件8靠近测试样件的状态，可配合二自由度自动控制系统，实现全自动测量。其中磁感应强度探针8-2有两对(4针)，分别测试两垂直方向的磁感应强度B，在无磁电推杆8-6的驱动下，磁感应强度探针8-2针头与测试样件12触碰收缩，形成电导通路，由此可以得到触碰点位间的电势差，进一步计算出测试点位间的磁感应强度B。

根据麦克斯韦方程边界条件，不同介质的不同磁介质在交界面上磁场强度H相同，且在距离在交界面附近，磁场强度H随着与交界面距离L的变化呈线性关系，如图7所示。因此，为了提高磁场强度测试线圈的测试精度，磁场强度测试线圈8-3设计为相互叠装的两层，即磁场强度梯度结构，其中上层线圈距离测试样件12的距离为L1，获得的测试信号为U1；下层线圈距离测试样件12的距离为L2，获得得测试信号为U2，如图8所示，每层由两组相互垂直的第一线圈13和第二线圈14绕制，分别测试测试样件12两个垂直方向的磁场强度H。通过相互叠装的两层磁场强度测试线圈8-3，可用于磁场强度与测试样件12测量交界面的距离修正，获得测试样件12的真实磁场强度，提高测试准确性。

在实际实施中，可根据需求调整磁轭及测试器件的数量，改为单向磁特性测试以应用于各项同性的软磁材料测试。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种平板二维磁特性自动化测试装置，其特征在于：包括导磁激励模块、高精度测量模块、二自由度自动控制系统及支撑定位模块；

所述导磁激励模块通过支撑底座上的定位槽固定在支撑定位模块上，二自由度自动控制系统中的无磁滑轨通过螺栓固定在支撑定位模块上，高精度测量模块通过与驱动轴的轴孔配合可沿着驱动轴方向自由滑动，无磁滑块与驱动轴用螺钉固定连接，通过操控二自由度自动控制系统中无磁滑块的位置精确控制高精度测量模块的水平两自由度；利用导磁激励模块为测试样件提供激励磁场，利用高精度测量模块捕获测试样件上各测量点位的磁场强度和磁感应强度，利用二自由度自动控制系统实现平板样件各区域自动化测量。

2.根据权利要求1所述的一种平板二维磁特性自动化测试装置，其特征在于：所述导磁激励模块由上磁轭，激励线圈和下磁轭构成，下磁轭通过支撑底座上的定位槽固定在支撑定位模块上，激励线圈均匀缠绕在上、下磁轭上，在测试过程中，首先将测试样件安置在下磁轭上表面，然后在测试样件上压装上磁轭，其中上、下磁轭的边缘保持对称对齐，在激励线圈施加激励电流后，由上磁轭、下磁轭及测试样件构成磁通回路，由此可在测试样件内产生均匀的激励磁场。

3.根据权利要求1所述的一种平板二维磁特性自动化测试装置，其特征在于：上磁轭与测试样件的压合力为100～200N；上磁轭、下磁轭采用高导磁软磁材料制作。

4.根据权利要求3所述的一种平板二维磁特性自动化测试装置，其特征在于：所述高导磁软磁材料为无取向硅钢片或高磁导率铁镍合金。

5.根据权利要求1所述的一种平板二维磁特性自动化测试装置，其特征在于：采用两对相互垂直的磁轭二维结构，通过调整两对磁轭上激励线圈的电流大小，控制两个方向的磁场激励幅值，控制进入测试样件的磁场方向和大小，实现二维磁特性测量。

6.根据权利要求1所述的一种平板二维磁特性自动化测试装置，其特征在于：为提高测试样件内部的磁场均匀度，上磁轭和下磁轭采用宽边设计，宽边的长度K为220～300mm。

7.根据权利要求1所述的一种平板二维磁特性自动化测试装置，其特征在于：所述二自由度自动控制系统由驱动电机，二自由度的无磁滑轨，无磁滑块，驱动轴及相应的控制系统构成；其中二自由度的无磁滑轨通过螺钉与支撑定位模块固定连接，驱动电机通过驱动丝杠传动部件，使得无磁滑块在无磁滑轨上自由运动，无磁滑块与驱动轴之间用螺钉固定连接，由此通过驱动电机控制驱动轴在平面二自由度内运动；驱动轴与测量组件之间为孔轴配合；通过驱动电机实现高精度测量模块在平面二自由度任意位置运动，用于选定测试样件上的任意测量点位；通过控制系统配合，设置测试样件的不同区域测试方案，实现全自动测量；经过屏蔽处理的驱动电机延伸至下磁轭之外。

8.根据权利要求1所述的一种平板二维磁特性自动化测试装置，其特征在于：所述支撑定位模块包含支撑底座，对准条，连接轴；支撑底座有两块，通过连接轴用螺栓固定连接，对准条有4块，通过螺栓与支撑底座固定连接；支撑底座用于支撑整个测试装置，通过支撑底座上的定位槽保证两对垂直的下磁轭的相互位置关系，并通过支撑底座的台阶结构，控制两对下磁轭的间隙，方便激励线圈散热；所述对准条用于测试样件的有边界限位，对准条作为测试样件的定位基准，由此精确获得测试样件上的各测试点位与测量组件8的相对位置关系，便于快速定位测试缺陷区域；对准条的侧面与上磁轭和下磁轭有配合关系，对准条保证上磁轭与下磁轭安装位置关系，减小上磁轭和下磁轭的对准误差，保证测试样件与上磁轭和下磁轭在接触位置的磁通连续性。

9.根据权利要求1所述的一种平板二维磁特性自动化测试装置，其特征在于：所述高精度测量模块包括测量组件，所述测量组件由测量底座，磁感应强度探针，磁场强度测试线圈，驱动滑块，导向轴，无磁电推杆组成；磁感应强度探针通过胶粘的方式与测量底座固定连接，磁场强度测试线圈与测量底座通过沉头螺钉固定连接，由此测量底座、磁感应强度探针与磁场强度测试线圈形成一个整体测试结构；无磁电推杆一端通过法兰与驱动滑块固定连接，另一端通过螺栓与测量底座连接，导向轴与驱动滑块通过螺纹连接，测量底座、磁场强度测试线圈与导向轴之间为精密孔轴配合；无磁电推杆推动测量底座、磁感应强度探针与磁场强度测试线圈组成的整体测试结构沿着导向轴的方向运动，实现测量组件靠近测试样件的测量动作；磁感应强度探针有两对，分别测试两垂直方向的磁感应强度，在无磁电推杆的驱动下，磁感应强度探针针头与测试样件触碰收缩，形成电导通路，得到触碰点位间的电势差，进一步计算出测试点位间的磁感应强度。