CN212301380U

CN212301380U - 一种永磁磁矩温度系数测量装置

Info

Publication number: CN212301380U
Application number: CN202021741468.3U
Authority: CN
Inventors: 张志高; 贺建; 侯瑞芬; 龚文杰; 林安利
Original assignee: National Institute of Metrology
Current assignee: National Institute of Metrology
Priority date: 2020-08-19
Filing date: 2020-08-19
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2030-08-19

Abstract

本实用新型涉及一种永磁磁矩温度系数测量装置，包括微控制器、电机驱动器、伺服电机、旋转轴、测量线圈、加热炉和模数转换器；微控制器的脉冲输出端通过电机驱动器与伺服电机电连接，伺服电机的输出轴与旋转轴轴接，旋转轴贯穿在测量线圈内，加热炉嵌入在旋转轴内并与测量线圈对应，测量线圈与模数转换器的输入端电连接，模数转换器的输出端与微控制器的数据输入端电连接，微控制器的脉冲输出端还与模数转换器的采样控制端电连接。本实用新型基于旋转样品法和锁相数字计算方法计算永磁磁矩，采用嵌入在旋转轴上加热炉为样品加热，具有样品温度控制准确快速，测量分辨率高等特点。

Description

一种永磁磁矩温度系数测量装置

技术领域

本实用新型涉及永磁磁矩测量领域，具体涉及一种永磁磁矩温度系数测量装置。

背景技术

永磁作为飞船、飞行器等关键部件的材料，广泛应用于航空航天、国防领域,其磁性能直接影响相关领域技术水平。永磁材料导航器——陀螺仪被称为飞行器的“眼睛”，广泛应用于大型飞机、大运载火箭、战略导弹、航母等的导航系统中，也是海、陆、空精密导航系统的核心材料。由于准确性、安全性和可靠性的原因，以上领域要求永磁材料的磁性能不随温度的变化而波动，因此，航天部和军方要求飞船、飞行器必须使用超低温度系数的永磁材料。研发低温度系数材料的军工科研单位和航天、军工部门对相关的测量方法和仪器的需求极为迫切。

公开号(CN202362442U)的实用新型《硬磁材料温度特性检测装置》，该专利涉及硬磁材料温度特性检测装置，包括控制和数据处理单元、磁场和磁感测量单元、温度控制单元和磁化单元，所述控制和数据处理单元与磁场和磁感测量单元和磁化单元分别数据连接，所述磁化单元与温度控制单元相连接。该专利所述的硬磁材料温度特性检测装置，能够在闭磁路的条件下测量从室温到500℃的样品的高温磁特性，不仅用于钕铁硼磁体，更可用于具有较低温度系数和较高居里温度地SmCo5系、Sm2Co17磁体，解决了高温下稀土永磁材料磁特性的测量问题。但是该专利测量分辨率低，只能到达10^-4/K。

公开号(CN103885009B)的实用新型专利《一种永磁体温度系数开路测量装置及测量方法》，该实用新型涉及一种永磁体温度系数开路测量装置及方法，包括天平支架，天平支架为一箱体，其内底部放置一个台架，台架上放置均匀梯度场发生装置，均匀梯度场发生装置与恒流电源连接，高温炉放置在均匀梯度场发生装置上或穿过均匀梯度场发生装置放置在台架上，高温炉与温控单元连接；天平支架的顶部放置一个分析天平，分析天平与计算机连接，计算机还与温控单元连接，分析天平下端固定一条样品悬挂线，样品悬挂线穿过天平支架的顶面延伸至高温炉内部，样品悬挂线末端连接一个样品套，样品套内放置被测样品；该实用新型有效解决了目前永磁体温度系数测量精度和分辨率低的问题，为航空航天领域的关键材料的测量提供方法和手段。但是该实用新型永磁体处于梯度磁场下，永磁体磁矩受到外加磁场影响，不能真实反映永磁体磁矩的温度变化。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种永磁磁矩温度系数测量装置，基于旋转样品法和锁相数字计算方法测量永磁磁矩，采用嵌入在旋转轴上加热炉为样品加热，具有样品温度控制准确快速，测量分辨率高等特点。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种永磁磁矩温度系数测量装置，包括微控制器、电机驱动器、伺服电机、旋转轴、测量线圈、加热炉和模数转换器；所述微控制器的脉冲输出端通过所述电机驱动器与所述伺服电机电连接，所述伺服电机的输出轴与所述旋转轴轴接，所述旋转轴贯穿在所述测量线圈内，所述加热炉嵌入在所述旋转轴内并与所述测量线圈对应，所述测量线圈与所述模数转换器的输入端电连接，所述模数转换器的输出端与所述微控制器的数据输入端电连接，所述微控制器的脉冲输出端还与所述模数转换器的采样控制端电连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型一种永磁磁矩温度系数测量装置采用嵌入在旋转轴上的加热炉为永磁样品加热，具有永磁样品温度控制准确快速的特点；另外，使用同一固定脉冲驱动伺服电机旋转与控制模数转换器采样,因为旋转与采样是完全同步的，模数转换器转换结果可以做到整周期均匀采样，并且微控制器利用锁相数字计算原理对模数转换器同步采样得到的数据进行处理，具有抗干扰、高稳定度等特点，定点温度下磁矩测量稳定度可达到10ppm，测量分辨率可做到十万分之一。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，还包括温度控制器，所述温度控制器的指令接收端与所述微控制器的指令输出端电连接，所述温度控制器的指令输出端通过水银滑环与所述加热炉的加热控制端电连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：温度控制器在微控制器的控制下可以调节加热炉的加热温度，方便永磁磁矩温度系数的测量。

进一步，还包括底座和支架，所述旋转轴通过所述支架架设在所述底座上。

进一步，所述底座和所述支架均由无磁材料构成。

采用上述进一步方案的有益效果是：无磁的支架和底座，第一是为了避免被永磁样品磁化，第二是为了减少环境的磁干扰，提高测量精度。

进一步，所述加热炉由无磁材料构成。

采用上述进一步方案的有益效果是：无磁的加热炉，第一是为了避免被永磁样品磁化，第二是为了减少环境的磁干扰，提高测量精度。

附图说明

图1为本实用新型一种永磁磁矩温度系数测量装置的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、旋转轴，2、测量线圈，3、加热炉，4、永磁样品，5、水银滑环，6、底座，7、支架。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示，一种永磁磁矩温度系数测量装置，包括微控制器、电机驱动器、伺服电机、旋转轴1、测量线圈2、加热炉3和模数转换器；所述微控制器的脉冲输出端通过所述电机驱动器与所述伺服电机电连接，所述伺服电机的输出轴与所述旋转轴1轴接，所述旋转轴1贯穿在所述测量线圈2内，所述加热炉3嵌入在所述旋转轴1内并与所述测量线圈2对应，所述测量线圈2与所述模数转换器的输入端电连接，所述模数转换器的输出端与所述微控制器的数据输入端电连接，所述微控制器的脉冲输出端还与所述模数转换器的采样控制端电连接。

在本具体实施例中：

优选的，本实用新型的装置还包括温度控制器，所述温度控制器的指令接收端与所述微控制器的指令输出端电连接，所述温度控制器的指令输出端通过水银滑环5与所述加热炉3的加热控制端电连接。温度控制器在微控制器的控制下可以调节加热炉3的加热温度，方便永磁磁矩温度系数的测量。

优选的，本实用新型装置还包括底座6和支架7，所述旋转轴1通过所述支架7架设在所述底座6上。

优选的，所述底座6和所述支架7均由无磁材料构成。无磁的支架7和底座6，第一是为了避免被永磁样品4磁化，第二是为了减少环境的磁干扰，提高测量精度。

优选的，所述加热炉3由无磁材料构成。无磁的加热炉3，第一是为了避免被永磁样品4磁化，第二是为了减少环境的磁干扰，提高测量精度。

在本实用新型中，微控制器(32位ARM芯片)发出一个固定脉冲输入到电机驱动器，电机驱动器控制伺服电机旋转，伺服电机驱动旋转轴1旋转，旋转轴1带动位于加热炉内3的永磁样本4旋转；这个固定脉冲同时控制模数转换器采样；永磁样品4旋转时在测量线圈2中感应出交流信号，交流信号输入到模数转换器，因为旋转与采样是完全同步的，模数转换器转换结果可以做到整周期均匀采样，测量分辨率可做到十万分之一。

本实用新型一种永磁磁矩温度系数测量装置采用嵌入在旋转轴1上的加热炉3为永磁样品4加热，具有永磁样品4温度控制准确快速的特点；另外，使用同一固定脉冲驱动伺服电机旋转与控制模数转换器采样,因为旋转与采样是完全同步的，模数转换器转换结果可以做到整周期均匀采样，并且微控制器利用锁相数字计算方法对模数转换器同步采样得到的数据进行处理，具有抗干扰、高稳定度等特点，定点温度下磁矩测量稳定度可达到10ppm，测量分辨率可做到十万分之一。

本实用新型的装置基于交流方法测量不同温度下的永磁磁矩，从而计算出磁矩的温度系数。同时采用了高速高分辨率模数转换器测量交流电压，具有抗干扰、高稳定度等特点，定点温度下磁矩测量稳定度可达到10ppm，进而可以促进永磁材料应用水平的提升。

在本实用新型中，安装在旋转轴中心的永磁样品在测量线圈中以固定频率旋转，线圈产生的交流信号(具体为交流电压)输入高分辨率模数转换器，模数转换器的采样频率是旋转轴旋转频率的整数倍，保证整周期同步采样。模数转换器每个周期采样10000个点，经过微控制器采用锁相数字计算方法进行数据处理可计算出永磁样品磁矩。当永磁样品温度变化时可测量出磁矩随温度变化的曲线。

设永磁样品磁偶极矩为J，单位韦伯米，符号Wbm；

测量线圈常数为K，单位1/米，符号为m-1；

旋转频率为f，单位赫兹，符号Hz，

在瞬时t秒，永磁样品在测量线圈中产生的磁通为：

Φ＝JK·sin(2πft) (1)

测量线圈(又称亥姆霍兹线圈)产生的瞬时感应电压V：

V＝dΦ/dt＝2πfJK·cos(2πft) (2)

计算出感应电压有效值Vrms，可推导出：

J＝1.4142Vrms/(2πfK) (3)

从公式(3)中可以看出，求出感应电压有效值Vrms，就可以求出永磁样品磁矩。可根据感应电压直接计算感应电压有效值Vrms，但是因为感应电压由测量线圈得来，感应电压中也包含了环境中的干扰信号，很难得到一个非常稳定准确的数值。

采用锁相数字计算方法进行了数据处理，首先微控制器发出固定脉冲(频率的脉冲)驱动伺服电机以f赫兹旋转，同时以此频率作为模数转换器采样频率，采集测量线圈产生的交流信号多个周期N个瞬时点，标记为V1，V2，V3……VN。

微控制器生成频率为f有效值为单位1的参考正弦信号离散点，标记为S1，S2，S3……SN；生成频率为f有效值为单位1的参考余弦信号离散点C1，C2，C3……CN。有如下计算公式：

P＝1/N·(V1·S1+V2·S2+V3·S3+……+VN·SN) (4)

Q＝1/N·(V1·C1+V2·C2+V3·C3+……+VN·CN) (5)

Vrms＝SQRT(P·P+Q·Q) (6)

其中，P是参考正弦信号与测量线圈产生的交流信号乘积，Q是参考余弦信号与测量线圈产生的交流信号乘积，SQRT是开平方，Vrms＝SQRT(P·P+Q·Q)也可写成

尽可能使得增大N数值，从而得到稳定准确的电压有效值。这种数据处理方法能有效地消除大部分外界干扰，但是为了达到更好的测量结果，推荐在电磁干扰很小的环境下使用。

在本实用新型中，对于模数转换器采集的数据后期可以通过其它手段计算，并采用锁相数字计算方法计算出永磁样品的永磁磁矩温度系数，并不一定非要依赖微控制器，锁相数字计算方法为现有的方法。

需要说明的是，本实用新型中的为微控制器的控制及计算功能为现有技术，不涉及对计算机软件的改进，旨在保护各硬件之间的连接关系。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种永磁磁矩温度系数测量装置，其特征在于：包括微控制器、电机驱动器、伺服电机、旋转轴、测量线圈、加热炉和模数转换器；所述微控制器的脉冲输出端通过所述电机驱动器与所述伺服电机电连接，所述伺服电机的输出轴与所述旋转轴轴接，所述旋转轴贯穿在所述测量线圈内，所述加热炉嵌入在所述旋转轴内并与所述测量线圈对应，所述测量线圈与所述模数转换器的输入端电连接，所述模数转换器的输出端与所述微控制器的数据输入端电连接，所述微控制器的脉冲输出端还与所述模数转换器的采样控制端电连接。

2.根据权利要求1所述的永磁磁矩温度系数测量装置，其特征在于：还包括温度控制器，所述温度控制器的指令接收端与所述微控制器的指令输出端电连接，所述温度控制器的指令输出端通过水银滑环与所述加热炉的加热控制端电连接。

3.根据权利要求1或2所述的永磁磁矩温度系数测量装置，其特征在于：还包括底座和支架，所述旋转轴通过所述支架架设在所述底座上。

4.根据权利要求3所述的永磁磁矩温度系数测量装置，其特征在于：所述底座和所述支架均由无磁材料构成。

5.根据权利要求1或2或4所述的永磁磁矩温度系数测量装置，其特征在于：所述加热炉由无磁材料构成。