CN218938481U - 基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置，它包括磁路模块、霍尔‑线圈传感器模块、温度加载模块、预应力加载模块；该装置可避免由于上磁轭本身重量使样片承受过大应力带来的影响；应力加载模块对待测样片施加拉力及压力；防屈曲装置防止厚度较薄的叠片在压缩应力下发生弯曲，允许将强压缩应力水平施加在样片上；温度加载模块可进行局部加热；霍尔‑线圈传感器模块包括B线圈和霍尔元件；磁感应强度由B线圈测量，磁场强度由霍尔元件传感器测量。霍尔元件有着精度高，体积小的优点，可弥补H线圈法由于不能保证紧贴样片而造成测量结果不准确的影响。

Description

基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置

(一)技术领域：

本实用新型涉及一维磁特性测量领域，具体是一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置。

(二)背景技术

在电机、变压器等电工装备实际运行过程中，往往存在多个物理场同时作用，比如外界温度、机械应力等。这些因素的存在会对磁特性测量造成极大影响，并且这些物理场之间是相互影响的。为了更加贴近实际工作环境以及精确测量电工钢片的磁特性，就需要研究多物理场耦合对磁特性测量的影响。而在现有的一维磁特性测量装置设计时，基本上都只考虑单一物理场下的磁特性，而单一工况是不足以达到精准测量的要求。

在现有的考虑应力的磁特性测量装置中，没有考虑施加应力时，样片产生弯曲形变的情况，特别是对于厚度较薄的待测样片。也没有关于在施加应力时，用于避免待测样品发生弯曲的抗弯曲装置内容。另外，在传统单片测量法中，对于上磁轭本身重量会使待测样片承受较大应力的问题，目前，也并未对该内容进行考虑。

(三)实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置，它能够解决现有技术的不足，本实用新型可实现电工钢片在温度场和应力场耦合的矢量磁特性测量。弥补了只考虑单一工况的不足，可有效提高测量精度，更符合实际工况。

本实用新型的技术方案：一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置，其特征在于它包括磁路模块、霍尔-线圈传感器模块、温度加载模块、预应力加载模块；

所述磁路模块包括两个水平对称布置的C型磁轭，所述两个磁轭的支腿部位分别缠绕激磁线圈；所述霍尔-线圈传感器模块及温度加载模块设置于防弯曲装置上；所述防弯曲装置设置于两个水平对称布置的C型磁轭之间；所述防弯曲装置内夹放待测样片；所述预应力加载模块对待测样片施加力。

所述霍尔-线圈传感器模块包括包括B线圈和霍尔元件传感器；磁感应强度由B线圈测量，磁场强度由霍尔元件传感器测量。

所述B线圈通过绝缘胶固定在PCB电路板中心区域上，霍尔元件传感器设置于另一PCB电路板上，绕制成圆形的B线圈嵌套着霍尔元件传感器，两个电路板之间设有保证B线圈表面与霍尔元件传感器表面始终在同一水平线上的垫板。

所述霍尔-线圈传感器四周设有便于顺利引出信号线与电源线的出线孔。

所述霍尔元件传感器型号为HAL3726DJ-A，工作温度范围在-40℃～170℃；其电源引脚VDD与外部电源连接，接地引脚GND信号线接地，输出引脚OUT通过信号线连接外部数据采集卡。

所述垫板的高度为1.65mm。

所述温度加载模块包括云母加热片及片式测温探头；云母加热片及片式测温探头设置于防弯曲装置上并与待测样片贴合，可进行局部温度的加载。

所述的温度加载模块设有一个云母加热片和两个片式测温探头；所述片式测温探头连接测温装置，测温装置选择型号为WSS-WST411-DTM-491的高精度数显双金属温度表，其测量范围在-50℃～200℃。

所述待测样片的一端被夹钳和夹板夹住，另一端被固定夹板夹住。

所述预应力加载模块采用直线电机对待测样片施加拉力或压力；直线电机与夹钳之间通过丝杆连接，夹钳通过导轨限位；直线电机与丝杆之间设有压力传感器。

所述丝杆通过固定夹件固定在底板上，底板下部设有支撑台，支撑台置于底座上。

所述压力传感器连接应力检测仪器，能够准确地实时监测待测样片拉力和压力的数值。

所述防弯曲装置采用聚醚醚酮(PEEK)材料制成，防弯曲装置上开槽，用于放置云母加热片、片式测温探头、霍尔-线圈复合传感器以及导线。

所述磁路模块固定在底座上。

所述防弯曲装置四周固定，并固定在底座上，底部中心区域设有线槽孔。

所述两个水平对称布置的C型磁轭分别固定在底座上，“门”型固定件将左右磁轭进行“嵌套”式固定。

一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：将云母加热片，片式测温探头以及霍尔-线圈复合传感器对应放入防弯曲装置内部凹槽；将待测样片放入防弯曲装置左右夹板之间并固定；

步骤二：在磁轭支腿位置缠绕激磁线圈，激磁线圈采用串联方式进行连接；调节合适的磁轭位置夹紧待测样片，并将左右磁轭进行固定；

步骤三：待测样片一端固定在固定夹板上，另一端放入夹钳和夹板之间并进行固定；

步骤四：驱动直线电机，对待测样品施加拉力或压力，通过压力传感器记录数据；

步骤五：通过温度加载模块中的云母加热片对待测样片施加预设温度；

步骤六：通过激磁线圈使待测样片周围产生磁场；

步骤七：通过霍尔-线圈复合传感器将样片的B、H信号采集到数据采集卡进行数据分析，来获取待测样片产生的磁场特性；

步骤八：记录应力数据、温度和磁场特性；

步骤九：重复步骤四-步骤八，测量在不同应力和温度下的磁场特性。

本实用新型的优点及有益效果是：1.本实用新型可实现电工钢片在温度场和应力场耦合的矢量磁特性测量。弥补了只考虑单一工况的不足，可有效提高测量精度，更符合实际工况。2.本实用新型设计的磁路模块由两个双C型磁轭水平对称布置，可避免由于上磁轭本身重量使样片承受过大应力带来的影响。3.本实用新型防弯曲装置采用聚醚醚酮(PEEK)材料构成，目的在于防止厚度较薄的叠片在压缩应力下发生弯曲，允许将压缩应力水平施加在样片上。4.本实用新型使用霍尔元件传感器也可避免由于挤压等原因造成H线圈匝数不准以及不能紧贴待测样片的情况。本实用新型的霍尔元件型号为HAL3726DJ-A。该霍尔元件有着精度高，体积小，重量轻等优点，很容易集成在IC器件中。5.本实用新型中的霍尔元件的引脚焊接在下PCB电路板上，其电源引脚VDD与外部电源连接，接地引脚GND信号线接地，输出引脚OUT通过信号线连接外部数据采集卡。B线圈绕制成圆形，嵌套着霍尔元件传感器，B线圈表面与霍尔元件传感器表面始终在同一水平线上，同时避免B信号与H信号之间产生干扰。

(四)附图说明：

图1为本实用新型所涉一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置的整体结构示意图。

图2为本实用新型所涉一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置的整体结构俯视图。

图3为本实用新型所涉一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置的局部结构示意图。

图4为本实用新型所涉一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置的防弯曲装置结构示意图。

图5为本实用新型所涉一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置的防弯曲装置结构下视图。

图6为本实用新型所涉一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置的霍尔-线圈传感器及云母加热片安装位置示意图。

图7为本实用新型所涉一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置的片式探头安装位置示意图。

图8为本实用新型所涉一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置的霍尔-线圈传感器模块结构示意图。

图9为本实用新型所涉一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置的霍尔元件、电路板以及垫板结构示意图。

图10为本实用新型所涉一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置的B线圈、电路板结构示意图。

附图标记说明：1.底座，2.左“C”型磁轭，3.右“C”型磁轭，4.夹钳，5夹板，6固定夹板，7.防弯曲装置，8.直线电机，9.压力传感器，10.丝杆，11.固定夹件，12.底板，13导轨，14支撑台，15.“门”型固定件，16支撑组件，17.激磁线圈，18待测样片，19左夹板，20.右夹板，21.固定件，22线槽，23.片式测温探头，24.霍尔-线圈复合传感器，25.云母加热片，26.霍尔元件传感器，27.B线圈，28.垫片，29.PCB电路板，30.B线圈焊盘，31.出线孔。

(五)具体实施方式：

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1至图2所示，本实用新型是一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置，包括磁路模块、霍尔-线圈传感器模块、温度加载模块、预应力加载模块、固定支撑模块、防弯曲装置模块。预应力加载模块主要包括直线电机8、导轨13和压力传感器9。其中预应力的加载主要通过直线电机8实施，将待测样片18的一端固定在固定夹板6上，另一端放入夹钳4和夹板5之间，再通过螺丝对待测样片18进行固定。夹钳4与丝杆10之间焊接，丝杆10通过两个固定夹件11固定在底板12上。底板12底部设有支撑台14。通过驱动直线电机8带动待测样片18在导轨13上产生收缩和伸长。在丝杆10和直线电机8之间安装压力传感器9，通过导线连接预应力检测仪器，能够准确地实时监测待测样片18拉力和压力的数值。

如图3所示，磁路模块中的两个双“C”型磁轭水平对称放置、即左“C”型磁轭2和右“C”型磁轭3。两个磁轭的支腿部位分别缠绕激磁线圈17，激磁线圈17采用串联方式进行连接。整个磁路模块均采用支撑组件固定在底座1上。两个磁轭之间放入被防弯曲装置7夹紧的待测样片18。左右磁轭的两侧分别被三个支撑组件16通过螺丝进行固定，两个“门”型固定件15将左右磁轭进行“嵌套”式固定，支撑组件16以及“门”型固定件15的底部均通过螺丝固定在底座1上。

图4为本实用新型防弯曲装置结构示意图，该装置采用特种高分子材料聚醚醚酮(PEEK)构成，聚醚醚酮具有机械强度高、耐高温、耐磨、耐疲劳、耐辐照及良好的电性能，在工业领域应用广泛。防弯曲装置7由左夹板 19、右夹板 20、固定件21以及十六个尼龙螺钉构成，将待测样片18放入防弯曲装置左右夹板之间，四周用一组十六个尼龙螺钉固定夹紧。再借助四个固定件21将防弯曲装置7固定在底座1上。

如图5至图7，对防弯曲装置7的底部以及内部进行开槽。其中在防弯曲装置左夹板19的中心区域铣出三个凹槽，两侧凹槽大小相同，尺寸为30mm*30mm*3mm，用来放置片式测温探头23。中间凹槽尺寸33mm*38.1mm*2.55mm，用来放置霍尔-线圈复合传感器24。在防弯曲装置右夹板20的中心区域铣出尺寸为140mm*60mm*3mm的凹槽，用来放置定制的云母加热片25。防弯曲装置7底部铣出宽度为10mm的线槽22，用来放置导线。将待测样片18放入防弯曲装置7内部，并使云母加热片25、片式测温探头23以及霍尔-线圈复合传感器24与待测样片18紧密贴合，导线通过线槽22与外界数据采集卡进行连接。

温度加载模块设有一个云母加热片25和两个片式测温探头23，其中云母加热片25的尺寸为140mm*60mm*3mm。两个片式测温探头23材质为不锈钢贴片，检测温度范围在-50℃～500℃，尺寸均为30mm*30mm*3mm。测温装置选择型号为WSS-WST411-DTM-491的高精度数显双金属温度表，其测量范围在-50℃～200℃。云母加热片25、片式测温探头23与所述的待测样片18紧密贴合，进行实时温度检测。通过与片式测温探头23相连的高精度数显双金属温度表实现温度的检测。

如图8至图10所示，所述的霍尔元件传感器26型号为HAL3726DJ-A，封装尺寸为6mm*5mm*1.5mm。霍尔元件传感器26的引脚焊接在PCB电路板29上，其电源引脚VDD与外部电源连接，接地引脚GND信号线接地，输出引脚OUT通过信号线连接外部数据采集卡。所述霍尔元件传感器26通过测量得到待测样片18表面空气中的磁通密度B，根据Hair＝Bair/μ0，可求得该位置的磁场强度值，根据不同媒质交界面磁场强度切向分量连续条件，可得到待测样片18表面磁场强度等于Hair。B线圈27绕制成圆形，使绕制成圆形的B线圈27嵌套着霍尔元件传感器26，并通过绝缘胶固定在PCB电路板29中心区域上，PCB电路板29底部设有一个矩形缺口，为B线圈焊盘30的焊接预留空间，两个电路板之间设有高度为1.65mm的垫板28，保证B线圈27表面与霍尔元件传感器26表面始终在同一水平线上。同时避免B信号与H信号之间产生干扰。霍尔-线圈传感器24四周设有出线孔31，便于顺利引出信号线和电源线。

数据采集卡输出的模拟信号极其微弱，要想驱动激磁线圈17产生磁场，就需要增加功率放大器。数字信号处理单元与功率放大器输入端口进行连接，功率放大器输出端口与激磁线圈17进行连接。编写LabVIEW程序，通过数据采集卡输出激磁信号，激磁信号经功率放大器放大，从而驱动激磁线圈产生磁场。从霍尔-线圈复合传感器24中采集出来的B信号和H信号，通过隔离放大器与数据采集卡的输入端进行连接，对所采集的数据进行分析，得出磁通密度和磁场强度的轨迹，生成霍尔-线圈曲线，从而获取待测样片18在预设应力和温度下的磁特性。所述数据采集卡型号为NI USB-6002，所述功率放大器型号为BROCKHAUSPA100-52A。

上述实施例仅说明了本实用新型的技术概念和特征，旨在使熟悉该技术的人能够理解本实用新型的内容并相应地实施，而不限制本实用新型的保护范围。在本实用新型的精神和原则所作的修改，应当纳入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置，其特征在于它包括磁路模块、霍尔-线圈传感器模块、温度加载模块、预应力加载模块；

所述磁路模块包括两个水平对称布置的C型磁轭，所述两个磁轭的支腿部位分别缠绕激磁线圈；所述霍尔-线圈传感器模块及温度加载模块设置于防弯曲装置上；所述防弯曲装置设置于两个水平对称布置的C型磁轭之间；所述防弯曲装置内夹放待测样片；所述预应力加载模块对待测样片施加力。

2.根据权利要求1所述一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置，其特征在于所述霍尔-线圈传感器模块包括B线圈和霍尔元件传感器；磁感应强度由B线圈测量，磁场强度由霍尔元件传感器测量。

3.根据权利要求2所述一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置，其特征在于所述B线圈通过绝缘胶固定在PCB电路板中心区域上，霍尔元件传感器设置于另一PCB电路板上，绕制成圆形的B线圈嵌套着霍尔元件传感器，两个电路板之间设有保证B线圈表面与霍尔元件传感器表面始终在同一水平线上的垫板。

4.根据权利要求1所述一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置，其特征在于所述温度加载模块包括云母加热片及片式测温探头；云母加热片及片式测温探头设置于防弯曲装置上并与待测样片贴合。

5.根据权利要求1所述一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置，其特征在于所述待测样片的一端被夹钳和夹板夹住，另一端被固定夹板夹住。

6.根据权利要求1所述一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置，其特征在于所述预应力加载模块采用直线电机对待测样片施加拉力或压力。

7.根据权利要求6所述一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置，其特征在于所述直线电机与夹钳之间通过丝杆连接，夹钳通过导轨限位；直线电机与丝杆之间设有压力传感器。

8.根据权利要求7所述一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置，其特征在于所述丝杆通过固定夹件固定在底板上，底板下部设有支撑台，支撑台置于底座上；所述压力传感器连接应力检测仪器。

9.根据权利要求1所述一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置，其特征在于所述防弯曲装置采用聚醚醚酮材料制成，防弯曲装置上开槽，用于放置云母加热片、片式测温探头、霍尔-线圈复合传感器以及导线。

10.根据权利要求1所述一种基于温度和应力耦合下改进的单片磁特性测量装置，其特征在于所述磁路模块固定在底座上；所述防弯曲装置四周固定，并固定在底座上，底部中心区域设有线槽孔；所述两个水平对称布置的C型磁轭分别固定在底座上，“门”型固定件将左右磁轭进行“嵌套”式固定。

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