一种永磁体磁性能温度系数测量及变温/高温永磁体磁性能监测装置的制作方法

[0001]
本发明涉及永磁体磁性能测量技术，可用于变温/高温下永磁体磁性能温度系数的测量以及实际器件中使用的永磁体在变温/高温工作环境中的磁性能监测。


背景技术：

[0002]
近年来，随着永磁材料的发展，其被广泛应用于行波管、变频空调、新能源汽车电机、风力发电、航空航天和国防等领域。在这些领域，永磁体一般都工作在变温环境甚至高温环境中，而永磁体的磁性能会随着温度的变化而发生变化。永磁体的磁性能是影响相关产品性能或工作稳定性的重要因素，将直接影响相关领域的技术水平。比如行波管工作时，有少部分高速电子会撞击器件系统，器件系统会产生大量的热量，导致系统温度上升，从而会造成永磁聚焦系统的轴向磁场发生变化。这一变化将会导致更多的高速电子撞击器件系统，形成恶性循环，致使整个行波管无法正常工作。另外，永磁体的磁性能也会随着时间而逐渐衰减，并且与温度有关，温度越高，永磁体磁性能衰减的速度越快，当温度超过居里温度时，磁性能消失。对于一些变温/高温环境中使用的工程产品来说，需要实时监测其所使用的永磁体的磁性能，一旦发现永磁体的磁性能衰减到影响器件工作时，需要及时更换永磁体。因此，对永磁体生产厂家而言，为了开发能够在变温/高温环境下长久工作的永磁体，需要对永磁体的磁性能温度系数进行检测，预测永磁体在不同温度下的使用寿命；对相关永磁体的用户而言，为了保证工程产品在变温/高温下的工作稳定性，需要实时监测产品在工作温度下永磁体的磁性能，以便及时更换相关产品的永磁体，保障产品正常工作。
[0003]
目前，衡量永磁体高温磁性能最常用的参数是温度系数，其包括可逆和不可逆温度系数。不可逆温度系数可经过对永磁体高温老化处理消除，可逆温度系数就需要在高温下进行测量。但是在当前技术水平下，在高温环境中测量或检测永磁体的温度系数有些困难。如闭合磁路测量法，其测量温度区间小；在开磁路下用振动样品磁强计测量的方法，其设备昂贵复杂；在开路下采用核磁共振法测量的方法，其实现较为困难。因此，需要设计一种可以在变温/高温环境下测量永磁体磁性能温度系数并且可以用来监测永磁体磁性能变化的装置。


技术实现要素：
：
[0004]
本发明针对变温/高温下永磁体磁性能的测量和监测难度大、方法复杂的问题，提出了一种永磁体磁性能温度系数测量及变温/高温永磁体磁性能监测装置。该装置通过测量装置中的测量杆、连接装置、弹力装置和磁屏蔽装的设计，以及测量杆的改进，来测量永磁体的温度系数和监测永磁体在不同温度下磁性能随时间的衰减，预测永磁体使用寿命。本发明得到的装置可用来测量高温下永磁体的温度系数和监测永磁体在高温下的磁性能，工作温度可达600℃，并且价格实惠，寿命长久，方法简单。
[0005]
本发明的技术方案是：
[0006]
一种永磁体磁性能温度系数测量及变温/高温永磁体磁性能监测装置，该装置包括电流表、温度显示器、保温砖、热电偶、计算机、测量装置、加热炉和固定装置；
[0007]
所述的测量装置包括测量杆、连接装置、弹力装置和磁屏蔽装置；
[0008]
其中，连接装置由一个卡箍和基座组成；所述的基座为长方体形，其左部设置有卡箍；右部开有一个矩形凹槽，凹槽内设置有两条滑轨，安装有弹力装置；
[0009]
所述的弹力装置的组成包括阻尼、弹簧和滑块；所述的滑块安装在基座的滑轨上，滑块和基座的内壁之间，水平安装有弹簧，滑块的上部，固定有阻尼；
[0010]
所述的测量杆的末端放置在加热炉内壁的凹槽；首端伸出到加热炉外，设置在阻尼的左侧，并由卡箍水平固定；
[0011]
所述的测量杆包括永磁体、波导丝、绝缘套管、外壳和检测线圈；其中，波导丝水平设置，左端固定在外壳的左端内壁上，右端固定在阻尼的左侧，波导丝上套有绝缘套管，绝缘套管外还套有管状外壳；外壳的中左部分，套有永磁体，卡箍和阻尼之间的波导丝上，套有检测线圈；测量杆中检测线圈部分的外部，设置有磁屏蔽装置；永磁体位于加热炉7炉膛的中间；
[0012]
所述的固定装置，安装在加热炉中永磁体位置的左右两侧；加热炉两侧炉壁外分别有两个把手，分别安装在连接杆上，连接杆穿过左右两侧的炉壁，连接位于炉体内的金属块，且穿过炉壁部分的连接杆上有螺纹，金属块夹持固定永磁体；
[0013]
所述的计算机分别连接温度显示器、加热炉、波导丝和检测线圈；电流表和加热炉相连；温度显示器还和热电偶相连。
[0014]
所述磁致伸缩波导丝采用feco材料。
[0015]
所述的绝缘套管为玻璃纤维管；
[0016]
所述的外壳，为中空圆柱管，材料为氧化铝；
[0017]
所述的检测线圈为400～800匝的漆包线绕制而成的空心圆柱体；
[0018]
所述的磁屏蔽装置材料为坡莫合金，左右两壁开有通孔用于测量杆穿过；
[0019]
所述的热电偶的探头位于炉内永磁体旁；
[0020]
所述的保温砖，放置在加热炉炉门处；
[0021]
所述的圆环形永磁体可根据需求自行选定尺寸和材料，此处为钐钴yx28永磁体；
[0022]
所述的加热炉包括炉体、炉膛、陶瓷纤维、出气孔、加热板和进气孔；所述的陶瓷纤维填充于炉膛内壁和加热炉外壁之间，包围整个炉膛；所述的出气孔为l型，位于加热炉后侧炉壁，其出口在加热炉炉顶；所述的加热板水平放置于炉膛内壁上侧和下侧，一共两块；所述的进气孔为水平通道，位于加热炉后侧炉壁，并与上侧加热板相通；所述的进气孔，和加热板相连。
[0023]
本发明的实质性特点为：
[0024]
本发明通过对当前测量装置进行改进，去掉了电子仓，增加磁屏蔽装置；并增加了弹力装置、加热炉等器件来测量磁场。磁屏蔽装置保证测量信号的稳定性，使用feco材料作为磁致伸缩波导丝，使用圆环形永磁体为波导丝提供均匀的轴向磁场，使用不锈钢等不导磁材料固定永磁体，用加热炉来提供所需要的温度，用弹力装置来减小波导丝热膨胀对测量信号的影响，用保温材料来保持温度稳定，并用热电偶来测量环境的温度，通过计算机在波导丝上产生不同幅值的脉冲电流，用检测线圈检测波导丝产生的扭转波信号，并把扭转
波信号转变成电压信号，最后用计算机算出对应的轴向磁场。
[0025]
本发明的有益效果为：
[0026]
目前测量高温下的磁场困难、方法复杂并且设备昂贵，对厂家和用户是一个较大的负担。新装置具有价格实惠，可测量永磁体高温磁性能并监测永磁体磁性能在不同温度下的衰减情况的特点，其可以测量600℃以下任意温度区间的温度系数。
[0027]
具体体现为：
[0028]
1、本专利提出的一种永磁体磁性能温度系数测量及变温/高温永磁体磁性能监测装置，不同于其他测量装置：可测量大温度区间的温度系数并且可以监测永磁体在不同温度下磁性能随时间的衰减，预测永磁体使用寿命；所选用的波导丝居里温度大于600℃，可以根据需要测量永磁体在600℃以下某一温度段的温度系数或监测其磁性能。
[0029]
2、本专利提出的装置价格实惠，其核心器件测量装置大大节省了花费，仅需几百块，整体装置价格大约几千块。而其他测量方法若要达到本装置所能测量的温度范围，如在开磁路下用振动样品磁强计的测量方法所用的设备，价格大约十几万左右。
[0030]
3、利用feco丝的魏德曼效应，将永磁体随温度变化的轴向磁场转化为电压信号，准确测量永磁体的磁场变化。轴向磁场与输出电压的关系近似线性关系，如图10所示。由于同一输出电压对应两个轴向磁场，所以发射不同的脉冲电流来测量同一温度下的轴向磁场，再对比不同脉冲电流所对应的轴向磁场进行对比，从而得出所测永磁体的轴向磁场的大小。
[0031]
4、为保证在高温下波导丝不受热膨胀的影响，在波导丝检测线圈一侧端面设置弹力装置，防止拉应力引起的输出电压减小，热膨胀率使波导丝与其他装置间的相对位移引起的测量误差，提高了装置的准确性。
[0032]
5、为了保证检测线圈不受环境中静磁场的影响，将检测线圈放在磁屏蔽装置内，防止周围环境中的静磁场使通过检测线圈的磁通量发生改变，从而引起测量误差，保证了测量电压的稳定性。
[0033]
6、为了保证装置内温度的均匀性，在加热炉内设置进气孔和通气孔，可控制空气流通，优化炉体内温度的均匀性；设置了陶瓷纤维和保温砖对加热炉进行保温，防止温度不均匀对测量结果造成误差。
附图说明
[0034]
图1永磁体磁性能温度系数测量及变温/高温永磁体磁性能监测装置整体装置图；
[0035]
图2永磁体磁性能温度系数测量及变温/高温永磁体磁性能监测装置侧面结构剖面图；
[0036]
图3测量装置未安装磁屏蔽装置的结构图；
[0037]
图4永磁体固定装置结构图；
[0038]
图5连接装置和弹力装置结构图；
[0039]
图6卡箍侧面图和滑块侧面图，其中图6a为b-b方向卡箍侧面图；图6b为c-c方向滑块侧面图；图6c为弹力装置俯视图；
[0040]
图7热电偶结构图
[0041]
图8磁场强度测量流程图；
[0042]
图9常温下轴向磁场与输出电压的关系图；
[0043]
图10常温下10a和20a脉冲电流下永磁体轴向磁场与输出电压的关系图；
[0044]
图1120-270℃所测量的温度系数图；
[0045]
其中，1-电流表、2-温度显示器、3-保温砖、4-热电偶、5-计算机、6-测量装置、7-加热炉、8-固定装置、9-永磁体、10-测量杆、11-弹力装置、12-连接装置、13-磁屏蔽装置、14-陶瓷纤维、15-出气孔、16-加热板、17-进气孔、18-磁致伸缩波导丝、19-绝缘套管、20-外壳、21-检测线圈、22-卡箍、23-基座、24-阻尼、25-弹簧、26-滑块、27-把手、28-连接杆、29-金属块。
具体实施方式
[0046]
以下结合图对发明做进一步详述。本实施例仅为对发明的具体说明，不视为对保护范围的限定。
[0047]
本发明所述的一种永磁体磁性能温度系数测量及变温/高温永磁体磁性能监测装置整体结构图如图1所示，包括电流表1、温度显示器2、保温砖3、热电偶4、计算机5、测量装置6、加热炉7和固定装置8；
[0048]
其中，加热炉7包括陶瓷纤维14、出气孔15、加热板16和进气孔17；所述的陶瓷纤维14填充于炉膛内壁和加热炉7外壁之间，包围整个炉膛；所述的出气孔15为l型，位于加热炉7后侧炉壁，其出口在加热炉7炉顶；所述的加热板16水平放置于炉膛内壁上侧和下侧，一共两块；所述的进气孔17为水平通道，位于加热炉7后侧炉壁，并与上侧加热板16相通；
[0049]
所述的加热炉7为长方体形，外部尺寸为480
×
550
×
900mm，内部炉膛尺寸230
×
240
×
170mm；
[0050]
所述的电流表1、温度显示器2分别设置在加热炉7的上部；
[0051]
所述的电流表1为bp-670dc30a直接式指针式直流电流表，其外观尺寸为60
×
70mm，其由透明pc面盖，电胶木底座构成，安装在加热炉7左上角，用来显示加热状态；
[0052]
所述的温度显示器2选用跃仪ykj-908yj型号的液晶显示仪，外形尺寸160
×
80
×
48mm，安装在加热炉7右上角，与热电偶4和计算机5相连，可显示炉内温度，当温度达到计算机5设定值可以反馈给计算机5，停止加热；
[0053]
所述的热电偶4接头侧放在炉门外面，探头水平放在炉内永磁体9旁边；
[0054]
所述的测量杆10的一端放入加热炉7后侧炉壁的凹槽内，另一端放在炉门外面，在炉门处用两块保温砖3上下夹住测量杆10，接头侧放在两块保温砖3之间，缝隙用陶瓷纤维14填满；
[0055]
所述的保温砖3，材料为漂珠砖，放置在加热炉7炉门处，一共两块，用来封闭炉门，保温隔热；
[0056]
所述的热电偶4为wrp-100小铂铑热电偶，总长327mm，接头为28
×
25
×
20mm的长方体，含有密封垫，热电偶4的管外径为8mm，插深可达300mm,测温范围为0-1300℃；
[0057]
所述的计算机5分别连接温度显示器2、加热炉7、波导丝18两端和检测线圈21两端，用来控制温度、发射脉冲并且接收处理输出电压。
[0058]
所述的测量装置6包括测量杆10、连接装置12、弹力装置11和磁屏蔽装置13；
[0059]
所述的连接装置12，由一个卡箍22和基座23组成，用于连接测量杆10、弹力装置11
和磁屏蔽装置13；所述的基座23为长方体形，其左部设置有卡箍22；右部开有一个矩形凹槽，凹槽内设置有两条滑轨，安装有弹力装置11；当装置工作时，将连接装置12放置在一个可自由调节高度的支架上，使整个测量装置6保持水平；
[0060]
所述的弹力装置11的组成包括阻尼24、弹簧25和滑块26；所述的滑块26安装在基座23的滑轨上，滑块26和基座23的内壁之间，水平安装有弹簧25，滑块26的上部，固定有阻尼24；
[0061]
所述阻尼24用来阻断声热传递并抑制回波噪声信号；所述的滑块26在矩形凹槽内，可左右滑动，对弹簧25进行压缩；所述的阻尼24的材料为介孔二氧化硅气凝胶，其尺寸为20
×
20
×
15mm的长方体，
[0062]
所述的测量杆10首端设置在阻尼24的左侧，并由卡箍22水平固定；工作时，末端放置在加热炉7内壁的凹槽；
[0063]
所述的测量杆10包括永磁体9、波导丝18、绝缘套管19、外壳20和检测线圈21；其中，波导丝18水平设置，左端固定在外壳20的左端内壁上，右端固定在阻尼24的左侧，磁屏蔽装置13左侧的波导丝18上套有绝缘套管19，绝缘套管19外还套有管状外壳20；外壳20的中左部分，套有永磁体9，卡箍22和阻尼24之间的波导丝18上，套有检测线圈21；测量杆10中检测线圈21部分的外部，设置有磁屏蔽装置13；
[0064]
工作时，永磁体9位于加热炉7炉膛的中间；
[0065]
其中外壳20和检测线圈21的中心轴线相同，并且波导丝18位于这条中心轴线上；
[0066]
永磁体9从测量杆10末端套入，然后将测量杆10末端放入加热炉7后侧炉壁的凹槽内，另一端放在炉门外面，其中心轴与波导丝18和外壳20的中心轴在一条线上，固定在距离检测线圈21左侧60cm处；
[0067]
所述的永磁体9可根据需求自行选定尺寸和材料，但其最小内径需要大于10mm，本实施例具体为内径12mm，外径15mm，厚度3mm的钐钴yx28永磁体；
[0068]
所述磁致伸缩波导丝18，采用feco材料(co含量为原子比55～65％)，本实施例采用铁钴丝(钴含量为原子比60％)，长950mm,直径为0.6mm。波导丝18左侧固定于外壳20的左端管内，波导丝18右端穿过检测线圈21(两者中心轴线相同)、阻尼24，并以1mpa的拉应力固定在弹力装置11上。
[0069]
所述的绝缘套管19，套在检测线圈21左侧部分的波导丝18上，材质为玻璃纤维管，用来绝缘和减小波导丝18和外壳20之间的摩擦；
[0070]
所述的外壳20，为中空圆柱管，材料为非铁磁性的氧化铝，其外径10mm，长度800mm，壁厚3mm；
[0071]
所述的检测线圈21，使用线径0.2mm(导线标称直径0.2mm，标称截面积0.03142mm2，最大外径0.239mm)漆包线绕制，绕制成空心圆柱体，绕制600匝，成品内径4mm,外径8mm，长15mm，位于外壳20右侧，套在波导丝18右端，并固定在磁屏蔽装置13中，用来检测扭转波，并转换成电压信号，其两端通过导线接到计算机5上；
[0072]
所述的磁屏蔽装置13，材料为坡莫合金，其尺寸为34
×
32
×
22的长方体，板厚0.7mm，左右两壁开有通孔用于测量杆10穿过，用来屏蔽静磁场对检测线圈21的影响；
[0073]
所述的陶瓷纤维14，用来保温隔热，保持炉内的温度，可以在1000℃下长期使用，并且在1200℃下短暂使用；
[0074]
所述的出气孔15，用来及时排除废气和调节气压；进气孔17和出气孔15相互配合，可以提高炉内温度的均匀度，提高测量精度；
[0075]
所述的加热板16，材料为陶瓷加热板，可以承受1000℃左右温度；
[0076]
所述的进气孔17，和加热板16相连，外面空气从进气孔17进入，先经过加热板16加热，在进入炉内以保证炉内温度稳定；
[0077]
所述的固定装置8，材料为不锈钢，安装在加热炉7中永磁体9位置的左右两侧。加热炉7两侧炉壁外分别有两个把手27，分别安装连接杆28上，连接杆28穿过左右两侧的炉壁，连接位于炉体内的金属块29，且穿过炉壁部分的连接杆28上有螺纹，通过转动把手27可以控制金属块29的位置，以此来固定永磁体9；
[0078]
当要测量永磁体的温度系数或监测其磁性能时，通过操作计算机控制测量温度，等待到达设定温度，再操作计算机控制发出10a脉冲电流。该脉冲电流在波导丝上可产生沿波导丝传播的周向磁场，当周向磁场传播到永磁体处时，与永磁体产生的轴向磁场叠加，产生一个螺旋磁场。基于魏德曼效应，波导丝瞬间形变并产生扭转波，扭转波以一定的速度向波导丝两端传播。当检测线圈感应到扭转波信号时，基于逆磁致伸缩效应产生感应电压v1，通过数据线传输到计算机，计算机根据常温下测得的输出电压与轴向磁场的关系，由输出电压v1计算得到轴向磁场h1和h2；然后操作计算机再控制发出20a的脉冲电流，重复上述操作，得出20a脉冲电流所对应的输出电压v2，再计算出输出电压v2所对应的轴向磁场h3和h4；然后对比所得轴向磁场的大小，若h1＝h3或h1＝h4，所测轴向磁场的大小为h1，若h2＝h3或h2＝h4，则所测轴向磁场大小为h2。(常温下输出电压与轴向磁场的关系h
i
＝a
i
v
i
+b
i
由实施例1测量得到)，步骤如图8所示。
[0079]
若需要测量温度系数，即可根据上述步骤测量不同温度下的轴向磁场，然后根据下式计算：
[0080]
α(h)＝{[h(t0)-h(t1)]/[h(t0)
×
(t
0-t1)]}
×
100％
[0081]
若需要监测永磁体的高温磁性能的变化，控制永磁体所处温度，然后由计算机采集永磁体所产生轴向磁场随时间变化的数据，最后由计算机生成永磁体轴向磁场随时间变化的关系图。在加热炉内设计进气孔和出气孔，控制炉体内空气流通，保证炉内环境温度均匀。为保证在高温下feco丝不受高温热膨胀的影响，在feco丝检测线圈一侧端面设置了弹力装置，为保证检测线圈不受外部磁场的影响设置了磁屏蔽装置。用计算机操作测量装置，方便测量且不需要测量人员时刻观察。
[0082]
本发明涉及的软件或协议均为公知技术，本领域人员根据以上内容可以实现。
[0083]
实施例1：在常温条件下使用feco波导丝和一个可调节轴向磁场大小的装置做实验。本实施例的目的是测出室温(25℃)下使用feco波导丝的输出电压与轴向磁场的关系。
[0084]
实验平台的搭建：永磁体放置在距离检测线圈左侧60cm处，实验使用的圆环形永磁体材质为钐钴yx28，将测量装置取出方便进行实验，用计算机观察记录检测线圈输出电压值。
[0085]
实验过程与结果：如图9所示，为25℃下，脉冲电流由2a增至40a，步长2a，轴向磁场强度由5ka/m增至100ka/m，步长5ka/m。实验结果表明当脉冲电流合适时，输出电压与轴向磁场近似为线性关系，其中灵敏度有一次变化，选用其中两种不同脉冲电流值的数据作对比，即可测出轴向磁场强度。通过分析图9和所测数据，选用脉冲电流为10a和20a时，脉冲电
流和轴向磁场的关系作为依据。其关系用公式表示为：
[0086]
h1＝2.2v1+197，h2＝-1.58v2+268.5，h3＝2.5v3+234，h4＝-2.2v4+328
[0087]
如图10所示。
[0088]
实施例2：使用图1所示装置，测量一个温度系数为-0.05％的永磁体的温度系数，验证实验装置的准确性与可行性。
[0089]
实验平台的搭建：将永磁体套在测量杆距离检测线圈左侧60cm处，放进加热炉，用永磁体固定装置固定，然后控制加热炉温度由20℃升至270℃，步长为50℃，测量每个温度的轴向磁场，然后根据测量得到的数据计算温度系数，并和永磁体已知的温度系数对比。
[0090]
实验过程与结果：实验结果如图11所示，220-270℃温度区间的温度系数最小为-0.0571％，170-220℃温度区间的温度系数最大为-0.0461％。测量装置所测得的各个温度区间的温度系数均围绕-0.05％上下波动。
[0091]
本发明未尽事宜为公知技术。