一种通过磁滞回线进行材料磁学性能的测定装置

1.本实用新型涉及一种磁学性能的测定装置，特别是涉及一种通过磁滞回线进行材料磁学性能的测定装置。


背景技术：

2.目前，磁滞回线常用测量仪器型号有amh-4020磁滞回线测量仪，dh4516 磁滞回线试验仪等，这些仪器普遍较为复杂，操作不够直观简便，需要人工操作的步骤较多，用复杂的实验装置来排除干扰，制动化程度低，测试速度慢，准确率低，普及度不高。因此需要一种结构简单的测定装置。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种通过磁滞回线进行材料磁学性能的测定装置，包括底座、电磁铁、支撑柱、平行梁式力传感器、试样支架和控制系统，所述的电磁铁设在底座一端，支撑柱设在底座的另一端；平行梁式力传感器的一端与支撑柱顶端相连，另一端与试样支架相连，试样支架位于电磁铁上方；控制系统设在支撑柱上。
4.所述的控制系统包括控制器、开关、信号传输模块和电源模块，控制器设在支撑柱内，分别与电磁铁和平行梁式力传感器相连，开关、信号传输接模块和电源模块设在支撑柱表面，分别与控制器相连；信号传输模块与计算机相连，电源模块与电源相连。
5.所述的试样支架设有夹持部，待测试样放在夹持部固定。
6.所述的信号传输模块包括信号传输接口，通过信号传输接口与计算机相连；所述的电源模块包括电源接口，通过电源接口与电源相连。
7.开关控制装置开启或关闭，控制器根据计算机指令调节流经电磁铁的电流，同时收集平行梁式力传感器的数据信号，信号传输模块将控制器与计算机相连接进行数据交互传输。
8.本实用新型的工作原理：
9.用户使用本装置时，应先将电源接口连接到外部电源，并将信号传输接口与计算机相连；
10.开启开关后，空载静置一段时间，记录可能存在的误差数据；
11.记录完成后，若是第一次使用，需要先进行数据标定，将标准铁质样品放置在试样支架上固定，计算机发出信号，经由控制系统使得流经电磁铁的电流由零开始逐渐变大，直到饱和，再由大变小，反向达到饱和，以此类推，记录该标准铁质样品的磁滞回线曲线，与理论曲线进行比对，从而进行修正标定。
12.若已经标定过，则可直接将待测试样放入试样支架上，依照上一步骤进行磁滞回线的记录。
13.将数据经由信号传输模块导入计算机数据分析模块，通过图像处理方法将被测图像与库图像进行识别对比，从而分析出被测材料的磁学性能。
14.用户可根据该试样实际应用所处的磁场环境，在计算机上进行磁场变化设计，通过调整电流大小，满足随时间不同的磁场变化，模拟试样处于实际应用时所受到的磁力，实际应用各个时间段的磁学性能等。
15.本实用新型的有益效果：
16.本实用新型提供的检测装置结构简单，造价低，操作方便；与通常测磁滞回线的方式不同，若电磁铁无法到达材料饱和磁化强度所需的外磁场时，本实用新型也同样可以对不完整的曲线进行分析。同时本实用新型针对试样的磁滞回线不仅能分析它的各种性能参数，还会根据这些参数对物质的材料进行判断，判断所测物质中是否含有杂质，测试速度快，效率高，准确率高。
附图说明
17.图1为本实用新型测定装置结构示意图；
18.1、底座2、电磁铁3、支撑柱4、平行梁式力传感器5、试样支架6、开关7、信号传输模块8、电源模块。
具体实施方式
19.请参阅图1所示：
20.本实用新型提供一种通过磁滞回线进行材料磁学性能的测定装置，包括底座1、电磁铁2、支撑柱3、平行梁式力传感器4、试样支架5和控制系统，所述的电磁铁2设在底座1一端，支撑柱3设在底座1的另一端；平行梁式力传感器4的一端与支撑柱3顶端相连，另一端与试样支架5相连，试样支架5位于电磁铁2上方；控制系统设在支撑柱3上，控制系统包括控制器、开关6、信号传输模块7和电源模块8，控制器设在支撑柱3内，分别与电磁铁2和平行梁式力传感器4相连，开关6、信号传输接模块7和电源模块8设在支撑柱3表面，分别与控制器相连；信号传输模块7与计算机相连，电源模块8与电源相连。开关6控制装置开启或关闭，控制器根据计算机指令调节流经电磁铁2的电流，同时收集平行梁式力传感器4的数据信号，信号传输模块7将控制器与计算机相连接进行数据交互传输。
21.使用本实用新型进行材料磁学性能的测定包括以下步骤：
22.对待测试样测定之前，启动测定装置，先不放待测试样，测量并记录一定时间内的空载数据，在正式实验中对实验数据产生的误差进行排除；
23.对测定装置进行标定，使用铁质标准试样进行测试，将铁质标准试样放在试样支架，计算机发出信号，使得流经电磁铁的电流由零开始逐渐变大，直到饱和，再由大变小，反向达到饱和，以此类推，记录该铁质标准试样的磁滞回线曲线；将理论与实验所得数据进行对比分析后，得出相应的修正系数，对测定装置数据进行修正，电磁铁对试样磁力方程如下：
[0024][0025]
其中：f为试样受到的磁力大小，μ0为真空磁导率；s0为试样被测面积，单位为m2；n为电磁铁励磁线圈的匝数，i为通过电磁铁线圈励磁电流，单位为a；l为气隙长度；
[0026]
对测定装置进行标定后，将待测试样的被检测一面正对测定装置的电磁铁，放置
在测定装置的试样支架上，此时电磁铁通过的电流为零，开始正式实验，通过控制系统对输入电磁铁的电流大小进行控制，使其从小到大逐渐变化，记录对待测试样的磁场强度及力传感器测得的相应变化数据，当数据到达峰值时，再控制电流由大变小，以此类推，得到该待测试样相应的磁滞回线数据；其中，磁场强度与电磁铁通过电流大小的关系为：
[0027][0028]
式中：h为磁场强度，单位为a/m；n为电磁铁励磁线圈的匝数；i为电磁铁励磁电流，单位为a；le为待测试样的有效磁路长度，单位为m；
[0029]
本实用新型核心思路是将测得的f-h曲线转换成m-h曲线，即实验测得的磁滞回线，把已知的各种材质标准尺寸的磁滞回线作为模板，利用相关系数归一化做相似度检测，进行模板匹配，在模板里匹配到能使代价函数最小的窗口。从而测出待测物体是否为铁磁性物体，如果是铁磁性物体进一步确定为哪一种材质，该物体的磁化强度是多少。
[0030]
由于铁磁性物体最本质的特点就是磁导率μ会随施加的磁场强度h改变，而非铁磁性物体的磁导率μ是常量。由下列公式：
[0031]
b＝μ0(m+h)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0032]
m＝χ
mhꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0033]
μr＝1+χmꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0034]
b＝μ0(1+χm)h＝μ0μrh＝μh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0035]
此处b为磁感应强度，m为磁化强度，h为磁场强度，χm为磁化率，μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率，μ为磁导率。可以得出，铁磁性物体的磁滞回线本质上是在不同的磁场强度h时，磁化率增长或下降的趋势不同。而不同材质的物体，相同的磁场强度h，磁化率增长或下降的趋势也不同。即m-h图像斜率的变化趋势，有区别不同材质的能力。
[0036]
平行梁式力传感器优势在于对力感受灵敏，测得的力f’，应首先减掉物体自身重力g0,得到真实磁力f，由于传感器测量过程中噪音点较多，此处进行滑动加权平均滤波处理，如公式(5)
[0037][0038]
滑动窗口步长定为3，权值定为w1＝0.25,w2＝0.5，w3＝0.25。去噪后，得到更为真实的磁力值。由公式(6)
[0039][0040]
b为被测试样和电磁铁之间的气隙中的磁感应强度，a0为气隙的截面积，本实施例中是被测试样的尺寸，而本装置已对被测试样行了尺寸限制，本实施例中为1cm*1cm*1mm,s＝1c
㎡
，ξ为修正系数。k为一个常量，也就是由于k受环境影响较大，在上述用铁质标准试样进行标定时，由实验值和理论值比对得到修正系数ξ。由公式(1)(6)将f转换成磁化强度m，而实验中通过改变电流值i就可以改变h值，对应不同磁化强度m值，可画出实验曲线m-h。
[0041]
若m为恒定值，则可判定为非铁磁性物体，无需后面计算；若m为曲线，则进一步匹
配；
[0042]
由于待测试样不能确定被检测前的磁导率μ，也就是转化后的磁化强度m，所以不能简单地将实验图和模板图h值相同的点视为同一点，两个图像间存在一个平移的关系；而这个平移的具体数值恰好正是我们希望测量得到的，从而能算出试样测量前已有的磁化强度。同时又因为不能保证给物体加磁能达到磁化饱和点。所以决定了本实用新型无从得到完整的磁滞回线，而是得到一个磁滞回线线中的某一段。
[0043]
动态线性化不够精确，支持向量机和深度学习又需要大量的学习样本。于是，本实用新型采用计算机视觉中的opencv，把实验曲线作为待测图像kernel，已知的各种材质标准尺寸的磁滞回线作为模板，kernel与模板的窗口逐个匹配；具体实现步骤如下：
[0044]
绘出待测试样m-h图像后，将图像灰度化处理，使图像各个像素点输出不是rgb三个通道值，而是灰度值，再设置阈值进行二值化处理，使图像“非黑即白”,轮廓清晰；
[0045]
然后用cvfindcountours()绘出外轮廓，再用cvboundingrect()外接矩形边界得出shape值，用shape值做为窗口矩阵大小；模板的处理事先已经进行了灰度化和二值化，用窗口框取区域；模板匹配和卷积原理很像，原图像作为 kernel在模板上开始滑动，计算kernel与模板被图像覆盖的地方的相似程度，用cv2.tm_ccoeff_normed函数相似度检测，相似度检测采用归一化相关系数：
[0046][0047]
式中：
[0048][0049][0050]
r(x,y)为以点(x,y)为中心的窗口的归一化相关系数，分子上为欧拉距离的内积和，分母为归一化处理，将相关系数值域控制在[-1,1]内，当相关系数越接近1时越相关，相似程度越高；各个窗口的相关系数值构成一个新矩阵t
*
，用minmaxloc()函数得到t
*
的最大值和最小值，以及分别对应的窗口中心值位置；
[0051]
该中心值(x,y)所对应的窗口即想在模板t中找到的区域，通过查看这区域对应的整条曲线属于哪个材质拥有的特征曲线，即可知道材质类别；通过该窗口起始点和最末端的斜率，根据公式(2)求出物体检测前的磁化率和检测后的磁化率，从而根据现有磁化率和自身实际需求做出适当的退磁或补磁。
[0052]
可根据该试样实际应用所处的磁场环境，在计算机上进行磁场变化设计，可以通过调整电流大小，满足随时间不同的磁场变化，模拟试样处于实际应用时所受到的磁力，实际应用各个时间段的磁学性能等。