一种简易的饱和磁滞回线测量装置及使用方法

本发明涉及电磁测量，具体涉及一种简易的饱和磁滞回线测量装置及使用方法。

背景技术：

1、磁滞回线是用来描述铁磁材料在反复磁化过程中磁感应强度与外加磁场强度关系的曲线。它可以反映出铁磁材料的许多磁学特性，是磁性无损检测方法的重要测量内容。

2、常用的磁滞回线测量装置主要由信号源模块、励磁模块、检测模块和采样显示模块等部分组成。

3、信号源模块主要是产生周期性变化的正弦波、三角波或方波等信号，其主要发生装置有可调恒流源(如中国专利cn115308493a、cn107085192b)和可调恒压源(如中国专利cn203192286、cn206960634u)两种。这些装置往往需要搭配功率放大器来实现信号的放大输出，虽然可以输出多种波形信号，但是需要复杂的信号调节，同时由于受到激励源功率的限制，使其只适用于体积小、饱和磁感应强度低的小功率铁磁构件的测量，且成本较高。

4、励磁模块主要是通过线圈感应对试件施加一定强度的激励磁场，有原边绕组(如中国专利cn115308493a、cn110045307b)、螺线管绕组(如中国专利cn107085192b)和u形磁轭绕组等具体实现方式。其中，原边绕组只适用于环形或方形的闭磁路试样，试样需要特殊定制，且对于不同试样的测量，需要重新绕制激励线圈，测量过程相对繁琐；螺线管绕组需要套设于试样外围，对试样的长径比有一定要求；而u形磁轭绕组可贴合于大部分在役工程构件的表面，因此极大地提高了测量装置的适应性。

5、检测模块主要是采集试样的感应磁场，有线圈感应法和传感器法(如中国专利cn107085192b、cn209086420a)两种。其中，线圈感应法是将线圈缠绕在环形试样(如中国专利cn115308493a、cn110045307b)或u形磁轭上，再通过积分电路输出信号，是一种通用的感应信号采集方式；传感器法是利用霍尔传感器(如中国专利cn209086420a)或磁通门传感器(如中国专利cn107085192b)进行信号采集，其测量结果会受到传感器探头布置方式的影响。

6、采样显示模块主要是对激励和感应信号进行采集并显示，主要有示波器法和数据采集卡联合上位机法。其中，示波器法(如中国专利cn203192286u、cn203117404u)具有结构简单、数据采集直观方便的特点；而数据采集卡联合上位机法(如中国专利cn110045307b)可实现多种调节控制，适用于一些复杂的测试工况。

7、综上所述，在现有的磁滞回线测量装置的各组成模块中，或多或少地存在着设备功率有限，组成设备较多，检测采样操作复杂，且成本高的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种成本低、结构简单、操作方便、适应性强的简易饱和磁滞回线测量装置。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种简易的饱和磁滞回线测量装置，包括电源变压器、u型探头、虚拟示波器、采样电阻、积分电容和积分电阻组成；电源变压器的高压端通过导线与220v交流电源相连，电源变压器的低压端通过导线与采样电阻相连；u型探头由u形磁轭、激励线圈和感应线圈组成；激励线圈的一端通过导线与采样电阻相连，另一端通过导线与电源变压器的低压端相连，以形成激励回路；感应线圈通过导线依次与积分电容和积分电阻相连，以形成感应回路；虚拟示波器分别采集采样电阻和积分电容的电压。

4、进一步地，u形磁轭采用具有高磁导率的硅钢片堆叠制成，其尺寸与被测试件尺寸相匹配。

5、进一步地，激励线圈缠绕在u形磁轭的中间梁部，感应线圈均匀缠绕在u形磁轭的两个腿部，激励线圈和感应线圈的缠绕方向相同，保证磁场方向一致；激励线圈和感应线圈均为漆包线。

6、进一步地，虚拟示波器有两个采样通道，通道一通过信号线与采样电阻两端相连，通道二通过信号线与积分电容两端相连；虚拟示波器的输出端通过数据线与电脑相连。

7、另一方面，本发明还提供了如下技术方案：一种简易的饱和磁滞回线测量装置的使用方法，包括以下步骤：

8、步骤1：连接测量装置，使u型探头腿部端面紧贴被测试件，以形成闭合磁路；

9、步骤2：接通交流电源，虚拟示波器采集多个交变周期的采样电阻电压和积分电容电压，在电脑上的虚拟示波器操作界面通过x-y运算功能，进行磁滞回线的显示和记录；

10、步骤3：在电脑上的虚拟示波器操作界面导出采样电阻电压和积分电容电压，分别用公式(1)、(2)换算成磁场强度和磁感应强度，公式为：

11、

12、

13、其中，h是磁场强度，a/m；

14、n1是激励线圈的匝数；

15、l是闭合磁路的长度，m；

16、r1是采样电阻的电阻值，ω；

17、u1是采样电阻两端电压，v；

18、b是磁感应强度，t；

19、r2是积分电阻的电阻值，ω；

20、c是积分电容的容抗，f；

21、n2是检测线圈的匝数；

22、s是u形磁轭的横截面积，m2；

23、u2是积分电容两端电压，v；

24、步骤4：对步骤3算得的磁场强度和磁感应强度使用三次b样条进行插值拟合，再对多周期的数据进行平均处理，最后得到以磁场强度为横坐标，磁感应强度为纵坐标的饱和磁滞回线。

25、本发明的有益效果是：

26、(1)使用电源变压器直接对220v交流电源进行降压，以获得所需的正弦激励信号，装置简单、成本低，且容易获得较大的激励磁场，以实现被测试样的饱和磁化。

27、(2)采用u型探头贴合在被测试件表面的方式形成闭合磁路，无需重复缠绕线圈，对试样的形状要求不高，尤其适用于在役工程构件的检测，使该装置具有较强的适应性。

28、(3)采用虚拟示波器进行采样，利用电脑进行大屏显示，数据查看方便，且成本低、便携性强，可大大节约桌面操作空间。

29、(4)利用三次b样条插值拟合的方法，以消除交流电源正弦波信号质量不高带来的测量误差，以保证测量的精度。

技术特征：

1.一种简易的饱和磁滞回线测量装置，其特征在于：包括电源变压器、u型探头、虚拟示波器、采样电阻、积分电容和积分电阻组成；所述电源变压器的高压端通过导线与220v交流电源相连，所述电源变压器的低压端通过导线与采样电阻相连；所述u型探头由u形磁轭、激励线圈和感应线圈组成；所述激励线圈的一端通过导线与所述采样电阻相连，另一端通过导线与所述电源变压器的低压端相连，以形成激励回路；所述感应线圈通过导线依次与所述积分电容和所述积分电阻相连，以形成感应回路；所述虚拟示波器分别采集所述采样电阻和所述积分电容的电压。

2.根据权利要求1所述的一种简易的饱和磁滞回线测量装置，其特征在于：所述u形磁轭采用具有高磁导率的硅钢片堆叠制成，其尺寸与被测试件尺寸相匹配。

3.根据权利要求1所述的一种简易的饱和磁滞回线测量装置，其特征在于：所述激励线圈缠绕在所述u形磁轭的中间梁部，所述感应线圈均匀缠绕在所述u形磁轭的两个腿部，所述激励线圈和所述感应线圈的缠绕方向一致；所述激励线圈和所述感应线圈均为漆包线。

4.根据权利要求1所述的一种简易的饱和磁滞回线测量装置，其特征在于：所述虚拟示波器有两个采样通道，通道一通过信号线与采样电阻两端相连，通道二通过信号线与积分电容两端相连；所述虚拟示波器的输出端通过数据线与电脑相连。

5.一种简易的饱和磁滞回线测量装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及电磁测量技术领域，具体涉及一种简易的饱和磁滞回线测量装置及使用方法。该装置由电源变压器、U型探头、虚拟示波器、采样电阻、积分电容和积分电阻组成；U型探头由U形磁轭、激励线圈和感应线圈组成；电源变压器高压端与220V交流电源相连，低压端与采样电阻、激励线圈串联形成激励回路；感应线圈与积分电容、积分电阻串联形成感应回路；虚拟示波器分别采集采样电阻和积分电容的电压。该方法包括四个步骤：连接测量装置，采集电压，公式转换，插值拟合处理得到饱和磁滞回线。本发明提供的装置和方法，能够精确测量铁磁材料的饱和磁滞回线，具有结构简单，适应性和便携性强，成本低，操作方便的特点。

技术研发人员：杨晓惠,杨松,杨木豪,贾志斌,蒲海峰,陈龙
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13