专利名称：一种电工钢片二维磁特性单片测量系统及其测量方法
技术领域：
本发明涉及电工钢片磁特性测量设备，具体指一种电工钢片二维磁 特性单片测量装置及其测量方法。背景技术：
电工钢片二维磁特性单片测量系统的测量依据是电磁感应定律，通 过对电工钢片的两个相互正交方向励磁，在被测样片的中心区域产生磁场，在被测样片中 心区域打孔放置B线圈作为测量磁通密度波形的传感器，在紧贴样片被测区域表面放置H 线圈作为测量磁场强度波形的传感器。 已有技术的电工钢片二维磁特性单片测量系统，其测量方法都是以正弦磁通密度 作为测量标准，通过反馈控制系统调整励磁电压，来保证在被测样片中相互正交的两个方 向上产生的磁通密度为正弦波形，然后通过两个正交方向上磁通密度矢量合成，可以产生 (1)磁通密度矢量B末端的轨迹是一条直线的交变磁场，(2)矢量B末端的轨迹是椭圆的 椭圆磁场，(3)矢量B末端的轨迹是正圆的旋转磁场。然而，电工钢片在电磁设备中所表现 出的复杂的非线性磁特性，除了与其材料内部的组织结构有关外，还与对其激励的电源有 关，并且磁化过程依赖于磁化历史，已有技术只对正弦磁通密度作用下电工钢片的磁特性 进行测量，其测量数据不能直接反映出电气设备在加载不同电源时电工钢片磁特性的实际 情况。 已有的二维单片磁测量器，一种是采用平面结构，这种结构虽然能够节省磁轭的 重量，但是两个励磁方向的磁路之间相互依赖、相互影响，并且磁路中除样片与铁轭之间 留有缝隙外，由于每条磁路的铁轭都需要组装，因此铁轭之间也存在缝隙，由于样片被测 区域应为均匀磁场，缝隙的不均匀性会影响到磁场的均匀度，因此铁轭的加工精度要保证 在0.001mm。由于上述原因，采用这种平面结构增加了励磁难度。另一种二维单片磁测量 器是采用立体结构，将相互正交的两条磁路分开，使每条磁路相互独立，虽然磁轭之间没有 缝隙，但是每路励磁磁轭为双轭结构，分为上下两层，这样不但增加了制作成本，而且上下 两层铁轭也应保证尺寸一致，且铁轭的结合处也要保证较高的加工精度，由于磁轭的端面 面积较大，且磁轭结合处受加工精度的影响，会增加被测样片区磁场的不均匀度，因此通过 增加辅助磁轭来引导磁通密度的方向，才能保证样片被测区的均匀度和最高磁通密度的幅 值。双轭结构的另一个缺点是，励磁绕组不便于直接套装在磁轭上，需要将励磁绕组套装在 被测样片上，制作相互正交的绕组支架，励磁绕组的相互交叠，会造成励磁绕组信号之间的 相互串扰，并且绕组支架的固定也会给测量器的制作增加难度。

发明内容
1、发明目的本发明为克服上述已有技术的缺点，提出一种电工钢片二维磁特性 单片测量系统，以及在谐波磁场作用下通过该系统对电工钢片二维磁特性进行测量的的测 量方法。
2、技术方案本发明是通过以下技术方案实施的 —种电工钢片二维磁特性单片测量系统，包括控制计算机、与该计算机连接的数 据采集卡，数据采集卡的信号输出端依次通过功率放大器、隔离变压器、与电工钢片二维磁特性单片测量器的输入端连接，电工钢片二维磁特性单片测量器的输出端又与数据采集卡 的输入端连接，其特征在于在数据采集卡的信号输出端与功率放大器的信号输入端之间 连接一组低通滤波器，在电工钢片二维磁特性单片测量器的信号输出端与数据采集卡的信 号输入端之间连接一组隔离放大器； 电工钢片二维磁特性单片测量器包括互相垂直的上磁轭、下磁轭，上磁轭与上磁 轭托板、上磁轭固定装置固定连接，上磁轭托板通过支架固定在底座上；下磁轭直接固定在 底座上； 2对励磁绕组缠绕在绕组支架上，且第一对励磁绕组对称地缠绕在下磁轭的两个 端部，第二对励磁绕组对称地缠绕在上磁轭的两个端部，且位置远离铁轭开口处，其中第一 对励磁绕组串联，第二对励磁绕组串联； 木螺丝通过上磁轭固定装置和被测电工钢片保护板将被测电工钢片固定在被测 电工钢片支架上；被测电工钢片支架又固定在上磁轭托板上；在被测电工钢片下部放置H 线圈传感器；B线圈传感器则直接缠绕在被测电工钢片上。 在被测电工钢片支架和H线圈传感器之间放置海绵或柔软且绝缘的非铁磁材料。
H线圈传感器用漆包线绕制，缠绕在支架上，支架四个角部粘有导电板，H线圈传 感器的引线由导电板引出。 被测电工钢片置于上磁轭与下磁轭所形成的正交磁路的的中心。 上磁轭、下磁轭均采用C型切口铁心，两个铁心尺寸完全相同，铁心除开口处外无
缝隙，在铁心开口处端部加工成楔型或者尖角型或者平面。 被测电工钢片为正方形，且其轧制方向a与励磁方向成不同的剪裁角e。裁剪， 0°《9。《90° ;被测电工钢片中心区域对称打孔，缠绕B线圈传感器。
所述电工钢片二维磁特性单片测量器中的上磁轭、下磁轭均采用单轭结构
—种电工钢片二维磁特性单片测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤
(1)在被测电工钢片的两个正交方向上加载指定的励磁电压，电压波形根据具体 电气设备的电源确定； (2)通过B线圈传感器和H线圈传感器测量电工钢片中的磁通密度和磁场强度；
(3)改变电压波形的幅值，重复步骤(1) 、 (2)，得到一组磁通密度幅值从小到大变 化的磁化曲线； (4)通过改变电工钢片的测量角度，改变被测磁场的方向，重复步骤(1)、 (2)、 (3)，得到一组不同磁场方向、幅值从小到大变化的磁化曲线； (5)根据需要输入两相或单相任意波形的电压，通过改变励磁电压的波形，得到不 同电压源激励下电工钢片的磁特性，重复步骤(1)、 (2)、 (3)、 (4)，得到一组不同电源励磁、 不同磁场方向、幅值从小到大变化的磁化曲线。 在信号采集过程中，B线圈传感器和H线圈传感器上的信号要同步采集，如果采用 异步采集方式，时间延迟应小于10ns。 在测试过程中，励磁电压先从小信号开始加载，逐渐升高，直到被测样片达到饱 和。
3、优点及效果本发明相较于现有技术的优点在于 (1)本发明在功率放大器的输入端增加了低通滤波器，滤波器可以滤掉控制信号
5中的高频噪声，而传感器的输出信号则经过隔离放大器送到数据采集卡的输入端，感应电 压信号中的噪声可以得到有效抑制。 (2)本发明为改变对被测样片的励磁方向，将被测样片裁剪成励磁方向与轧制方 向成不同角度的样片，这种方法的优点是被测样片改变方向相当于励磁方向的改变，避免 对外加磁场方向进行控制。 (3)本发明的测量器装置采用立体结构，两条磁路相互独立，铁轭采用C型切口铁 心加工，并采用单轭结构，这种结构的优点是节省材料成本，减少铁心重量，铁心除与被测 样片连接处外无其它缝隙，有利于励磁绕组的套装，且可以减少加工精度带来的误差给测 量造成的影响。将铁心端口处加工成尖角，为改善样片被测区域的均匀度，铁心尖角的角度 可以通过数值优化方法作适当调整，这种结构的优点是可以提高被测区域的场强和均匀 度。 (4)本发明在H线圈支架的四个角部粘贴导电板，将H线圈传感器的引线由导电板 引出。其优点在于使H线圈能够平整地放置在样片表面，线圈引线从四个角引出可以防止 引线断裂。





7、底座
t系统示意图； t器立体结构示意图 t器内部结构示意图 t器局部放大示意图
四

图1为电工钢片二维磁特性单片效 图2为电工钢片二维磁特性单片效 图3为电工钢片二维磁特性单片效 图4为电工钢片二维磁特性单片效 图5为B线圈和被测样片的裁剪方法示意图； 图6为H线圈及其支架示意图； 附图标记说明
1、上磁轭 2、下磁轭 3、励磁绕组 4、励磁绕组 5、励磁绕组 6、励磁绕组 8、支架 9、上磁轭固定装置 10、上磁轭托板 11、木螺丝 12、木螺丝 13、木 14、木螺丝 15、被测电工钢片16、H线圈传感器 17、被测电工钢片支架18、被 测电工钢片保护板19、气隙板31、控制计算机32、数据采集卡33、低通滤波器34、低 通滤波器 35、功率放大器 36、功率放大器 37、隔离变压器 38、隔离变压器 39、隔离 放大器 40、隔离放大器 41、隔离放大器 42、隔离放大器 43、By线圈传感器 44、 Hy 线圈传感器45、Bx线圈传感器46、Hx线圈传感器47、x方向磁化绕组48、y方向磁 化绕组a、被测电工钢片的轧制方向。
五具体实施例方式
下面结合附图对本发明的最佳实施方式进行具体说明 图1为电工钢片二维磁特性单片测量系统示意图，如图l所示，通过控制计算机31 产生电压控制信号，由数据采集卡32输出，经过低通滤波器33、34滤除高频噪声，经过功率 放大器35、36得到足够大的励磁信号，经过隔离变压器37、38将测量器和功率放大器隔离， 励磁信号被加到励磁绕组上，然后将B线圈传感器21、22和H线圈传感器16上的感应的电 压信号通过隔离放大器39、40、41、42放大，送回到数据采集卡32，经过数据处理得到磁通密度和磁场强度的波形。图中箭头的方向代表数据的流向。
具体的测量方法为 (1)在被测电工钢片(15)的两个正交方向上加载指定的励磁电压； (2)通过B线圈传感器(21)、 (22)和H线圈传感器(16)测量电工钢片中的磁通
密度和磁场强度； (3)改变电压波形的幅值，重复步骤(1) 、 (2)，得到一组磁通密度幅值从小到大变 化的磁化曲线； (4)通过改变电工钢片的测量角度，改变被测磁场的方向，重复步骤(1)、 (2)、 (3)，得到一组不同磁场方向、幅值从小到大变化的磁化曲线； (5)根据需要输入两相或单相任意波形的电压，通过改变励磁电压的波形，得到不 同电压源激励下电工钢片的磁特性，重复步骤(1)、 (2)、 (3)、 (4)，得到一组不同电源励磁、 不同磁场方向、幅值从小到大变化的磁化曲线。 传感器上的信号要同步采集，如果采用异步采集方式，时间延迟应小于10ns。在测 试过程中，励磁电压先从小信号开始加载，逐渐升高，直到被测样片达到饱和。在对被测电 工钢片15的一个方向测量完毕后，更换剪切角不同的被测电工钢片15，再重复上面的测量 过程，直到所有被测方向的磁特性测完；然后改变励磁电压的波形，重复上述测量过程，得 到不同类型电压源励磁作用下，一种牌号的电工钢片在不同方向上的二维磁特性。
本发明在功率放大器35、36的输入端增加了低通滤波器33、34，滤波器可以滤掉 控制信号中的高频噪声，而传感器的输出信号则经过隔离放大器39、40、41、42送到数据采 集卡32的输入端，感应电压信号中的噪声可以得到有效抑制。 该系统的特点在于在两个正交方向上，以电压信号作为测量标准，用指定电压信 号励磁；装置本身不发生机械运动，通过改变被测电工钢片的轧制方向与励磁方向的夹角， 改变被测磁场的方向。 二维磁特性单片测量器的组装过程如图2、3、4所示，用有机玻璃板制成上磁轭托 板IO，将上磁轭1固定在上磁轭托板10上，用有机玻璃板制成上磁轭固定装置9将上磁轭 1加固，四角用木螺丝固定；将上磁轭托板10通过电木制成的支架8固定在有机玻璃板制 成的底座7上；下磁轭2直接固定在底座7上；上磁轭1与下磁轭2互相垂直，形成立体机 构，组成两个相互正交的磁路。用有机玻璃板制成被测电工钢片支架17，用木螺丝11、12将 被测电工钢片支架17固定在上磁轭托板10上，木螺丝13、14通过上磁轭固定装置9和被 测电工钢片保护板18将被测电工钢片15固定在被测电工钢片支架17上；在被测电工钢片 15下部放置H线圈传感器16 ;为保证H线圈16和被测样片15充分接触，应在被测样片支 架17和H线圈16之间放置海绵。 被测电工钢片15置于上磁轭1与下磁轭2所形成的正交磁路的中心，且被测电工 钢片15为正方形，其励磁方向与轧制方向成不同的剪裁角9￡裁剪0°《ee《90° ;这种 方法的优点是被测电工钢片15改变方向相当于励磁方向的改变，但是不需要测量器作机 械转动，降低了制作测量器的难度。 在被测电工钢片15中心区域对称打孔，缠绕B线圈传感器21、22。 在电工钢片二维磁特性测量器中除构成磁路的上磁轭1、下磁轭2和被测电工钢
片15外，其余结构件均为非铁磁材料；上磁轭1与下磁轭2的材料均采用C型切口铁心，并采用单轭结构；两个磁路的铁心尺寸完全相同，铁心除开口处外无缝隙，在铁心开口处端部 加工成楔型或尖角型或平面。这种结构的优点是节省材料成本，减少铁心重量，铁心除与 被测电工钢片15连接处外无其它缝隙，有利于励磁绕组的套装，且可以减少加工精度带来 的误差给测量造成的影响。将铁心端口处加工成尖角，为改善被测电工钢片15被测区域的 均匀度，铁心尖角的角度可以通过数值优化方法作适当调整，这样可以提高被测区域的场 强和均匀度。 励磁绕组3、4、5、6应缠绕在绕组支架上，且励磁绕组3、4对称地缠绕在下磁轭2 的两个端部，励磁绕组5、6对称地缠绕在上磁轭1的两个端部，且位置远离铁轭开口处，其 中3和4串联，5和(6)串联；套装时应尽量远离磁轭端部，避免绕组之间的串扰。
测量传感器的放置，如图5所示，采用在被测电工钢片15的中心区域打孔的方式， 将B线圈传感器21、22直接缠绕在被测电工钢片15上。用0.03mm的漆包线绕制H线圈传 感器16， H线圈传感器16则缠绕在用环氧树脂板制成的支架23、24上，支架23、24四个角 部粘有导电板20，将线圈引线焊接在导电板20上，再通过导电板20将B线圈传感器21 、22 和H线圈传感器16的信号引出送到隔离放大器。其优点在于使H线圈传感器16能够平 整地放置在被测电工钢片15表面，线圈引线从四个角引出可以防止引线断裂。
权利要求
一种电工钢片二维磁特性单片测量系统，包括控制计算机(31)、与该计算机连接的数据采集卡(32)，数据采集卡(32)的信号输出端依次通过功率放大器(35)、(36)，隔离变压器(37)、(38)，与电工钢片二维磁特性单片测量器的输入端连接，电工钢片二维磁特性单片测量器的输出端又与数据采集卡(32)的输入端连接，其特征在于在数据采集卡(32)的信号输出端与功率放大器(35)、(36)的信号输入端之间连接一组低通滤波器(33)、(34)，在电工钢片二维磁特性单片测量器的信号输出端与数据采集卡(32)的信号输入端之间连接一组隔离放大器(39)、(40)、(41)、(42)；电工钢片二维磁特性单片测量器包括互相垂直的上磁轭(1)、下磁轭(2)，上磁轭(1)与上磁轭托板(10)、上磁轭固定装置(9)固定连接，上磁轭托板(10)通过支架(8)固定在底座(7)上；下磁轭(2)直接固定在底座(7)上；2对励磁绕组(3)、(4)、(5)、(6)缠绕在绕组支架上，且第一对励磁绕组(3)、(4)对称地缠绕在下磁轭(2)的两个端部，第二对励磁绕组(5)、(6)对称地缠绕在上磁轭(1)的两个端部，且位置远离铁轭开口处，其中第一对励磁绕组(3)和(4)串联，第二对励磁绕组(5)和(6)串联；木螺丝(13)、(14)通过上磁轭固定装置(9)和被测电工钢片保护板(18)将被测电工钢片(15)固定在被测电工钢片支架(17)上；被测电工钢片支架(17)又固定在上磁轭托板(10)上；在被测电工钢片(15)下部放置H线圈传感器(16)；B线圈传感器(21)、(22)则直接缠绕在被测电工钢片(15)上。
2. 根据权利要求1所述一种电工钢片二维磁特性单片测量系统，其特征在于在被测 电工钢片支架(17)和H线圈传感器(16)之间放置海绵或柔软且绝缘的非铁磁材料。
3. 根据权利要求l所述一种电工钢片二维磁特性单片测量系统，其特征在于H线圈传 感器(16)用漆包线绕制，缠绕在支架(23)、 (24)上，支架(23)、 (24)四个角部粘有导电板 (20)，H线圈传感器(16)的引线由导电板(20)引出。
4. 根据权利要求1所述一种电工钢片二维磁特性单片测量系统，其特征在于被测电 工钢片(15)置于上磁轭(1)与下磁轭(2)所形成的正交磁路的的中心。
5. 根据权利要求1所述一种电工钢片二维磁特性单片测量系统，其特征在于上磁轭 (1)、下磁轭(2)均采用C型切口铁心，两个铁心尺寸完全相同，铁心除开口处外无缝隙，在 铁心开口处端部加工成楔型或者尖角型或者平面。
6. 根据权利要求1、6所述一种电工钢片二维磁特性单片测量系统，其特征在于 被测电工钢片(15)为正方形，且其轧制方向a与励磁方向成不同的剪裁角e。裁剪， 0°《e。《9(T ;被测电工钢片(15)中心区域对称打孔，缠绕B线圈传感器(21)、 (22)。
7. 根据权利要求1所述一种电工钢片二维磁特性单片测量系统，其特征在于所述电 工钢片二维磁特性单片测量器中的上磁轭(1)、下磁轭(2)均采用单轭结构
8. —种电工钢片二维磁特性单片测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1) 在被测电工钢片(15)的两个正交方向上加载指定的励磁电压，电压波形根据具体 电气设备的电源确定；(2) 通过B线圈传感器(21)、 (22)和H线圈传感器(16)测量电工钢片中的磁通密度 和磁场强度；(3) 改变电压波形的幅值，重复步骤(1)、 (2)，得到一组磁通密度幅值从小到大变化的磁化曲线；(4) 通过改变电工钢片的测量角度，改变被测磁场的方向，重复步骤(1)、 (2)、 (3)，得 到一组不同磁场方向、幅值从小到大变化的磁化曲线；(5) 根据需要输入两相或单相任意波形的电压，通过改变励磁电压的波形，得到不同电 压源激励下电工钢片的磁特性，重复步骤(1)、 (2)、 (3)、 (4)，得到一组不同电源励磁、不同 磁场方向、幅值从小到大变化的磁化曲线。
9. 根据权利要求9所述一种电工钢片二维磁特性单片测量方法，其特征在于在信号 采集过程中，B线圈传感器(21)、 (22)和H线圈传感器(16)上的信号要同步采集，如果采 用异步采集方式，时间延迟应小于10ns。
10. 根据权利要求9所述一种电工钢片二维磁特性单片测量方法，其特征在于在测试 过程中，励磁电压先从小信号开始加载，逐渐升高，直到被测样片达到饱和。
全文摘要
本发明提供一种电工钢片二维磁特性单片测量系统及其测量方法；属于电工钢片磁特性测量设备，涉及电工钢片二维磁特性的测量方法和测量装置。本发明包括控制计算机、数据采集卡，低通滤波器、功率放大器，隔离变压器，隔离放大器和电工钢片二维磁特性单片测量器，本发明以励磁电压为标准，根据需要可输入两相或单相任意波形的电压，测量正弦电压激励和非正弦电压激励下，电工钢片的二维磁特性，符合工程实际需要。磁轭材料采用两个C型切口铁心，分别为单轭结构，并采用相互独立的磁路，减少励磁功耗，节约成本，且便于加工和波形控制。实验被测样片采用不同角度裁剪方式，配合实验装置的固定结构，方便测量。
文档编号G01R33/12GK101762797SQ201010010119
公开日2010年6月30日 申请日期2010年1月14日 优先权日2010年1月14日
发明者曾林锁, 王晓燕, 谢德馨, 车新生 申请人:沈阳工业大学