CN107271932B - 一种改良b-h测量线圈及基于此线圈的立方体样件二维磁特性测量方法 - Google Patents

一种改良b-h测量线圈及基于此线圈的立方体样件二维磁特性测量方法 Download PDF

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Abstract

一种改良的B‑H测量线圈，其中磁场强度测量线圈由4层印制电路板PCB制成，针对每层板进行布线，使中间两层通过过孔连接形成内层H测量线圈，外侧两层通过同样方法形成外层H测量线圈，内外测量线圈通过过孔串联形成整体H测量线圈。同时，磁通密度测量线圈由4层印制电路板PCB制成，每层为螺旋形布线形成闭合导体，且每层板内布线相同，通过过孔串联连接，形成整体B测量线圈。在使用改良的B‑H测量线圈行二维磁特性测量前，需得到B‑H测量线圈与对应线圈端电压的准确关系，即进行测量线圈标定，其标定方法各有五大步骤。该测量线圈结构可靠性、精确度高，测量更加方便。

Description

一种改良B-H测量线圈及基于此线圈的立方体样件二维磁特 性测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量线圈，具体指一种用于测量磁通密度B及磁场强度H的测量线圈，基于上述线圈的立方体样件的二维磁特性测量结构，以及二维磁特性测量方法。
背景技术
在大多的二维磁特性测量实验中，向量B(磁通密度)和H(磁场强度)是由B测量线圈和H测量线圈测得，其中，B测量线圈是绕在样品中的两个小孔里，H测量线圈紧贴样本。B测量线圈和H测量线圈都遵循电磁感应定律。然而，在考虑叠压方向应力时，传统的微孔方法和新型的探针方法都无法应用，由于较大的叠压方向机械应力将毁坏B测量线圈和B探针。同理，传统的H测量线圈以及提出的其他各种线圈也都无法应用到考虑叠压应力的二维磁特性测量中。
已有的H测量线圈绕在B测量线圈的电路板上。但是手动绕的H测量线圈是不理想的，因为有很大的闭环面积的垂直于磁场强度垂直分量存在。
已有的硅钢片二维磁特性测量***，其磁通密度矢量B的测量线圈都是缠绕在硅钢片样品上，磁场强度矢量H的测量线圈则正交地缠绕在H线圈传感器上，再将H线圈传感器固定在待测样品表面，且H线圈传感器面积与硅钢片样品面积相等。然而由于退磁作用，仅在样品表面中心处磁场强度矢量H才相对均匀且与样品内部的磁场强度大致相等。而B线圈缠绕在样品表面所造成的间隙又对H线圈传感器的装配和卸载带来阻碍。
发明内容
为了克服上述已有技术的缺点，本发明提出一种改良的B-H测量线圈以及基于此线圈的测量方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
1)、一种磁场强度H测量线圈，该H测量线圈由四层印制电路板PCB制成，中间两层和外侧两层PCB上刻蚀出的线圈窗口正对印制电路板PCB的侧面，安装在顶层和底层的导线构成一定匝数的测量线圈，并在中间两层的导体组成同等数量匝数的测量线圈；针对每层电路板进行布线，使中间两层通过过孔连接形成闭合回路，构成内层H测量线圈，且每匝闭合线圈的起始端导体与竖直导线呈一定夹角的布线方式串联连接至相邻闭合线圈。外侧两层通过同样方法形成等数量匝数的外层H测量线圈，内、外层H测量线圈通过过孔串联形成整体磁场强度H测量线圈；上述每一层内的传感线圈导体投影重合，进而消除磁场强度法向分量导致的测量误差。
2)、一种磁通密度B测量线圈，该B测量线圈由四层印制电路板PCB制成，每层进行螺旋线布线形成数匝闭合的串联线圈。同时，对4层电路板板进行相同布线，使印制电路板每层上刻蚀出的闭合线圈闭合表面正对印制电路板PCB的正面。通过过孔将每层的闭合B测量线圈的起始端与上一层闭合B测量线圈的末端连接，通过此方式依次串联连接四层的B测量线圈，形成整体磁通密度B测量线圈，其顶层的闭合B测量线圈的起始端及底层的闭合B测量线圈末端通过过孔与外接电路相连接。
3)、一种基于B-H测量线圈及待测立方硅钢样件的测量结构，它是由待测量的立方体硅钢样件、权利要求书1所述的磁场强度H测量线圈和权利要求书2所述的磁通密度B测量线圈组成；4个H测量线圈紧紧贴附在立方样品的前后左右四个侧面上，前、后侧面的H测量线圈串联连接，用以测量待测立方硅钢样件内沿X方向的磁场强度。左、右侧面的H测量线圈串联连接，用以测量待测立方硅钢样件内沿Y方向的磁场强度。4个B测量线圈贴附在H测量线圈外表面，与H测量线圈相同，处于对立面的B测量线圈串联连接，分别对待测立方硅钢样件内的磁通密度沿X和Y方向的分量进行测量。
4)、由于立方样件磁特性测量***检测磁通密度或磁场强度测量线圈两端的感应电压，而欲得到样件内部磁通密度及磁场强度值，须得到测量线圈端电压及对应磁通密度或磁场强度的关系，即需要对测量线圈进行标定。改良的H测量线圈的标定方法，其标定步骤如下：
步骤一：将磁场强度H测量线圈固定在H测量线圈固定手柄上，并将固定手柄与螺线管骨架装配；
步骤二：接通单相调压器一次侧的电源，通过旋转调压器旋钮调节二次侧输出电压大小，从而改变校准螺线管绕组中通过电流的大小，用电流钳及示波器显示并记录各组实验的电流波形；
步骤三：螺线管中的测量线圈两端连接放大器输入端，放大器输出通过数据采集卡传输到计算机，在计算机上使用LABVIEW软件显示线圈感应电压的波形；
步骤四：重复执行步骤一至步骤三，并记录50组感应电压及对应通过螺线管内电流波形，利用此数据计算测量时间范围内感应电压及对应通过螺线管内电流的有效值；
步骤五：由电流的有效值计算得到对应的螺线管内磁场强度的有效值。利用多组磁场强度H及其对应感应电压的有效值EH，进行线性回归拟合EH-H直线，从而得到的磁场强度测量线圈的对应关系H＝f(EH)，即完成磁场强度H测量线圈的标定。
5)、磁通密度B测量线圈的标定方法类似，包括以下步骤：
步骤一：将磁通密度测量线圈固定在B测量线圈固定手柄上，并将固定手柄与螺线管骨架装配；
步骤二：接通单相调压器一次侧的电源，通过旋转调压器旋钮调节二次侧输出电压大小，从而改变校准螺线管绕组中通过电流的大小，用电流钳及示波器显示并记录各组实验的电流波形；
步骤三：螺线管中的测量线圈两端连接放大器输入端，放大器输出通过数据采集卡传输到计算机，在计算机上使用LABVIEW软件显示线圈感应电压的波形；
步骤四：重复执行步骤一至步骤三，并记录50组感应电压及对应通过螺线管内电流波形，利用此数据计算测量时间范围内感应电压及对应通过螺线管内电流的有效值；
步骤五：由电流的有效值计算得到对应的螺线管内磁通密度的有效值。利用多组磁通密度B及其对应感应电压的有效值EB，进行线性回归拟合EB-B直线，从而得到的磁通密度测量线圈的对应关系B＝f(EB)，即完成磁通密度B测量线圈的标定。
本发明相较于现有技术的优点在于：
(1)本发明基于4层印制电路板PCB制成，中间两层和外侧两层上刻蚀出的线圈窗口正对PCB的侧面，由于每个线圈的导线投影完全重合，其面积相当于闭环垂直的磁场强度分量被抵消。因此，改良的H测量线圈只检测样件和气隙之间的边界磁场强度的切向分量。
(2)本发明的改良B-H测量线圈均基于印制电路板PCB制成，其中，H测量线圈紧紧贴附在立方样件的前后左右四个侧面，且位于立方样品侧面的中心位置。由于其PCB工艺的优势，B-H测量线圈均能够做到很薄，其厚度均小于1mm，使测量结果更接近立方样件样品内部情况，测量更精确。
(3)本发明基于印制电路板PCB制作B-H测量线圈，能有效保证线圈导体和外部立方样件及其他电路部分绝缘，且不易被挤压变形甚至毁坏，测量线圈结构可靠性高。
(4)本发明在用于测量磁通密度B和磁场强度H时，可直接用穿过B测量线圈和H测量线圈的磁场代表样件中的磁通密度和磁场强度，且测量精度经分析验证，测量更加方便。
(5)对B-H测量线圈进行了标定，因此在实际测量中，B测量线圈和H测量线圈的测量功能都实现较好，能够有效测量立方样件内的磁通密度和磁场强度。
附图说明
图1为改良的H测量线圈的三维立体视图；
图2为改良的H测量线圈的正视图；
图3为改良的H测量线圈的左视图；
图4为改良的H测量线圈的俯视图；
图5为B测量线圈示意图；
图6为立方体与B-H测量线圈装配示意图；
图7为立方体与B-H测量线圈标定装置。
附图标记说明：
1、绝缘层 2、过孔 3、导体 4、外接线焊盘 5、顶层导体 6、第1中间层导体 7、第2中间层导体 8、底层导体 9、绝缘层 10、B测量线圈导体 11、过孔 12、待测硅钢立方样品13、磁场强度H测量线圈 14、磁通密度B测量线圈 15、支撑脚 16、励磁线圈螺线管骨架 17、磁通密度B测量线圈固定手柄 18、磁场强度H测量线圈固定手柄。
具体实施方式
参见图1-图7，图1-图4为本发明提出的基于PCB印制板的改良的磁场强度H测量线圈，图1为该H测量线圈结构的三维视图，图2为正视图，图3为左视图，图4为俯视图。PCB的绝缘层1用以实现PCB内导体与待测立方样品接触面绝缘，以及保护内部导体的作用。顶层导体5通过过孔2与底层导体8串联连接，形成闭合回路，构成外层H线圈结构。第1中间层导体6同样通过过孔2与第2中间层导体7串联连接，形成闭合回路，构成内层H线圈结构。外层H线圈与内层H线圈每匝均通过图2所示的走线方式串联连接，分别为25匝，且串联连接，构成H测量线圈。当有磁场通过H测量线圈时，线圈两端产生感应电压，由图2中的外接线焊盘4与其他H测量线圈及外部检测***相连接。图5为磁通密度B测量线圈，在4层PCB板中，每层进行相同螺旋形布线10，在层与层之间通过内部过孔串联连接，当有磁场通过B测量线圈时，线圈两端产生感应电压，由图5中的外接线焊盘11与其他B测量线圈及外部检测***相连接。
基于PCB印制板的B-H测量线圈通过图6的方式装配在待测硅钢立方体样品四周面，其中，H测量线圈紧贴立方样品表面，B测量线圈置于H测量线圈外层，B、H测量线圈相互绝缘。与此同时，处于对立面的H测量线圈(以及B测量线圈)串联连接，并通过外接线焊盘连至外检测电路。
为了准确应用B-H测量线圈，需使用图7所示标定装置对B-H测量线圈分别进行标定，建立H(B)测量线圈输出电压以及磁场强度(磁通密度)的对应关系。在标定过程中，将H(B)测量线圈固定于H测量线圈固定手柄18(B测量线圈固定手柄17)上，通过手柄使H(B)测量线圈固定于励磁线圈螺线管中心轴线的中心位置，励磁线圈绕制在16螺线管骨架表面。接通单相调压器一次侧的电源，通过旋转调压器旋钮调节二次侧输出电压大小，从而改变校准螺线管绕组中通过电流的大小，用电流钳及示波器显示并记录各组实验的电流波形；螺线管中的H(B)测量线圈两端连接放大器输入端，放大器输出通过数据采集卡传输到计算机，在计算机上使用LABVIEW软件显示线圈感应电压的波形。重复执行上述步骤，并记录50组H(B)测量线圈感应电压及对应通过螺线管内电流波形，利用此数据计算测量时间范围内感应电压及对应通过螺线管内电流的有效值；由电流的有效值计算得到对应的螺线管内磁场强度(磁通密度)的有效值。
利用多组磁场强度H(磁通密度B)及其对应感应电压的有效值EH(EB)，进行线性回归拟合EH-H(EB-B)直线，从而得到的磁场强度测量线圈(磁通密度测量线圈)的对应关系H＝f(EH)(H＝f(EB))，即完成磁场强度(磁通密度)测量线圈的标定。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明的上述实施例是对方案的说明而不能用于限制本发明，与本发明有保护范围相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在本发明保护的范围内。

Claims (3)

1.一种磁场强度H测量线圈，其特征在于：该H测量线圈由四层印制电路板PCB制成，中间两层和外侧两层PCB上刻蚀出的线圈窗口正对印制电路板PCB的侧面，安装在顶层和底层的导线构成一定匝数的测量线圈，并在中间两层的导线组成同等数量匝数的测量线圈；针对每层电路板进行布线，使中间两层通过过孔连接形成闭合回路，构成内层H测量线圈，且每匝闭合线圈的起始端导线与竖直导线呈一定夹角的布线方式串联连接至相邻闭合线圈；外侧两层通过同样方法形成等数量匝数的外层H测量线圈，内、外层H测量线圈通过过孔串联形成整体磁场强度H测量线圈；上述每一层内的传感线圈导线投影重合，进而消除磁场强度法向分量导致的测量误差。
2.一种基于B-H测量线圈及待测立方硅钢样件的测量结构，其特征在于：
它是由待测量的立方体硅钢样件、权利要求1所述的磁场强度H测量线圈和磁通密度B测量线圈组成；
其中，磁通密度B测量线圈由四层印制电路板PCB制成，每层进行螺旋形布线形成数匝闭合的串联线圈；同时，对四层电路板板进行相同布线，使印制电路板每层上刻蚀出的闭合线圈闭合表面正对印制电路板PCB的正面；通过过孔将每层的闭合B测量线圈的起始端与上一层闭合B测量线圈的末端连接，通过此方式依次串联连接四层的B测量线圈，形成整体磁通密度B测量线圈，其顶层的闭合B测量线圈的起始端及底层的闭合B测量线圈末端通过过孔与外接电路相连接；
4个H测量线圈紧紧贴附在立方样品的前后左右四个侧面上，前、后侧面的H测量线圈串联连接，用以测量待测立方硅钢样件内沿X方向的磁场强度；左、右侧面的H测量线圈串联连接，用以测量待测立方硅钢样件内沿Y方向的磁场强度；4个B测量线圈贴附在H测量线圈外表面，与H测量线圈相同，处于对立面的B测量线圈串联连接，分别对待测立方硅钢样件内的磁通密度沿X和Y方向的分量进行测量。
3.一种基于权利要求1所述的磁场强度H测量线圈的标定方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：将磁场强度H测量线圈固定在H测量线圈固定手柄上，并将固定手柄与螺线管骨架装配；
步骤二：接通单相调压器一次侧的电源，通过旋转调压器旋钮调节二次侧输出电压大小，从而改变校准螺线管绕组中通过电流的大小，用电流钳及示波器显示并记录各组实验的电流波形；
步骤三：螺线管中的测量线圈两端连接放大器输入端，放大器输出通过数据采集卡传输到计算机，在计算机上使用LABVIEW软件显示线圈感应电压的波形；
步骤四：重复执行步骤一至步骤三，并记录50组感应电压及对应通过螺线管内电流波形，利用此数据计算测量时间范围内感应电压及对应通过螺线管内电流的有效值；
步骤五：由电流的有效值计算得到对应的螺线管内磁场强度的有效值；利用多组磁场强度H及其对应感应电压的有效值EH，进行线性回归拟合EH-H直线，从而得到的磁场强度测量线圈的对应关系H＝f(EH)，即完成磁场强度H测量线圈的标定。
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