一种电工钢片磁致伸缩测量系统及方法

摘要

本发明涉及一种电工钢片磁致伸缩测量系统及方法，计算机控制任意波形发生器产生波形，根据多通道数据采集器上传的数据控制任意波形发生器改变波形，利用迭代算法获得磁极化强度感应电压的期望波形，进而计算被测样品磁致伸缩回线；功率放大器对接收的信号进行放大处理，励磁装置固定被测样品使被测样品工作在闭磁路条件下，并在磁化方向上施加应力；激光测振仪用于测量振动速度；多通道数据采集器用于采集电压、电流和振动速度；本发明实现了闭磁路和应力条件下对电工钢片磁致伸缩回线的测量，符合电工钢片的一般使用环境；利用迭代法使得磁极化强度感应电压波形为正弦波，取代了传统的模拟反馈回路，具有不易震荡和频率范围宽等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及磁性材料磁性能测量领域，尤其涉及一种电工钢片磁致伸缩 测量系统及方法。

背景技术

电工钢片是性能优良的软磁合金，包含硅钢片、坡莫合金、非晶和纳米 晶等材料，是各种电机和变压器中不可缺少的重要磁性材料。电工钢片的磁 致伸缩是指在交变磁场作用下，其体积随交变磁场变化而变化的现象。它不 仅带来环境噪声污染，还会造成铁心发热，甚至产生谐振，造成电力设备故 障。电工钢片的磁致伸缩系数已成为变压器、电机的重要性能指标，我国是 电工钢片第一生产大国，人们越来越多的关注电工钢片的磁致伸缩性能。因 此，采用有效可靠的系统及方法准确测量电工钢片的磁致伸缩回线显得尤为 重要。

目前，国际上已有电工钢片磁致伸缩测量仪商业化仪器，例如日本的理 研的MST-400C磁致伸缩测试仪，它采用螺线管励磁，被测样品在没有应力 下自由振动，利用激光位移计测量磁致伸缩。但螺线管励磁为开磁路工作方 式，而电工钢片构成的铁心大多工作在闭磁路条件下，螺线管励磁方式具有 一定的局限性。另外，电工钢片的生产和使用厂家更关心应力条件下磁致伸 缩性能，上述测量设备不具有此项功能。

另外一种国际上普遍采用IEC60404-3标准规定的SST单片测量法构成 闭合回路测量电工钢片磁性能。其励磁装置是单片磁导计，采用了两个垂直 磁轭和一个测量线框。虽然IEC60404-3标准规定的单片磁导计测量原理可 应用在电工钢片的磁致伸缩测量仪中，但其磁轭结构和测量线框结构都不适 合应力条件下磁致伸缩测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种电工钢片 磁致伸缩测量系统及方法，解决磁致伸缩测量问题，提高我国电工钢片量传 和质检能力，满足高性能电工钢等新材料技术领域、国家重大电力工程用大 型发电机和变压器的先进制造业急需的分析测量手段的需求。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种电工钢片磁致伸缩测量 系统，包括计算机、任意波形发生器、功率放大器、励磁装置、激光测振仪 和多通道数据采集器；

所述计算机，其用于控制任意波形发生器产生期望波形，还用于对多通 道数据采集器上传的数据进行分析，控制任意波形发生器改变波形，利用迭 代算法获得期望波形，进而计算被测样品磁致伸缩回线；

所述任意波形发生器，其用于在计算机控制下产生任意波形并发送给功 率放大器，还为多通道数据采集器提供同步采样信号；

所述功率放大器，其用于对任意波形发生器发送的波形进行放大处理， 进而发送给励磁装置；

所述励磁装置，其用于固定被测样品，使被测样品工作在闭磁路条件下， 为被测样品励磁，同时在磁化方向上施加应力；

所述激光测振仪，其用于测量励磁装置的磁致伸缩振动速度，并将测量 的振动速度传送至多通道数据采集器；

所述多通道数据采集器，其用于接收激光测振仪发送的振动速度，还用 于采集励磁装置的电压电流数据并进行处理，将处理后的数据发送给计算 机。

本发明的有益效果是：本发明中励磁装置固定被测样品，使被测样品工 作在闭磁路条件下，在磁化方向上施加应力，能够在磁极化强度感应电压正 弦条件下对被测样品励磁，测量磁致伸缩回线，励磁装置为被测样品的测量 提供合适的测量环境，符合电工钢片的一般使用环境；采用激光测振仪测量 磁致伸缩振动，将测得的振动速度经过多通道数据采集器采样和计算机数据 处理转化为被测样品的位移量，激光测振仪具有测量准确度高、重复性好和 量值溯源方便等特点；所述计算机对采集的数据进行数字谐波分析，控制任 意波形发生器改变波形，利用迭代法使得磁极化强度感应电压波形为正弦 波，取代了传统的模拟反馈回路，具有波形失真小、不易震荡和频率范围宽 等特点。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述励磁装置包括水平“回”形磁轭、测量线框、加压装置和 压力导向装置；所述水平“回”形磁轭中部横向固定测量线框，所述压力导 向装置为中空矩形结构，被测样品固定在压力导向装置内，所述压力导向装 置水平穿过测量线框，两端搭在水平“回”形磁轭上。

采用上述进一步方案的有益效果是：本发明所述水平“回”形磁轭为被 测样品提供闭合的磁路，与传统垂直磁轭相比，具有加工容易、不易开裂、 绝缘电阻高和端面平整等优点，非常适合电工钢片的磁致伸缩测量；所述压 力导向装置起压力导向作用，使得被测样品在压应力下在长度方向上自由振 动，在垂直方向上不产生变形。

进一步，所述水平“回”形磁轭采用硅钢叠片组成“回”字形状，其外 圈正方形边长为500mm，内圈正方形边长为300mm，叠片厚度为25mm。

进一步，所述测量线框包括所述测量线框包括骨架、初级绕组、次级绕 组、第一H线圈和第二H线圈；所述骨架为矩形中空板状结构，其内部形成 矩形空腔，在骨架上下两侧分别安装第一H线圈和第二H线圈，以骨架、第 一H线圈和第二H线圈为轴绕制次级绕组，进而在次级绕组的外侧绕制初级 绕组。

采用上述进一步方案的有益效果是：测量线框采用上下两个H线圈，将 H线圈电压和次级感应电压输入到多通道数据采集器中，通过多通道数据采 集器中的模拟减法器使得次级感应电压减去H线圈感应电压，从而得到磁极 化强度感应电压；上述测量线框具有制作工艺简单和调试方便等优点。

进一步，所述所述骨架内部空腔高度为5mm,宽度为106mm。

采用上述进一步方案的有益效果是：测量线框采用上述宽度，有利于与 被测样品配合；测量线框开口高度大，便于加压装置的安装。

进一步，所述压力导向装置包括上固定板和下固定板，被测样品放置在 下固定板上，上固定板与被测样品保持一定间隙，所述上固定板上设有反光 镜安装孔和夹具安装孔，所述反光镜安装孔用于安装激光测振仪使用的反光 镜，所述夹具安装孔安装夹具，用于夹紧被测样品的一端，被测样品的另一 端连接加压装置。

采用上述进一步方案的有益效果：上固定板和下固定板配合起到压力导 向作用，使得被测样品在压应力下在长度方向上自由振动，在垂直方向上不 产生变形。

进一步，所述下固定板为光滑平板，所述上固定板与被测样品间的间隙 为0.1mm，所述上固定板厚为3mm，下固定板厚为0.1至1mm。

采用上述进一步方案的有益效果：下固定板采用光滑平板，以减小被测 样品与下固定板的摩擦，上固定板防止样品加压后在垂直方向翘起，下固定 板防止被磁化的被测样品与磁轭吸住。

进一步，所述多通道数据采集器采集的电压电流数据包括初级励磁电 流、H线圈感应电压和次级感应电压，所述多通道数据采集器内部包含模拟 减法器，利用模拟减法器使得次级感应电压减去H线圈感应电压，从而得到 磁极化强度感应电压。

采用上述进一步方案的有益效果：通过多通道数据采集器内部的模拟减 法器使得次级感应电压减去H线圈感应电压，从而得到磁极化强度的感应信 号，实现空气磁通补偿。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种电工钢片磁致伸缩 测量方法，包括如下步骤：

步骤1，计算机控制任意波形发生器产生期望波形；

步骤2，期望波形经过功率放大器放大后，对励磁装置中的被测样品励 磁；

步骤3，激光测振仪测量励磁装置的磁致伸缩振动速度，并将测量的振 动速度传送至多通道数据采集器；

步骤4，多通道数据采集器接收激光测振仪发送的磁致伸缩振动速度， 同时采集励磁装置中的初级励磁电流、H线圈感应电压和次级感应电压，利 用其内部的模拟减法器使得次级感应电压减去H线圈感应电压，得到磁极化 强度感应电压，进而发送给计算机；

步骤5，计算机对磁极化强度感应电压进行数字谐波分析，控制任意波 形发生器改变波形，利用迭代法使得磁极化强度感应电压波形为期望波形；

步骤6，在磁极化强度感应电压波形为期望波形条件下，利用此时获得 的磁致伸缩振动速度、初级励磁电流和磁极化强度感应电压计算被测样品的 磁致伸缩回线。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，步骤6中计算被测样品的磁致伸缩回线的具体实现为：将一个 周期内磁致伸缩振动速度和磁极化强度感应电压数值积分，从而得到磁致伸 缩位移波形和磁极化强度波形；从波形中得到磁致伸缩随磁极化强度变化的 回线；计算一个周期内磁极化强度感应电压和初级励磁电流的乘积，从而计 算出被测样品损耗。

附图说明

图1为本发明所述一种电工钢片磁致伸缩测量系统框图；

图2a为本发明所述励磁装置结构示意图；

图2b为本发明所述水平“回”形磁轭和测量线圈的立体结构示意图；

图3a为本发明所述测量线框的主视剖视图；

图3b为沿图3a的AA’方向的剖视图；

图4a为本发明所述压力装置和压力导向装置的俯视图；

图4b为沿图4a的BB’方向的剖视图；

图5为本发明所述一种电工钢片磁致伸缩测量方法流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

101、计算机，102、任意波形发生器，103、功率放大器，104、励磁装 置，105、激光测振仪，106、多通道数据采集器，201、水平“回”形磁轭， 202、测量线框，203、加压装置，204、压力导向装置，205、反光镜，206、 夹具，301、骨架，302、初级绕组，303、次级绕组，304、第一H线圈，305 第二H线圈，401、上固定板，402、下固定板，403、反光镜安装孔，404、 夹具安装孔，405、被测样品。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本 发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种电工钢片磁致伸缩测量系统，包括计算机101、任意 波形发生器102、功率放大器103、励磁装置104、激光测振仪105和多通道 数据采集器106；所述计算机101，其用于控制任意波形发生器产生期望波 形，还用于对多通道数据采集器上传的数据进行分析，控制任意波形发生器 改变波形，利用迭代算法获得期望波形，进而计算被测样品磁致伸缩回线； 所述任意波形发生器102，其用于在计算机控制下产生任意波形并发送给功 率放大器，还为多通道数据采集器提供同步采样信号；所述功率方法器103， 其用于对任意波形发生器发送的波形进行放大处理，进而发送给励磁装置； 所述励磁装置104，其用于固定被测样品，使被测样品工作在闭磁路条件下， 为被测样品励磁，同时在磁化方向上施加应力；所述激光测振仪105，其用 于测量励磁装置的磁致伸缩振动速度，并将测量的振动速度传送至多通道数 据采集器；所述多通道数据采集器106，其用于接收激光测振仪发送的振动 速度，还用于采集励磁装置的初级励磁电流、H线圈感应电压和次级感应电 压，将采集的数据发送给计算机。

如图2a、2b所示，所述励磁装置包括水平“回”形磁轭201、测量线框 202、加压装置203和压力导向装置204；所述水平“回”形磁轭201中部横 向固定测量线框202，所述压力导向装置204为中空矩形结构，被测样品固 定在压力导向装置204内，所述压力导向装置204水平穿过测量线框202， 两端搭在水平“回”形磁轭201上，其一端连接加压装置203。本发明所述 水平“回”形磁轭201，与传统垂直磁轭相比，具有加工容易、不易开裂、 绝缘电阻高和端面平整等优点，非常适合电工钢片的磁致伸缩测量；所述压 力导向装置204，使得被测样品在压应力下在长度方向上自由振动，在垂直 方向上不产生变形。

传统的单片磁导计都采用垂直磁轭，本发明中水平磁轭与传统的垂直磁 轭相比具有加工容易、不易开裂、绝缘电阻高和端面平整等优点，非常适合 电工钢片的磁致伸缩测量。水平磁轭使用优质取向硅钢叠片组成“回”字形 状，外圈正方形边长为500mm，内圈正方形边长为300mm，叠片厚度为25mm。 水平磁轭为被测样品提供闭合的磁路。

其中，所述水平“回”形磁轭采用硅钢叠片组成“回”字形状，其外圈 正方形边长为500mm，内圈正方形边长为300mm，叠片厚度为25mm。

如图3a、3b所示，所述测量线框包括骨架301、初级绕组302、次级绕 组303、第一H线圈304和第二H线圈305；所述骨架为矩形中空板状结构， 其内部形成矩形空腔，在骨架301上下两侧分别安装第一H线圈304和第二 H线圈305，以骨架301、第一H线圈304和第二H线圈305为轴绕制次级绕 组304，进而在次级绕组的外侧绕制初级绕组302。所述测量线框202采用 上下两个H线圈，将采集的初级励磁电流、H线圈感应电压和次级感应电压 输入到多通道数据采集器106中，通过模拟减法器使得次级绕组电压减去H 线圈感应电压，从而得到磁极化强度的感应信号；上述测量线框具有抗干扰 性强、制作工艺简单和调试方便等优点。

所述骨架301内部空腔高度为5mm,宽度为106mm，宽度的改变是为了适 合样品，因为被测试样宽度为100mm；传统磁导计高度一般是越小越好，一 般小于2mm，便于空气磁通补偿，本发明的测量线框开口高度大，是为了便 于加压装置的使用。由于测量线框开口高度大，传统的空气磁通补偿办法不 再适用，本发明采用上下两个H线圈，输入到多通道数据采集器中，通过多 通道数据采集器内部的模拟减法器使得次级感应电压减去H线圈感应电压， 从而得到磁极化强度的感应信号，实现空气磁通补偿。该方法与传统单片磁 导计互感补偿法相比，具有制作工艺简单和调试方便等优点。

如图4a、4b所示，所述压力导向装置204包括上固定板401和下固定 板402，被测样品放置在下固定板402上，上固定板401与被测样品保持一 定间隙，所述上固定板401上设有反光镜安装孔403和夹具安装孔404，所 述反光镜安装孔403用于安装激光测振仪使用的反光镜，所述夹具安装孔 404安装夹具，用于夹紧被测样品的一端，被测样品的另一端连接加压装置。

对于本发明所述的加压装置，压力来源于经典的气动压力控制，本发明 在此不在赘述。电工钢片的厚度一般在小于0.5mm，而被测样品长为500mm， 宽为100mm，本发明在长度方向上施加0-10MPa的拉应力和压应力。拉应力 实现起来容易，但是压应力的实现是技术关键。本发明设计实现了压力导向 框204，其中压力导向装置的上固定板401厚为3mm，下固定板厚为0.1-1mm， 样品放置在下固定板402上，上固定板401与样品间距控制在0.1mm左右。 下固定板402须为光滑的平板，其整体放在两端磁轭、测量线框内框和夹具 所形成的水平平面上。上固定板上有两个开孔，一个是反光镜安装孔403， 用于安装激光测振仪使用的反光镜；另一个开孔为夹具安装孔404，用于安 装夹具，利用夹具夹紧电工钢片。采用压力导向装置的目的是使得被测样品 在压应力下在长度方向上自由振动，在垂直方向上不产生变形。

如图5所示，一种电工钢片磁致伸缩测量方法，包括如下步骤：

步骤1，计算机控制任意波形发生器产生期望波形；

步骤2，期望波形经过功率放大器放大后，对励磁装置中的被测样品励 磁；

步骤3，激光测振仪测量励磁装置的磁致伸缩振动速度，并将测量的振 动速度传送至多通道数据采集器；

步骤4，多通道数据采集器接收激光测振仪发送的磁致伸缩振动速度， 同时采集励磁装置中的初级励磁电流、H线圈感应电压和次级感应电压，利 用其内部的模拟减法器使得次级感应电压减去H线圈感应电压，得到磁极化 强度感应电压，进而发送给计算机；

步骤5，计算机对磁极化强度感应电压进行数字谐波分析，控制任意波 形发生器改变波形，利用迭代法使得磁极化强度感应电压波形为期望波形；

步骤6，在磁极化强度感应电压波形为期望波形条件下，利用此时获得 的磁致伸缩振动速度、初级励磁电流和磁极化强度感应电压计算被测样品的 磁致伸缩回线。

相同频率和相同磁极化强度峰值条件下，磁致伸缩回线不唯一，其形状 与磁化过程直接相关，为了强调可比性，必须要求磁通波形为正弦(即磁极 化强度感应电压波形系数在1.1107的±1％以内)，使得磁致伸缩回线唯一。 本发明中通过对磁极化强度感应信号进行数字谐波分析，然后改变任意波形 发生器波形，利用迭代法使得磁极化强度感应信号波形正弦，取代了传统的 模拟反馈回路，具有波形失真小、不易震荡和频率范围宽等特点。

步骤6中计算被测样品的磁致伸缩回线的具体实现为：将一个周期内磁 致伸缩振动速度和磁极化强度感应电压数值积分，从而得到磁致伸缩位移波 形和磁极化强度波形；从波形中得到磁致伸缩随磁极化强度变化的回线；计 算一个周期内磁极化强度感应电压和初级励磁电流的乘积，从而计算出被测 样品损耗。

本发明中被测样品工作在闭磁路条件下，并且能够在磁化方向上施加 0-10MPa的拉应力和压应力，测量频率为20Hz-400Hz，能够在磁通正弦条件 下对被测样品励磁，测量磁致伸缩回线。磁致伸缩振动采用激光测振仪测量， 激光测振仪测量所得的振动速度经过多通道数据采集器采样和计算机数据 处理转化为被测样品的位移量。激光测振仪具有测量准确度高、重复性好和 量值溯源方便等特点。当采用500*100mm被测硅钢片时，本发明测量频率为 20Hz-400Hz，位移测量分辨率达到3nm，磁致伸缩系数分辨率为1×10-8，复 现性优于5％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。