极弱磁环境下软磁材料磁特性测试装置与方法

1.本发明涉及磁性能测量技术领域，具体涉及极弱磁环境下软磁材料磁特性测试装置与方法。


背景技术：

2.极弱磁环境是开展生命科学、航天国防等关键技术研究的必要条件。目前，极弱磁环境可由具有屏蔽磁场作用的材料制成的装置得到。磁屏蔽装置的屏蔽性能越高，得到的内部磁场强度越低。决定磁屏蔽装置屏蔽性能的关键因素是屏蔽材料的磁性能。
3.为了得到更好的屏蔽效果，磁屏蔽装置一般由多层磁屏蔽材料组成，经过外层屏蔽后，内层屏蔽材料所需要屏蔽的磁场幅值逐步降低，有时达到nt量级。现阶段，已知德国vacuumschmelze(vac)公司给出mumetall材料磁化曲线的起始点为0.0457a/m，另一德国thyssekrupp vdm gmbh(vdm)厂家测得软磁材料7904的磁化曲线最低起始点为0.2a/m。国内外研究学者们通常使用自然环境下得到的初始磁导率代替更低磁场下的磁导率进行设计屏蔽装置和计算屏蔽系数。但这种计算和设计结果往往与实际值相差较大，影响了屏蔽装置性能的准确分析，因此，需要设计一套能够在极弱磁环境下测试屏蔽材料磁特性的装置和方法。


技术实现要素：

4.本技术提供的极弱磁环境下软磁材料磁特性测试装置与方法，以至少解决相关技术中设计屏蔽装置和计算屏蔽系数中的计算和设计结果与实际值相差较大、屏蔽装置性能的准确分析受影响的问题。
5.本技术第一方面实施例提出极弱磁环境下软磁材料磁特性测试装置，所述装置包括：线圈组、磁屏蔽房、直流测试仪、测试底座；
6.所述线圈组缠绕在环形被测样件上，所述环形被测样件放置在测试底座上，所述测试底座放置在磁屏蔽房内；
7.所述磁屏蔽房包括内至外依次套设的多个坡莫合金静磁屏蔽层和设置坡莫合金静磁屏蔽层外部的铝合金电磁屏蔽层，用于为环形被测样件提供极弱磁环境；
8.所述直流测试仪包括励磁电源模块和磁通测试模块，所述直流测试仪与线圈组连接，用于测试磁屏蔽房内的环形被测样件在极弱磁环境下的磁特性数据。
9.本技术第二方面实施例提出极弱磁环境下软磁材料磁特性测试方法，所述方法包括：
10.步骤1：搭建磁屏蔽房并将测试底座安装在磁屏蔽房内；
11.步骤2：在环形被测样件上缠绕线圈组并将缠绕有线圈组的测试环形被测样件3放在所述测试底座上；
12.步骤3：将测试底座置于所述磁屏蔽房的测试点位置后将线圈组引出线与直流测试仪连接；
13.步骤4：启动直流测试仪对环形被测样件进行数据采集；
14.步骤5：根据直流测试仪采集的数据画出磁性材料的磁化曲线图和磁滞回线图，并得到磁特性参数。
15.本技术的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
16.本发明提供了极弱磁环境下软磁材料磁特性测试装置与方法，所述装置包括线圈组、磁屏蔽房、直流测试仪、测试底座；所述线圈组缠绕在环形被测样件上，所述环形被测样件放置在测试底座上，所述测试底座放置在磁屏蔽房内；所述磁屏蔽房包括内至外依次套设的多个坡莫合金静磁屏蔽层和设置坡莫合金静磁屏蔽层外部的铝合金电磁屏蔽层，用于为环形被测样件提供极弱磁环境；所述直流测试仪包括励磁电源模块和磁通测试模块，所述直流测试仪与线圈组连接，用于测试磁屏蔽房内的环形被测样件在弱磁环境下的磁特性数据。本技术实现了准确分析磁屏蔽抓装置的性能，提高理论计算和仿真设计的精度。
17.本技术附加的方面以及优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
18.本技术上述的和/或附加的方面以及优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
19.图1是根据本技术一个实施例提供的极弱磁环境下软磁材料磁特性测试装置的结构示意图；
20.图2是根据本技术一个实施例提供的极弱磁环境下软磁材料磁特性测试装置中磁屏蔽房和测试底座的结构示意图；
21.图3是根据本技术一个实施例提供的极弱磁环境下软磁材料磁特性测试装置中缠绕有线圈组的环形被测样件的示意图；
22.图4是根据本技术一个实施例提供的极弱磁环境下软磁材料磁特性测试方法的流程图。
23.附图标记说明：
24.直流测试仪-1；磁屏蔽房-2；坡莫合金静磁屏蔽层-201；坡莫合金屏蔽盖-2011；铝合金电磁屏蔽层-202；铝合金屏蔽盖-2021；层间支撑件-203；屏蔽房底座-204；环形被测样件-3；初级线圈绕组-301；次级线圈绕组-302；测试底座-4；专用平台-401；通用平台-402；初级线圈绕组引出线-501；次级线圈绕组引出线-502；第一开孔-6。
具体实施方式
25.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
26.本技术提出极弱磁环境下软磁材料磁特性测试装置与方法，所述装置包括：线圈组、磁屏蔽房2、直流测试仪1、测试底座4；所述线圈组缠绕在环形被测样件3上，所述环形被测样件3放置在测试底座4上，所述测试底座4放置在磁屏蔽房2内；所述磁屏蔽房2包括内至外依次套设的多个坡莫合金静磁屏蔽层201和设置坡莫合金静磁屏蔽层201外部的铝合金
电磁屏蔽层202，用于为环形被测样件3提供极弱磁环境；所述直流测试仪1包括励磁电源模块和磁通测试模块，所述直流测试仪1与线圈组连接，用于测试磁屏蔽房2内的环形被测样件3在极弱磁环境下的磁特性数据。本发明的技术方案解决相关技术中设计屏蔽装置和计算屏蔽系数中的计算和设计结果与实际值相差较大、屏蔽装置性能的准确分析受影响的问题；实现了准确分析磁屏蔽装置的性能，提高理论计算和仿真设计的精度。
27.实施例1
28.图1为本公开实施例提供的极弱磁环境下软磁材料磁特性测试装置，所述装置包括：线圈组、磁屏蔽房2、直流测试仪1、测试底座4；
29.所述线圈组缠绕在环形被测样件3上，所述环形被测样件3放置在测试底座4上，所述测试底座4放置在磁屏蔽房2内；
30.所述磁屏蔽房2包括内至外依次套设的多个坡莫合金静磁屏蔽层201和设置坡莫合金静磁屏蔽层201外部的铝合金电磁屏蔽层202，用于为环形被测样件3提供极弱磁环境。
31.图3为根据本技术一个实施例提供的极弱磁环境下软磁材料磁特性测试装置中缠绕有线圈组的环形被测样件的示意图，如图3所示，所述线圈组包括初级线圈绕组301和次级线圈绕组302，初级线圈绕组301和次级线圈绕组302的匝数根据实际使用情况而定，不进行限制，每个线圈绕组两端均对应预留两个用于与直流测试仪1连接的引出线。
32.具体的，初级线圈绕组301两端预留的引出线为初级线圈绕组引出线501，次级线圈绕组302两端预留的引出线为次级线圈绕组引出线502，本实施例中预留的初级线圈绕组引出线501和次级线圈绕组引出线502均为1米，在本发明的其他实施例当中不对引出线的具体长度进行限制。
33.所述直流测试仪1包括励磁电源模块和磁通测试模块，所述直流测试仪1与线圈组连接，用于测试磁屏蔽房2内的环形被测样件3在极弱磁环境下的磁特性数据。
34.具体的，所述励磁电源模块的输出端与初级线圈绕组301两端的初级线圈绕组引出线501连接，用于为环形被测样件3上的初级线圈绕组301提供0.1ma-20a的励磁电流，用于产生足够的激励磁场，从而使环形被测样件3产生磁场变化。
35.所述磁通测试模块的输出端与次级线圈两端的次级线圈绕组引出线502连接，用于为根据环形被测样件内部磁通量的变化得到感应电动势，从而得到随励磁磁场强度变化的磁感应强度。
36.其中，所述磁通测试模块的测量灵敏度可达到0.1μwb量级。
37.所述磁通测试模块为现有技术，在此不做过多赘述。
38.进一步的，所述初级线圈绕组301和次级线圈绕组302尽可能均匀紧密地绕在环形被测样件3的整个周长上，以减小绕组下空气间隙的影响。
39.需要注意的是，线圈组采用漆包线，绕线和测试过程中注意检查漆包线的绝缘层，防止涂层脱落导致被测样件与线圈组直接连通，造成短路。
40.所述磁屏蔽房2，用于为放置在磁屏蔽房2内的环形被测样件3提供极弱磁环境，所述磁屏蔽房2包括内至外依次套设的多个坡莫合金静磁屏蔽层201、设置坡莫合金静磁屏蔽层外部的铝合金电磁屏蔽层202和设置在屏蔽层之间的层间支撑件组。
41.需要注意的是，图2示出的仅是一个五层屏蔽结构的磁屏蔽房2的结构示意图，即图1所示的磁屏蔽房2包括一个铝合金电磁屏蔽层202和四个坡莫合金静磁屏蔽层201，并非
为对本发明的限制。
42.所述铝合金电磁屏蔽层202为磁屏蔽房2的最外层，每个坡莫合金静磁屏蔽层201一侧均设置有对应的坡莫合金屏蔽盖2011，坡莫合金屏蔽层201与坡莫合金屏蔽盖2011一一对应且坡莫合金屏蔽层201与对应的坡莫合金屏蔽盖2011之间有严格的公差要求，以确保坡莫合金屏蔽盖2011正常的安装和拆卸。
43.铝合金电磁屏蔽层202一侧设置有对应的铝合金屏蔽盖2021，铝合金屏蔽盖2021安装在铝合金电磁屏蔽层202上，两者的安装配合用于通过涡流消除作用对交变电磁场进行屏蔽，频率越大，屏蔽材料越厚，电导率磁导率越大，涡流消除效果越好。
44.所述坡莫合金屏蔽盖2011和铝合金屏蔽盖2021上均设置第一开孔6且坡莫合金屏蔽盖2011和铝合金屏蔽盖2021上的第一开孔6相对应，所述第一开孔6用于缠绕在环形被测样件3上的初级线圈绕组引出线501和次级线圈绕组引出线502通过，初级线圈绕组引出线501和次级线圈绕组引出线502通过穿过第一开孔，从而将磁屏蔽房2内部的环形被测样件3和磁屏蔽房2外部的直流测试仪1进行连接。本实施例中所述第一开孔6位于坡莫合金屏蔽盖2011和铝合金屏蔽盖2021的中心位置，在本发明其他实施例当中不对第一开孔6在坡莫合金屏蔽盖2011和铝合金屏蔽盖2021上的位置进行限制。
45.所述层间支撑件组包括多个层间支撑件203，层间支撑件203与坡莫合金静磁屏蔽层201一一对应且层间支撑件203安装在对应的坡莫合金静磁屏蔽层201底部，用于对对应的坡莫合金屏蔽层101进行支撑以及带动对应的坡莫合金屏蔽层101进行移动，对磁屏蔽房2的坡莫合金屏蔽层101层数进行调整，以获得不同幅值磁场的测试环境。即当需要对磁屏蔽房2的坡莫合金屏蔽层101进行调整时，打开铝合金屏蔽盖2021和坡莫合金屏蔽盖2011，只需要将一个或多个层间支撑件203从磁屏蔽房2内拿出来或者安装进磁屏蔽房2内就可以将与层间支撑件203对应的坡莫合金静磁屏蔽层201从磁屏蔽房2内拿出来或者安装进去，即通过层间支撑件203对磁屏蔽房2的坡莫合金屏蔽层101层数进行调整，对坡莫合金屏蔽层101进行拆装、更换，根据测试要求改变磁屏蔽房2屏蔽层数，屏蔽房2拆装方便快捷、重构性强，从而可以使其内部得到不同幅值磁场的测试环境。
46.本实施例中所述磁屏蔽房2可提供的测试磁感应强度范围可从1纳特到50微特，为磁屏蔽装置不同屏蔽层提供磁特性数据，提高设计、分析精度和准确度。所述磁屏蔽房的屏蔽层数最多为5，内部中心磁场强度可达0.0008a/m左右，磁感应强度可达1纳特左右，可以模拟极弱磁环境，为极弱磁装置的研究提供基础支持。
47.在本公开实施例当中，所述磁屏蔽房2底部设置有磁屏蔽房底座204，即铝合金电磁屏蔽层202安装在磁屏蔽房底座204上，所述磁屏蔽房底座204用于对磁屏蔽房2进行支撑和固定。
48.如图2所示，所述磁屏蔽房2内设置有用于放置环形被测样件3的测试底座4，所述测试底座4采用聚甲醛等无磁材料制成。
49.所述测试底座包括用于放置环形被测样件3的专用平台401以及通用平台402；
50.所述通用平台402设置在底部，通用平台402整体体积较大，不方便根据不同的形状测试点高低以及环形被测样件3的大小进行调整，将专用平台401放置在通用平台402顶部，在通用平台402的作用下使得专用平台401能够处在大致的检测点；所述环形被测样件3位于专用平台401上，专用平台401相较于通用平台402体积较小、其形状便于进行设置，专
用平台401根据形状测试点高低以及环形被测样件3的大小进行设置，使得测试底座4和环形被测样件3位于测试点位置，从而满足实验要求。
51.在本公开实施例中，所述环形被测样件3由不同待测软磁材料制成，待测软磁材料制成主要针对但不限于坡莫合金、纳米晶、铁氧体等；所述环形被测样件3的有效磁路长度和横截面积可制备成不同规格，以适应不同磁场强度环境下的测试要求。
52.综上所述，本技术提出的所述装置包括：线圈组、磁屏蔽房2、直流测试仪1、测试底座4；所述线圈组缠绕在环形被测样件3上，所述环形被测样件3放置在测试底座4上，所述测试底座4放置在磁屏蔽房2内；所述磁屏蔽房2包括内至外依次套设的多个坡莫合金静磁屏蔽层201和设置坡莫合金静磁屏蔽层201外部的铝合金电磁屏蔽层202，用于为环形被测样件3提供极弱磁环境；所述直流测试仪1包括励磁电源模块和磁通测试模块，所述直流测试仪1与线圈组连接，用于测试磁屏蔽房2内的环形被测样件3在极弱磁环境下的磁特性数据。本发明的技术方案解决了相关技术中设计屏蔽装置和计算屏蔽系数中的计算和设计结果与实际值相差较大、屏蔽装置性能的准确分析受影响的问题；实现了准确分析磁屏蔽装置的性能，提高理论计算和仿真设计的精度。
53.实施例2
54.图4为根据本技术一个实施例提供的极弱磁环境下软磁材料磁特性测试方法的流程图，所述，所述方法包括：
55.步骤1：搭建磁屏蔽房2并将测试底座4安装在磁屏蔽房2内。
56.进一步的，步骤1具体包括：
57.h1：根据实验要求，确定测试磁场的大小，初步确定磁屏蔽房2所需的屏蔽层数和材料，利用磁通传感器等测量磁屏蔽房2内部剩磁大小，与预先设定磁场进行对比，记录数据并确定测试点的位置；
58.其中，磁屏蔽房2内部剩磁与设定磁场进行对比，两者若有很大差距可调整屏蔽层的层数使之达到要求；
59.h2：根据h1中测试点要求和环形被测样件3的尺寸确定测试底座4中的专用平台401的设计方案，使得能够将环形被测样件3放在通用平台402和专用平台401组成的测试底座4上后环形被测样件3整体置于所述磁屏蔽房2的测试点位置；
60.其中，所述测试点位置即为磁屏蔽房2内磁场最弱的位置，通过磁强计测试环形被测样件3放置处的剩磁强度，使得环形被测样件3处于磁屏蔽房2内磁场最弱的位置。
61.h3：将坡莫合金屏蔽盖2011安装在对应的坡莫合金静磁屏蔽层201上、将铝合金屏蔽盖2021安装在对应的铝合金电磁屏蔽层202上，保证测试点处的磁场强度满足要求。
62.步骤2：在环形被测样件3上缠绕线圈组并将缠绕有线圈组的环形被测样件3放在所述测试底座4上。
63.步骤3：将测试底座置于所述磁屏蔽房的测试点位置后将线圈组引出线与直流测试仪连接。
64.进一步的，步骤3具体包括：将所述环形被测样件3的初级线圈绕组302的初级线圈绕组引出线501穿过磁屏蔽房2上的第一开孔6与所述励磁电源模块输出端相连接；将所述环形被测样件3的次级线圈绕组303的次级线圈绕组引出线502与所述磁通测试模块输出端相连接。步骤4：启动直流测试仪1对环形被测样件3进行数据采集。
65.需要注意的是，所述环形被测样件3测试前都进行消磁处理。
66.进一步的，步骤4具体包括：
67.s1：测试之前，所述励磁电源模块给环形被测样件3施加一个强交变磁场，并设定磁场振幅逐渐减弱直到零为止，实现对环形被测样件3的退磁操作；
68.s2：所述励磁电源模块给退磁后的形被测样件3上缠绕的初级线圈绕组301通入变化的励磁电流i1，产生变化的励磁磁场；
69.作为优选，所述s2中，由初级线圈绕组301励磁电流得到的磁场强度h计算式如下：
70.h＝n1
×
i1/le，
71.式中，n1是初级线圈绕组匝数；i1是初级线圈绕组中的电流；le是环形被测样件3有效磁路长度；
72.环形被测样件3有效磁路长度le计算公式如下：
73.le＝0.5
×
π
×
(a b)。
74.式中，a是环形被测样件3的外直径；b是环形被测样件3的内直径b。
75.s3：s2中励磁磁场的变化造成环形被测样件3内部磁通发生变化，次级线圈绕组303两端产生感应电动势，得到随励磁磁场强度变化的磁感应强度；
76.进一步的，次级线圈绕组303得到的磁感应强度b计算式如下：
77.b＝φ/n2*ae
78.式中，n2是次级线圈绕组303匝数；ae是环形被测样件3有效磁路横截面积；φ是磁通量。
79.所述有效磁路截面积ae计算式如下：
80.ae＝0.5
×
(a-b)
×
c。
81.式中，a是环形被测样件3的外直径；b是环形被测样件3的内直径；c是环形被测样件3的高度。
82.步骤5：根据直流测试仪1采集的数据画出磁性材料的磁化曲线图和磁滞回线图，并得到磁特性参数。
83.在本公开实施例当中，所述磁化曲线图包括磁导率曲线和基本磁化曲线；所述磁滞回线图包括基本磁化曲线和磁滞回线；所述磁特性参数包括初始磁导率μi、最大磁导率μm、饱和磁感应强度bs、剩余磁感应强度br、矫顽力hc。
84.进一步的，所述基本磁化曲线是磁感应强度b与磁场强度h之间的关系曲线，随着磁场强度h从零开始增大，磁感应强度b先缓慢增大，再快速增大，再缓慢增大，最后逐渐趋于一个常数，该常数为饱和磁感应强度bs。所述基本磁化曲线上某一点的斜率代表该磁场强度下的磁导率值，所述磁导率曲线就是由不同磁场强度的磁导率组成的，呈现先增大后减小的趋势，曲线的初始点得到初始磁导率μi，最高点得到最大磁导率μm。
85.所述磁滞回线图包括基本磁化曲线和磁滞回线。所述基本磁化曲线与所述磁化曲线图中的基本磁化曲线相同。在测试过程中，励磁电源模块提供周期性变化的励磁电流，使软磁材料不断重复磁化和退磁的过程。软磁材料的磁化过程由基本磁化曲线表示，其达到饱和之后进行退磁。由于软磁材料存在磁化损耗，所以当磁场强度h减小到零时，磁感应强度b不为零，此值表示剩余磁感应强度br，简称剩磁。若想让磁感应强度b减小到零，还需提供反向增大的磁场强度h，该磁场强度大小为矫顽力hc。继续反向增大磁场强度h，到反向饱
和点，在进行退磁过程。磁场强度h完成一个周期性变化后得到的曲线就是所述磁滞回线。
86.综上所述，本技术提出的极弱磁环境下软磁材料磁特性测试装置与方法，所述装置包括：线圈组、磁屏蔽房2、直流测试仪1、测试底座4；所述线圈组缠绕在环形被测样件3上，所述环形被测样件3放置在测试底座4上，所述测试底座4放置在磁屏蔽房2内；所述磁屏蔽房2包括内至外依次套设的多个坡莫合金静磁屏蔽层201和设置坡莫合金静磁屏蔽层201外部的铝合金电磁屏蔽层202，用于为环形被测样件3提供极弱磁环境；所述直流测试仪1包括励磁电源模块和磁通测试模块，所述直流测试仪1与线圈组连接，用于测试磁屏蔽房2内的环形被测样件3在极弱磁环境下的磁特性数据。本发明的技术方案解决相关技术中设计屏蔽装置和计算屏蔽系数中的计算和设计结果与实际值相差较大、屏蔽装置性能的准确分析受影响的问题；可以根据测试要求改变屏蔽房的屏蔽层数，拆装方便快捷，重构性强；可以提供1纳特左右的极弱磁测试环境，测量得到极弱磁环境下磁材料性能，为极弱磁装置的研究提供基础支持；可以提供1纳特到50微特测试磁感应强度，为磁屏蔽房不同屏蔽层提供磁特性数据，提高设计、分析精度和准确度。
87.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
88.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
89.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。