二维压电矢量磁特性测试用磁场传感器及装置

1.本发明涉及二维压电矢量磁特性测试技术领域，尤其涉及二维压电矢量磁特性测试用磁场传感器及装置。


背景技术：

2.电工装备磁材料在机电能量转换相关应用中起重要作用，机电能量转换装备的现有设计方法、材料模型不准确导致的材料利用率低、能耗高的问题。磁性材料的磁特性测量是准确建立模型的关键技术。
3.磁性材料的二维磁特性测量技术，是研究电工装备模拟服役条件下磁性材料研究的基础。研究材料的二维磁特性一方面可进一步建立材料模型，优化电工装备的设计方法，提升装备运行效率另外一方面，揭示材料设计与材料特性的本构关系，实现材料性能调控。
4.磁特性测量的目的为获得磁性材料的磁特性曲线。磁特性曲线包括磁滞回线，磁滞回线为将已磁化到一定磁感应强度b的试样逐渐减少外加激励磁场强度h，测出激励磁场强度从h到-h的b值变化曲线；然后再测出从-h到h的b值变化曲线，上述b值变化曲线组成封闭的b-h曲线，即磁滞回线。因此，为了进行磁特性测量，需要能够获得试样b和h。
5.目前针对片状样品不同磁化环境的测试已经有了很多方法，如应力加载，温度加载等。现有技术，探针法测试磁通密度b的精度受样品的厚度，激磁频率和电导率影响，不能准确测试叠片或较厚的样品；在样品上打孔的方法又会破坏样品。
6.此外，现有技术中忽略了样品被测过程的温升，导致材料磁特性测试准确度下降，不利于准确测试材料特性和建立材料模型，难以准确揭示材料特性和高效利用材料。
7.如图10所示，现有技术公开了一种利用洛伦兹力和压电效应感测磁场的方法和装置（ep1198719a1，20020424），包括第一层 （通电导体）连接第二层 （压电装置），第一层收到磁场作用后挤压或拉伸第二层，第二层根据压电效应引起的电压 u 通过压电方程计算获得通电导体的洛伦兹力 f，根据洛伦兹力计算公式获得磁感应强度值 b。虽然该技术方案可以通过压电装置测得磁感应强度值，但是其采用整体的片状或板状或层状的压电装置，当通电导体受力变形时，通电导体对压电装置的挤压将是不均匀的，因此会导致压电装置产生的电压与磁感应强度值的关系是非线性的，这会引起测量结果的偏差。而且对于磁特性测量领域来说，被测磁场较小，上述偏差对测试结果的影响会更大。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种磁场传感器及二维压电矢量磁特性测试装置。
9.本发明是通过以下技术方案予以实现：一种二维压电矢量磁特性测试用磁场传感器，包括基板和多个导电梁，导电梁的两端分别通过支架安装在基板上，导电梁与支架之间设有压电件，多个导电梁在同一磁场中受到的洛伦兹力对基板的作用力的合力为零。
10.根据上述技术方案，优选的，多个导电梁包括形状相同的第一导电梁和第二导电梁，第一导电梁和第二导电梁平行设置，第一导电梁的电流方向和第二导电梁的电流方向相反。
11.根据上述技术方案，优选的，多个导电梁还包括形状相同的第三导电梁和第四导电梁，第三导电梁和第四导电梁均位于第一直线上，第一直线与第一导电梁、第二导电梁平行且第一直线位于第一导电梁和第二导电梁的中间，第三导电梁的电流方向和第四导电梁的电流方向相反。
12.根据上述技术方案，优选的，多个导电梁还包括形状相同的第五导电梁和第六导电梁，第五导电梁与第一直线平行且第五导电梁位于第一直线和第一导电梁之间，第六导电梁与第一直线平行且第六导电梁位于第一直线和第二导电梁之间，第五导电梁的电流方向和第六导电梁的电流方向相反。
13.一种二维压电矢量磁特性测试装置，测试装置采用权利要求1-3任一项的磁场传感器，测试装置包括正方形片状的被测对象，被测对象的两个表面上分别安装五个磁场传感器，第一磁场传感器位于表面的中心，以磁场传感器内部的导电梁的长度方向为磁场传感器的方向，第一磁场传感器的方向与表面的任意一条边线平行，第二磁场传感器位于表面的第一边线的中点且第二磁场传感器的方向与第一边线平行，第三磁场传感器位于表面的第二边线的中点且第三磁场传感器的方向与第二边线平行，第四磁场传感器位于表面的第三边线的中点且第四磁场传感器的方向与第三边线平行，第五磁场传感器位于表面的第四边线的中点且第五磁场传感器的方向与第四边线平行。
14.根据上述技术方案，优选的，安装在两个表面的第一磁场传感器的方向相互垂直。
15.根据上述技术方案，优选的，两个表面分别设有第一盖板和第二盖板，第一盖板和第二盖板在磁场传感器的对应位置设有安装孔，磁场传感器的基板与安装孔卡接固定。
16.根据上述技术方案，优选的，第一盖板设有温度传感器。
17.根据上述技术方案，优选的，第二盖板连接散热器。
18.本发明的有益效果是：1.提供一种利用压电效应测量洛伦兹力装置，用于获得磁场信息。针对磁场强度较小的情况，放大获得的磁场信息。并且减小传感器内部的干扰，提高测量精度。
19.2.压电件与导电梁的端部连接，减少受力不均匀的情况，提高测试精度。
20.3.利用本发明的磁场传感器制成二维压电矢量磁特性测试装置，并且通过设计多个磁场传感器的排布方式，获得较高的测量精度。
21.4.利用温度传感器和散热器等结构，减少温度变化对测试结果的影响。
附图说明
22.图1示出了本发明的实施例一的磁场传感器的立体结构示意图；图2示出了本发明的实施例一的磁场传感器的爆炸结构示意图；图3示出了本发明的实施例一的磁场传感器的多个导电梁沿虚拟矩形分布的俯视结构示意图；图4示出了本发明的实施例一的磁场传感器的电流方向示意图；图5示出了本发明的实施例二的二维压电矢量磁特性测试装置的立体结构示意
图；图6示出了本发明的实施例二的二维压电矢量磁特性测试装置的第一视角的爆炸结构示意图；图7示出了本发明的实施例二的二维压电矢量磁特性测试装置的第二视角的爆炸结构示意图；图8示出了本发明的实施例二的二维压电矢量磁特性测试装置的第一测试平面的结构示意图；图9示出了本发明的实施例二的二维压电矢量磁特性测试装置的第二测试平面的结构示意图；图10示出了背景技术的一种利用洛伦兹力和压电效应感测磁场的方法和装置的示意图。
23.图中：1、基板；2、第一长导电梁；3、第二长导电梁；4、第一短导电梁；5、第二短导电梁；6、第三短导电梁；7、第四短导电梁；8、长边；9、第一短边；10、第二短边；11、第一中线；12、第二中线；13、第三中线；14、支架；15、压电件；16、第一磁场传感器；17、第二磁场传感器；18、第三磁场传感器；19、第四磁场传感器；20、第五磁场传感器；21、第一边线；22、第二边线；23、第三边线；24、第四边线；25、第一盖板；26、第二盖板；27、安装孔；28、温度传感器；29、连接板；30、散热齿。
具体实施方式
24.为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
25.实施例一：如图1-图4所示，本发明提供一种二维压电矢量磁特性测试用磁场传感器。
26.基板1用于安装多个导电梁及连接其他部件。基板1具有至少一个平面，该平面用于安装导电梁。在一个具体实施例中，基板1为正方形板或矩形板。
27.导电梁，为了便于电流通过而采用导电材料制成，为了便于产生形变而采用细长的梁型结构。导电梁上的电流方向均为导电梁的长度方向。当本装置工作时，在磁场作用下连通直流电的导电梁受到洛伦兹力，洛伦兹力使导电梁发生形变，从而对压电件15产生压力。在一个具体实施例中，导电梁为细长的矩形板，本形状使导电梁便于与其他结构连接固定。
28.进一步的，本装置采用多个导电梁，因为对于磁特性测试装置来说，激励磁场和测试对象产生的磁场强度很小，其对导电梁产生的洛伦兹力也很小，所以需要使用多个导电梁采集与磁场有关的信号，并经过叠加后才可获得便于观测的信息。
29.在一个具体实施例中，既要考虑到上述需要多个导电梁的情况，还要考虑到过多的导电梁会造成浪费。所以，如图2-图3所示，在本实施例中，提出一种优选的导电梁布置结构，包括两个形状相同的长导电梁和四个形状相同的短导电梁，两个长导电梁和四个短导电梁均相互平行且以一个虚拟矩形排列，两个长导电梁分别位于虚拟矩形的两个长边8，虚拟矩形设有与长边8平行的位于两个长导电梁之间的第一中线11，第一短导电梁4和第二短导电梁5位于第一中线11上，第一短导电梁4的一端位于虚拟矩形的第一短边9的中点，第二
短导电梁5的一端位于虚拟矩形的第二短边10的中点，虚拟矩形还设有与长边8平行的位于第一长导电梁2和第一短导电梁4之间的第二中线12和位于第二长导电梁3和第一短导电梁4之间的第三中线13，第三短导电梁6的中点与第二中线12的中点重合，第四短导电梁7的中点与第三中线13的中点重合。本实施例的多个导电梁布置方式，形成一个近似矩形的多个导电梁构成的磁场接收面，可以较好的获得磁场信息。其中，短导电梁的长度应小于长导电梁长度的一半。
30.进一步的，在本实施例的导电梁布置结构的基础上，可以限定每个导电梁的电流方向，可以使多个导电梁受到同一磁场的洛伦兹力对基板1的作用相互抵消。也就是说，导电梁受力形变后，会通过支架14对基板1造成一定的形变，多个导电梁对基板1造成的形变相互叠加，甚至引起基板1的振动，这样会影响压电件15的获得电压信号的准确率，即基板1形变也会对压电件15造成压力。尤其是，对于磁特性测试来说，测量的信号变化非常微小，即使是上述基板1变形的微小变化，也会对测试结果造成很大影响。因此，如图4所示，对上述实施例的每个导电梁的电流方向进行限制：两个长导电梁的电流方向相反，第一短导电梁4的电流方向和第二短导电梁5的电流方向相对，第三短导电梁6的电流方向与第一长导电梁2的电流方向相反，第四短导电梁7的电流方向与第二长导电梁3的电流方向相反。通过上述导电梁布置结构及电流方向的限制，可以使多个导电梁受到同一磁场的洛伦兹力对基板1的作用相互抵消。
31.导电梁的两端分别通过支架14安装在基板1上，导电梁的两端与支架14连接，导电梁的中部悬空，或者说导电梁的中部与基板1之间具有间隙，上述结构使导电梁受力后易于发生形变。在一个具体实施例中，支架14为凸块或从基板1表面凸出的钣金件，支架14与基板1固定连接，例如焊接或一体成型。每个导电梁均设有与其对应的一对支架14。
32.压电件15为采用压电材料制成的部件，在一个具体实施例中，压电件15为薄片或薄板，采用压电陶瓷材料制成。压电件15位于导电梁与支架14之间，当导电梁受力变形后，导电梁会对压电件15施加压力，压电件15受力产生变化的电压信号，将电压信号收集整理后即可用于推算磁场信息。相对于现有技术中采用整体的片状或板状或层状的压电装置，本实施例中的压电件仅与导电梁的端部连接，连接接触面较小，导电梁受力后挠曲变形对于压电件挤压不均匀的情况受到现在，压电件受到的整体挤压情况差别较小，因此，本技术方案的压电件设置方式，可以有效提高测试精度。
33.在一个具体实施例中，导电梁、压电件15与支架14之间可采用粘接连接的方式连接，这种连接方式可以保持连接稳固，同时又不影响压电件15利用压电效应测量磁场信息。在另一个具体实施例中，支架14设有支撑面，支撑面设有与支撑面垂直的导柱，导电梁与压电件15均设有通孔，导电梁的通孔与压电件15的通孔均穿过导柱，且导柱末端设有限位块，限位块用于防止导电梁与压电件15脱离导柱，这种连接结构同样可以达到上述效果。为了进一步解决磁特性测试对象的磁场较小的问题，每个导电梁与支架14之间均叠加多个压电件15，多个压电件15按照厚度方向极化，且多个压电件15的电压信号相互叠加，从而放大获得的电压信号。通过这种叠加的方式放大信号，可以简化本测试装置的放大电路，提高装置的紧凑性。
34.实施例二：如图5至图9所示，一种二维压电矢量磁特性测试装置，本实施例的磁特性测试装置采用上述实施例一的磁场传感器。将磁场传感器置于试样附近，磁场传感器的
通电导电梁在试样磁场的影响下受到洛伦兹力发生形变，形变的导电梁挤压压电件15，使压电件15产生电压变化信号。通过收集电压变化信号，并结合已知的电压信号与受力的关系、导电梁内部电流，即可推算出对磁场传感器产生影响的磁场的b和h。这里把片状材料作为被测对象，被测对象、磁场传感器与磁场均处于空气环境下为例，具体计算过程如下：根据压电件15产生的电压u获得导电梁受到的应力f的具体公式为：；其中，f为磁场引起通电导电梁的应力，u为测得的压电效应引起的电压，w为被测片材的宽度，h为被测片材的厚度，l为被测片材的长度，g
33
为压电材料的压电系数。
35.根据导电梁受到的应力f获得磁场的磁感应强度值b的具体公式为：；其中，b为磁场的磁感应强度，f为上述计算得出的应力，i为导线中通过的电流，l为通电导线的长度。
36.根据磁感应强度值b和空气磁导率μ的比值获得磁场强度h的具体公式为：。
37.并且根据左手定则，确定磁场方向、导电梁的电流方向和导电梁的受力方向。
38.为了测量被测对象的磁感应强度b和磁场强度h，需要设置多个不同方向的磁场传感器。如图8所示，在一个具体实施例中，测试装置包括正方形的测试平面，测试平面上安装五个磁场传感器，第一磁场传感器16位于的中心，以磁场传感器内部的导电梁的长度方向为磁场传感器的方向，第一磁场传感器16的方向与测试平面的任一边线平行，第二磁场传感器17位于测试平面的第一边线21的中点且第二磁场传感器17的方向与第一边线21平行，第三磁场传感器18位于测试平面的第二边线22的中点且第三磁场传感器18的方向与第二边线22平行，第四磁场传感器19位于测试平面的第三边线23的中点且第四磁场传感器19的方向与第三边线23平行，第五磁场传感器20位于测试平面的第四边线24的中点且第五磁场传感器20的方向与第四边线24平行。设定被测对象位于一个平面直角坐标系中，该坐标系中设有相互垂直的坐标轴x和坐标轴y，则上述结构中的第一磁场传感器16用于获得磁场强度h，相对平行的第二磁场传感器17和第四磁场传感器19用于获得x方向的磁感应强度bx，相对平行的第三磁场传感器18和第五磁场传感器20用于获得y方向的磁感应强度by。
39.进一步的，如图9所示，测试装置包括正方形片状的被测对象，被测对象的两面同时设有测试平面，两个测试平面的第二、三、四、五磁场传感器的方向相同，两个测试平面的第一磁场传感器16的方向相互垂直。理论上来看，两个测试平面的对应的磁场传感器获得的信息应该相同，因此可以利用对应的磁场传感器器提高测量精度。例如，将对应的磁场传感器的信号叠加后取平均值。两个测试平面的第一磁场传感器16可以分别获得x方向的磁场强度h和y方向的磁场强度h。
40.进一步的，为了实现上述的在正方形片状的被测对象的两面同时设置测试平面，
提供一种测试装置的具体实施例：如图5至图7所示，被测对象的两个测试平面分别设有第一盖板25和第二盖板26，十个磁场传感器分别设置在被测对象的两个测试平面上，第一盖板25和第二盖板26在磁场传感器的对应位置设有安装孔27，磁场传感器的基板1与安装孔27卡接固定。
41.进一步的，第一盖板25设有温度传感器28，通过温度传感器28监测装置的温度，可以观测温度对测试结果的影响。在一个具体实施例中，第一盖板25设有排布成矩形阵列的多个温度传感器28。多个温度传感器28用于提供温度测量精度。
42.进一步的，第二盖板26连接散热器，散热器用于提高测试装置的散热效率，减少温度变化对测试结果的影响。并且散热器可以与温度传感器28配合，利用温度传感器28获得的温度信息，调节散热器的散热效率，尽量维持测试装置的温度稳定。在一个具体实施例中，散热器包括连接板29和散热齿30，连接板29的一面与第二盖板26连接，连接板29的另一面连接多个散热齿30。测试装置的热量通过连接板29传导至多个散热齿30上，多个散热齿30增大了与空气的接触面积，可以提高散热效率。进一步的，散热器与风扇配合，利用风扇加快散热器附近的空气流通速度，进一步提高散热效率。
43.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。