考虑磁畴演变过程与宏观磁特性的同步测试系统及方法

1.本发明涉及一种考虑磁畴演变过程与宏观磁特性的同步测试系统及方法。


背景技术：

2.发展高频、高可靠性和高功率密度的大功率变压器是破解传统工频装备高耗能和高耗材问题的重要途径。降低磁元件的损耗对提高高频变压器的效率和功率密度有决定性的影响。磁材料本征磁特性和外加激励条件下的动态磁特性对铁心结构设计、损耗计算以及高频变压器服役性能的提升至关重要。从微观磁化机理的角度研究材料内在和外在的本征磁特性有助于材料特性建模及热效应的物理机制溯源。因此，有必要通过磁畴观测系统及宏观磁特性测试系统同时进行观测，建立具有微磁学理论支撑的磁特性模型和损耗计算方法。
3.传统的对于磁性材料的宏观损耗测试和微观磁畴观测是两个独立的装置，不能够对磁性材料的微观磁畴运动和动态磁特性进行同步测试。文献《师泯夏,侯志强,张芊,邱爱慈,李军浩. 电工钢片矢量磁特性测量系统的设计与优化[j].西安交通大学学报,2019,53(02):88-95.》采用方形样品四凸极激磁装置，只可以测试样品某一方向的宏观磁特性。如果测试样品的各向异性，需要制备不同角度的样品，制备过程繁琐费时，而且即便是同一批次的样品，其磁特性也会存在微小的差异，这会造成一定的测试误差。专利《周超,许佳,贾孟文,吴义政.一种利用磁光克尔效应测量反铁磁磁畴分布的方法[p].上海：cn108710090a,2018-10-26.》使用一台带有采集数字图像功能的磁光克尔显微镜，对观测的图像进行处理，也只能观测到微观磁畴，不能同时进行宏观磁特性测试。这在一定程度上影响了磁性材料磁特性的准确建模，限制了对磁性材料磁性能的分析，导致分析出现偏离，从而很难对实际的磁性材料特性建模起到很好的指导作用。因此设计一种考虑磁畴演变过程与宏观磁特性的同步测试系统能更准确的同时进行磁性材料磁畴观测及宏观磁特性测试，从而能建立更准确的磁特性模型和损耗计算方法是非常有必要的。


技术实现要素：

[0004]
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，设计一种考虑磁畴演变过程与宏观磁特性的同步测试系统及方法。该测试系统综合磁光克尔效应和宏观磁特性测试方法，在物镜观测样品的平台上加入包含b探针和h线圈的电磁传感模块，b探针和h线圈属于无源传感器，可以避免样品在测试时受到外界磁场的干扰。通过将由b探针和h线圈组合而成的传感结构放在样品台上，随后将样品通过可移动卡扣紧贴在b探针和h线圈上，结合磁光克尔技术，实现同时在更宽频域范围内对取向硅钢材料或者纳米晶材料同时进行磁性材料磁畴观测及宏观旋转磁特性测试，此外，还可以观测样品的各向异性，有利于更准确地从物理层面构建磁性材料磁特性构建和损耗计算模型。
[0005]
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
[0006]
一种考虑磁畴演变过程与宏观磁特性的同步测试系统，包括磁光克尔显微镜、信
号控制模块、磁场控制模块及电磁传感模块；其特征在于，所述磁场控制模块包括圆形二维激磁装置10、磁屏蔽装置24，所述圆形二维激磁装置10包括激磁磁轭和两相激磁绕组，所述激磁绕组连接信号控制模块，激磁磁轭的水平中轴线比磁光克尔显微镜的样品台11的水平中轴线高，且激磁磁轭位于样品台的外侧，激磁磁轭为环形锯齿结构；所述磁屏蔽装置24用来防止激磁磁轭漏磁通的干扰，安装在样品所在区域的外围，磁屏蔽装置屏蔽区域为测试位置，放在样品上进行支撑；
[0007]
所述激磁磁轭和磁光克尔显微镜底座8之间设置有多块同轴设置的不同内径的环形圆盘，用于支撑激磁磁轭，激磁磁轭的厚度大于样品厚度，且安装时激磁磁轭和样品水平的中轴线在同一水平面上；
[0008]
所述电磁传感模块用于利用探针法测量样品磁感应强度b，利用隧穿磁阻线性磁场传感元件测量磁场强度h，电磁传感模块固定安装在样品台11的上方，包括传感平台20、四个 b探针15、h线圈16、弹簧14、滑块17、滑轨18、卡扣19、可调节卡扣平台21；
[0009]
所述四个b探针15围绕h线圈16均匀布置在传感平台20上，相对的两个b探针之间的距离为样品直径的3-5mm，h线圈16的长宽为2-4mm，在弹簧的弹性范围内，使得样品既能与b探针接触，又与h线圈紧密接触，四个b探针分别通过弹簧14安装在传感平台上，传感平台的中心安装h线圈16；
[0010]
所述可调节卡扣平台21固定在样品台上，在可调节卡扣平台21上固定安装滑轨18，所述滑轨18为凹字型，包括水平段182和垂直安装在水平段两端的竖直段181，水平段固定安装在可调节卡扣平台22上，竖直段的两端分别通过一个滑块17连接卡扣19的内侧，使得卡扣19整体能够在竖直段上上下移动；
[0011]
所述卡扣19包括水平区域连接件191和两个垂直于水平区域连接件的竖直卡件192，竖直卡件192均位于滑轨18的相应竖直段的外侧，竖直卡件的内侧设置有尖角，尖角用于限制样品的上端位置；所述传感平台20的下部通过一个滑块17安装在滑轨18的水平段182 上，传感平台20能在水平段上左右移动；固定好样品后，样品恰好能和b探针及h线圈紧紧贴合；
[0012]
所述卡扣19的两个竖直卡件之间的距离略小于激磁磁轭的内径，不小于样品的直径。
[0013]
本发明还保护一种考虑磁畴演变过程与宏观磁特性的同步测试方法，该测试方法使用上述的测试系统，该测试方法的过程是：
[0014]
步骤一：将待测样品侧向放置在b探针上，使卡扣向下移动，从而使样品和b探针及 h线圈紧紧贴合，再通过微调位移平台使样品与圆形二维激磁装置的水平中轴线对齐且在同一水平面上；调整镜筒组合进而调整待测样品的观测位置使得待测样品于物镜正中央，确定样品的测试位置；
[0015]
步骤二：移动传感平台至测试位置，使得传感平台位于样品测试位置的正下方；
[0016]
步骤三：将磁屏蔽装置24放置在样品测试位置的正上方；
[0017]
步骤四：将两相激磁绕组的进线端子和出线端子进行连接；
[0018]
步骤五：用阻抗分析仪测量特定频率和激磁绕组连接方式下的电感，计算谐振电容值，采用耐高压的无感电容进行匹配；
[0019]
步骤六：在两相激磁绕组中分别通入相角相差90度的正弦交流电，通过计算机4发
出交变激磁信号，经过功率放大机组5放大后，控制激磁绕组中正弦交流电的幅值和相位，在待测样品所在平面中形成旋转磁场；
[0020]
步骤七：观察磁通密度和磁场强度波形，采集距离较远的两根b探针之间的电压信号，检测h线圈的感应电压信号，同时通过改变磁光克尔显微镜镜筒的放大倍数来观测样品介观磁畴变化，存储磁特性数据及相应的介观磁畴图像数据，提高激磁电压幅值，直至待测样品饱和；
[0021]
步骤八：观察到磁场饱和后，缓慢减小激磁信号，对待测样品进行退磁；
[0022]
步骤九：重复步骤步骤五、步骤六、步骤七、步骤八，直至完成所需频率和激磁方式下的磁特性检测，得到不同频率、不同激磁电流作用下，样品的磁感应强度和磁场强度轨迹图以及介观磁畴变化情况，实现磁畴演变过程与宏观磁特性的同步测试。
[0023]
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
[0024]
(1)本发明将宏观磁特性测量系统与微观磁畴观测系统相结合，从而实现对样品同一点同时进行微观磁畴观测和宏观磁特性多功能观测，更准确的观察磁性材料性能。
[0025]
(2)本发明采用圆形二维激磁装置替代原有的水平及垂直布置方式的激磁装置，可以形成空间旋转磁场，允许开展二维旋转磁特性实验，同时可以在不更换样品的前提下，通过旋转样品台，测试材料的各向异性，消除不同样品间材料特性的差异和更换样品引起的测试误差，提高测试的精确，如此的设置能够实现在进行测试时，将光路打到样品上，并且实现样品的旋转磁测量。
[0026]
(3)本发明中通过使用b探针、h线圈组合成的嵌套结构，通过测量电流电压信号，可以不受外界磁场的干扰，提高测试准确度；同时采用圆形激磁磁轭与绕组组合成的圆形二维激励装置，可以提供旋转磁场，测试样品的旋转磁特性，实现不同角度的测试。
[0027]
(4)本发明加装磁屏蔽装置，放置在样品周围，磁屏蔽高度可高于磁轭高度，可以最大程度减小磁轭的漏磁通对样品磁测量的影响，提高测试准确度；
[0028]
(5)本发明采用b探针测量法取代打孔法测量磁场强度，减小边缘效应对测试精度的影响，使测试区域磁场更加均匀，而且可以避免因打孔造成的材料磁特性的破坏。
[0029]
(6)本发明中电磁传感模块中的可调节卡扣，将样品放置在传感装置上时，规范样品位置，并且使样品紧紧贴合在传感装置上。此外，b探针在受到挤压时，由于内部弹簧的作用，可以保证探针与样品在通过四个点紧密接触的同时，不会对样品四个点造成特别大的挤压力，从而使样品发生变形；
[0030]
(7)本发明中电磁传感模块中的可移动的传感平台，可以保证在显微镜观测样品不同位置时，传感平台也能移动到相同位置，更准确的观察磁性材料性能；
[0031]
(8)本发明考虑磁畴演变过程与宏观磁特性的同步测试系统能更准确的在更宽频域范围内对取向硅钢材料或者纳米晶材料同时进行磁性材料磁畴观测及宏观旋转磁特性测试，适用范围更广，可以分析材料的各向异性。优选采用型号为1k107b的纳米晶材料作为圆形二维激磁装置中的磁轭，可以进一步扩大可测试的频率范围，有利于完成高频下的测试。
附图说明
[0032]
图1为本发明考虑磁畴演变过程与宏观磁特性的同步测试系统的整体结构连接示
意图；
[0033]
图2为本发明磁光克尔显微镜和磁场控制模块、电磁传感模块的整体安装位置结构示意图；
[0034]
图3为本发明的电磁传感模块的立体结构示意图；
[0035]
图4为本发明的样品支撑平台的立体结构示意图；
[0036]
图5为本发明的磁屏蔽装置24的立体结构示意图；
[0037]
图中，1、探测器；2、差分放大器；3、ni采集卡；4、计算器控制程序；5、功率放大机组；6、水冷电阻；7、匹配电容；8、底座；9、位移平台；10、圆形二维激磁装置；11、样品台；12、光路系统；13、镜筒组合；14、弹簧；15、b探针；16、h线圈；17、滑块； 18、滑轨；19、卡扣；20、传感平台；21、可调节卡扣平台；22、样品支撑平台；23、支撑件；24、磁屏蔽装置；181、竖直段，182、水平段，191、水平区域连接件，192、竖直卡件。
具体实施方式
[0038]
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本技术的保护范围。
[0039]
本发明一种考虑磁畴演变过程与宏观磁特性的同步测试系统，该系统包括磁光克尔显微镜、信号控制模块、磁场控制模块及电磁传感模块。
[0040]
所述磁光克尔显微镜包括光路系统12、镜筒组合13、底座8、位移平台9和样品台 11，镜筒组合13的下方设置样品台11，样品台固定在位移平台9上，位移平台(位移平台可以为xyz移动模组)可以使样品台在左右前后方向移动，底座8和位移平台通过转轴连接，使得位移平台能够发生旋转运动；光路系统12、镜筒组合13用于为介观磁畴观测提供光路和观测路径。
[0041]
所述信号控制模块用于向磁场控制模块提供激励，包括探测器1、差分放大器2、ni采集卡3、计算机、功率放大机组5、水冷电阻6、匹配电容7依次相连。所述探测器1采集的信号经差分放大器2放大后进入ni采集卡3处理，获得传感信号后进入计算机，计算机根据传感信号对功率放大器5发出相应的控制信号，功率放大器5发出控制信号经水冷电阻6 和匹配电容7作用在磁场控制模块进而控制磁场，从而达到闭环的效果；计算机4内加载有 labview测试平台；
[0042]
所述匹配电容7与磁场控制模块的圆形二维激磁装置10的激磁绕组相连，根据不同频率段采用不同电容值来补偿无功功率；
[0043]
所述磁场控制模块包括圆形二维激磁装置10、磁屏蔽装置24，所述圆形二维激磁装置 10包括激磁磁轭和两相激磁绕组，所述激磁绕组连接匹配电容7，所述激磁磁轭可采用型号为1k107b的纳米晶材料制成，纳米晶材质的激磁磁轭水平中轴线比样品台11的水平中轴线略高，且纳米晶材质的激磁磁轭位于样品台的外侧，激磁磁轭为环形锯齿结构；所述磁屏蔽装置24用来防止激磁磁轭漏磁通的干扰，安装在样品所在区域的外围，所述磁屏蔽装置为六片长3mm、厚1mm、高10mm的扁长方体电磁屏蔽材料围成的六边柱体，直接放置在样品上方，磁屏蔽装置的内径大于四个b探针所在外接圆的直径，屏蔽区域为样品测试位置，放在样品上进行支撑。
[0044]
所述激磁磁轭和底座8及位移平台9之间设置有多块同轴设置的不同内径的环形
圆盘，用于支撑激磁磁轭，激磁磁轭的内径略大于样品直径，激磁磁轭的厚度大于样品厚度，且安装时二者水平的中轴线在同一水平面上。如样品位于激磁磁轭的正中间，磁轭厚度为 5mm，样品厚2mm，样品厚度为1mm的位置和磁轭厚度为2.5的位置等高。
[0045]
所述电磁传感模块用于利用探针法测量样品磁感应强度b，利用隧穿磁阻(tmr)线性磁场传感元件测量磁场强度h，实现了传感系统一体化，电磁传感模块固定安装在样品台 11的上方，包括传感平台20、四个b探针15、h线圈16、弹簧14、滑块17、滑轨18、卡扣19、可调节卡扣平台21、样品支撑平台22、支撑件23；
[0046]
所述四个b探针15围绕h线圈16均匀布置在传感平台20上，相对的两个b探针之间的距离为3mm，h线圈16的长宽均为2mm，在弹簧的弹性范围内，使得样品既能与b探针接触，又与h线圈紧密接触，h线圈的高度不小于弹簧压缩至最短状态时b探针的高度，四个b探针分别通过弹簧14安装在传感平台上，传感平台的中心安装h线圈16；
[0047]
所述样品支撑平台22与h线圈上平面水平对齐，当样品和b探针及h线圈贴合时，对于较薄的测试样品采用样品支撑平台对样品起支撑作用，保证样品整个平面始终在同一平面内。所述支撑件23，起支撑样品支撑平台的作用，样品支撑平台22通过支撑件固定在可调节卡扣平台21上，且不干涉传感平台的移动。
[0048]
所述可调节卡扣平台21固定在样品台上，在可调节卡扣平台21上固定安装滑轨18，所述滑轨18为凹字型，包括水平段182和垂直安装在水平段两端的竖直段181，水平段固定安装在可调节卡扣平台22上，竖直段的两端分别通过一个滑块17连接卡扣19的内侧，使得卡扣19整体能够在竖直段上上下移动；
[0049]
所述卡扣19包括水平区域连接件191和两个垂直于水平区域连接件的竖直卡件192，竖直卡件192均位于滑轨18的相应竖直段的外侧，竖直卡件的内侧设置有尖角，尖角用于限制样品的上端位置，即上限位；所述传感平台20的下部通过一个滑块17安装在滑轨18的水平段182上，能在水平段上左右移动；所述样品下限位是通过b探针和h线圈所在高度确定，固定好样品后，样品恰好能和b探针及h线圈紧紧贴合；水平区域连接件191的设置能使得样品左右两侧能同时上下移动；
[0050]
所述卡扣19的两个竖直卡件之间的距离略小于激磁磁轭的内径，不小于样品的直径，卡扣上的两个尖角之间的距离比样品的直径小0.4mm。
[0051]
所述样品根据材料种类不同厚度也不尽相同，样品与激磁磁轭的材质可相同，也可不同。样品材料可以为纳米晶或硅钢片等，如样品材料为纳米晶，典型厚度在20μm以内，此时需要设置样品支撑平台，若为取向硅钢片，典型厚度为0.27mm左右。
[0052]
所述样品的尺寸大于传感平台的尺寸，形状可采用圆形样品，样品固定在样品台的正中间，且位于b探针和h线圈之上。
[0053]
本技术增加了可调节卡扣平台，卡扣19能在滑轨18的竖直段181上上下移动，使样品能紧紧贴合传感平台上的h线圈，同时在传感平台也能沿滑轨18的水平段左右移动，能够保证在改变样品观测区域的同时使传感平台移到与该观测区域相同的位置，保证在同一点同时测试样品的磁特性和磁畴观测。
[0054]
当放置样品时，先向上滑动卡扣19，使卡扣的尖角所在位置升高，将样品从b探针和尖角之间的侧面插入，并自由下落由四个b探针的四个顶点支撑，随后向下滑动卡扣19，弹簧在b探针的下部，由于弹簧的弹性，向下调节卡扣过程中，b探针压缩弹簧下移直至样品
与h线圈的上表面接触，停止卡扣下移，确定h线圈上表面和样品接触，b探针与h线圈上端面平齐，此时使样品和b探针15及h线圈16紧紧贴合，从而保证测量的准确度。
[0055]
由于介观磁畴观测只能是一个特定的小区域，本发明的b探针和h线圈的组合结构及卡扣结构能够满足磁畴观测和宏观磁特性测试在同一点同时进行的要求，保证了介观磁畴观测和宏观磁特性测试的区域为同一个区域。
[0056]
本发明采用电磁传感模块固定在样品台上，实现了同时的微观磁畴观测和宏观磁特性测试；采用圆形二维激磁装置10，既可以使光路能够到达样品测试区域，也可以在不更换样品的前提下，通过旋转位移平台9，测试样品的不同方向，进而实现测试材料的各向异性的目的，消除测试误差，保证测试的精确度；优选纳米晶作为激磁磁轭，提高了圆形二维激磁装置的测试频率；因为纳米晶在磁化过程中磁畴变化是可重复的，且纳米晶在高频下的研究是很有意义的，所以为了能够获取更高频率下准确的磁畴图像，本发明采用频闪技术，通过提前计算好的时间间隔依次通过光路系统采集图像，从而形成一整个周期的连续图像，通过一定的时间间隔，捕捉数张照片，最后把图像连接起来，所以通过连接起来的图像就可以获取出一整个周期的图像；通过位移平台调节样品在高度方向的位置，能够微调使样品聚焦并呈现清晰图像，提高了磁畴观测精度。
[0057]
本发明一种考虑磁畴演变过程与宏观磁特性的同步测试方法，该测试方法的过程是：
[0058]
步骤一：将待测样品侧向放置在b探针上，使卡扣向下移动，从而使样品和b探针及 h线圈紧紧贴合，再通过微调位移平台使样品与圆形二维激磁装置的水平中轴线对齐且在同一水平面上；调整镜筒组合进而调整待测样品的观测位置使得待测样品于物镜正中央，确定样品的测试位置；
[0059]
步骤二：移动传感平台至测试位置，使得传感平台位于样品测试位置的正下方；
[0060]
步骤三：将磁屏蔽装置24放置在样品测试位置的正上方；
[0061]
步骤四：将两相激磁绕组的进线端子和出线端子进行连接；
[0062]
步骤五：用阻抗分析仪测量特定频率和激磁绕组连接方式下的电感，计算谐振电容值，采用耐高压的无感电容进行匹配，降低系统中的激磁电流；
[0063]
步骤六：在两相激磁绕组中分别通入相角相差90度的正弦交流电，通过计算机4和功率放大机组5相连，发出交变激磁信号，经过功率放大机组5放大后，控制激磁绕组中正弦交流电的幅值和相位，在待测样品所在平面中形成旋转磁场；
[0064]
步骤七：观察磁通密度和磁场强度波形，采集距离较远的两根b探针之间的电压信号，检测h线圈的感应电压信号，同时通过改变磁光克尔显微镜镜筒的放大倍数来观测样品介观磁畴变化，存储磁特性数据及相应的介观磁畴图像数据，提高激磁电压幅值，直至待测样品饱和；
[0065]
步骤八：观察到磁场饱和后，缓慢减小激磁信号，对待测样品进行退磁；
[0066]
步骤九：重复步骤步骤五、步骤六、步骤七、步骤八，直至完成所需频率和激磁方式下的磁特性检测，得到不同频率、不同激磁电流作用下，样品的磁感应强度和磁场强度轨迹图以及介观磁畴变化情况，进而可以分析数据，得到损耗模型计算损耗，实现磁畴演变过程与宏观磁特性的同步测试。
[0067]
本发明能在观测磁畴演变的同时进行动态的旋转磁特性测试(同一个点)，同时能
够观测样品的各向异性。本发明通过调整传感结构的布局，并且通过加入可调节卡扣平台使样品和传感贴合的更紧密，同时考虑到进行介观磁畴观测时，需将光路引到样品上，一惯用的激磁装置会挡住光路，此外为了更好地测试样品的各向异性，对激磁装置进行了设计，使用圆形二维激磁装置测试样品旋转磁特性，样品周围加入磁屏蔽有效防止磁轭漏磁通干扰。
[0068]
本发明未述及之处适用于现有技术。