CN202121039768.1多物理因素耦合作用电工钢片矢量磁特性自动测量系统

权利要求

1.一种多物理因素耦合作用电工钢片矢量磁特性自动测量系统，其特征在于：包括上位机（1）、数据采集卡（2）、低通滤波器（3）、功率放大器（4）、隔离放大器（5）、励磁装置（6）、矢量B-H传感器、x方向励磁线圈（13）、y方向励磁线圈（14）、单片机系统（17）、电源（26）、温度自动加载模块（15）和应力自动加载模块（16），上位机（1）与数据采集卡（2）相连接，数据采集卡（2）的两个模拟输出通道分别与两个低通滤波器（3）的输入连接，两个低通滤波器（3）的输出分别与两个功率放大器（4）的输入连接，两个功率放大器（4）的输出分别与x方向励磁线圈（13）和y方向励磁线圈（14）连接，x方向励磁线圈（13）和y方向励磁线圈（14）与励磁装置（6）连接，励磁装置（6）与矢量B-H传感器连接，矢量B-H传感器的六个输出信号连接隔离放大器（5），隔离放大器（5）的六个输出与数据采集卡（2）的六个模拟输入通道连接；上位机（1）与单片机系统（17）连接，单片机系统（17）与电源（26）连接，单片机系统（17）和电源（26）均分别与温度自动加载模块（15）和应力自动加载模块（16）连接，温度自动加载模块（15）和应力自动加载模块（16）均与励磁装置（6）连接，励磁装置（6）上放置有待测电工钢片。

2.根据权利要求1所述的多物理因素耦合作用电工钢片矢量磁特性自动测量系统，其特征在于：矢量B-H传感器由矢量B传感器、x方向的H传感器和y方向的H传感器组成，矢量B传感器由x方向B探针（7）和y方向B探针（8）组成，x方向的H传感器由x方向H1线圈（9）和x方向H2线圈（10）组成，y方向的H传感器由y方向H1线圈（11）和y方向H2线圈（12）组成，x方向B探针（7）、y方向B探针（8）、x方向H1线圈（9）、x方向H2线圈（10）、y方向H1线圈（11）和y方向H2线圈（12）安装在励磁装置（6）上；x方向B探针（7）、y方向B探针（8）、x方向H1线圈（9）、x方向H2线圈（10）、y方向H1线圈（11）和y方向H2线圈（12）的六个输出端与隔离放大器（5）的六个输入通道连接。

3.根据权利要求1所述的多物理因素耦合作用电工钢片矢量磁特性自动测量系统，其特征在于：单片机系统（17）、电源（26）、温度自动加载模块（15）组成温度自动加载系统，温度自动加载模块（15）由温度控制器（18）、固态继电器（19）、陶瓷加热片（20）和热电阻传感器（21）组成，上位机（1）与单片机系统（17）连接，单片机系统（17）与温度控制器（18）连接，温度控制器（18）输出端与固态继电器（19）输入端连接，固态继电器（19）的输出端与陶瓷加热片（20）连接，陶瓷加热片（20）安装在励磁装置（6）底部，热电阻传感器（21）连接到温度控制器（18）的传感器输入端，单片机系统（17）和固态继电器（19）均与电源（26）连接。

4.根据权利要求1所述的多物理因素耦合作用电工钢片矢量磁特性自动测量系统，其特征在于：单片机系统（17）、电源（26）、应力自动加载模块（16）组成应力自动加载系统，应力自动加载模块（16）由力控制器（22）、电动推杆驱动器（23）、电动推杆（25）和力传感器（24）组成，上位机（1）与单片机系统（17）连接，单片机系统（17）与力控制器（22）连接，力控制器（22）与电动推杆驱动器（23）连接，电动推杆驱动器（23）连接电动推杆（25），电动推杆（25）通过力传感器（24）与励磁装置（6）连接，单片机系统（17）和电动推杆驱动器（23）均与电源（26）连接。

说明书

多物理因素耦合作用电工钢片矢量磁特性自动测量系统

技术领域

本实用新型涉及电工钢片磁特性测量技术领域，尤其涉及一种多物理因素耦合作用电工钢片矢量磁特性自动测量系统。

背景技术

文献1[阎秀恪.电工钢片及其组合结构不同应力方向的磁特性测量装置：中国，2013105686215.2014.02.05.]主要由主磁路模块、压力测量模块、压力加载模块、信号检测模块、支撑模块构成。既能够实现单片电工钢片二维不同应力下的磁特性测量也能测量叠片方向不同应力下的磁特性，但是在每次需要改变加载的应力大小时，都需要手动进行调节，人为的干预降低了测量的效率。文献2[谢德馨.一种电工钢片二维磁特性单片测量系统及其测量方法：中国，2010100101199,2012.12.05.]包括控制计算机、数据采集卡、低通滤波器、功率放大器、隔离变压器、隔离放大器和电工钢片二维磁特性单片测量器。该测量系统及测量方法并未考虑多种物理因素共同作用时对电工钢片磁特性的影响，限制了测量结果的应用范围。文献3[张殿海.电工钢片矢量磁特性的温度与应力效应测量装置：中国，2017102483359,2017.08.01.]虽然实现了电工钢片在温度和应力作用下电工钢片矢量磁特性的测量，但是其温度和应力加载仍然需要手动调节，无法完全实现自动测量。

综上，现有的电工钢片矢量磁特性测量系统均未实现温度和应力耦合作用下电工钢片矢量磁特性的全自动测量。

发明内容

实用新型目的：本实用新型提出了一种多物理因素耦合作用电工钢片矢量磁特性自动测量系统，该系统能够在温度和应力耦合作用下电工钢片复杂磁特性自动测量，其目的是解决涉及到温度和应力共同作用下多变化参数带来的矢量磁特性测量工作量倍增的问题。

技术方案：

一种多物理因素耦合作用电工钢片矢量磁特性自动测量系统，包括上位机、数据采集卡、低通滤波器、功率放大器、隔离放大器、励磁装置、矢量B-H传感器、x方向励磁线圈、y方向励磁线圈、单片机系统、电源、温度自动加载模块和应力自动加载模块，上位机与数据采集卡相连接，数据采集卡的两个模拟输出通道分别与两个低通滤波器的输入连接，两个低通滤波器的输出分别与两个功率放大器的输入连接，两个功率放大器的输出分别与x方向励磁线圈和y方向励磁线圈连接，x方向励磁线圈和y方向励磁线圈与励磁装置连接，励磁装置与矢量B-H传感器连接，矢量B-H传感器的六个输出信号连接隔离放大器，隔离放大器的六个输出与数据采集卡的六个模拟输入通道连接；上位机与单片机系统连接，单片机系统与电源连接，单片机系统和电源均分别与温度自动加载模块和应力自动加载模块连接，温度自动加载模块和应力自动加载模块均与励磁装置连接，励磁装置上放置有待测电工钢片。

进一步的，矢量B-H传感器由矢量B传感器、x方向的H传感器和y方向的H传感器组成，矢量B传感器由x方向B探针和y方向B探针组成，x方向的H传感器由x方向H1线圈和x方向H2线圈组成，y方向的H传感器由y方向H1线圈和y方向H2线圈组成，x方向B探针、y方向B探针、x方向H1线圈、x方向H2线圈、y方向H1线圈和y方向H2线圈安装在励磁装置上；x方向B探针、y方向B探针、x方向H1线圈、x方向H2线圈、y方向H1线圈和y方向H2线圈的六个输出端与隔离放大器的六个输入通道连接。

进一步的，单片机系统、电源、温度自动加载模块组成温度自动加载系统，温度自动加载模块由温度控制器、固态继电器、陶瓷加热片和热电阻传感器组成，上位机与单片机系统连接，单片机系统与温度控制器连接，温度控制器输出端与固态继电器输入端连接，固态继电器的输出端与陶瓷加热片连接，陶瓷加热片安装在励磁装置底部，热电阻传感器连接到温度控制器的传感器输入端，单片机系统和固态继电器均与电源连接。

进一步的，单片机系统、电源、应力自动加载模块组成应力自动加载系统，应力自动加载模块由力控制器、电动推杆驱动器、电动推杆和力传感器组成，上位机与单片机系统连接，单片机系统与力控制器连接，力控制器与电动推杆驱动器连接，电动推杆驱动器连接电动推杆，电动推杆通过力传感器与励磁装置连接，单片机系统和电动推杆驱动器均与电源连接。

有益效果：

1本测量系统实现了电工钢片在温度和应力共同作用下复杂磁特性的自动测量。解决了因温度，应力的多变化参数导致的工作量倍增问题。

2本测量系统采用单片机系统、温度控制器、热电阻传感器对待测电工钢片温度进行测量并控制陶瓷加热片的生热，以维持恒定的测量温度；采用单片机系统、力控制器、电动推杆驱动器、电动推杆、力传感器对施加到待测电工钢片上的拉（压）力的大小实时检测并控制电动推杆的行程，以维持恒定的拉（压）力值。

附图说明

图1为温度与应力耦合作用下电工钢片复杂磁特性测量系统；

图2为温度自动加载系统结构示意图；

图3为应力自动加载系统结构示意图；

图中标注：

1、上位机，2、数据采集卡，3、低通滤波器，4、功率放大器，5、隔离放大器，6、励磁装置，7、x方向B探针，8、y方向B探针，9、x方向H1线圈，10、x方向H2线圈，11、y方向H1线圈，12、y方向H2线圈，13、x方向励磁线圈，14、y方向励磁线圈，15、温度自动加载模块，16、应力自动加载模块，17、单片机系统，18、温度控制器，19、固态继电器，20、陶瓷加热片，21、热电阻传感器，22、力控制器，23、电动推杆驱动器，24、力传感器，25、电动推杆，26、电源。

具体实施方式

以下结合说明书附图更详细的说明本实用新型。

电机在实际运行时涉及到磁-力-热等多物理场耦合的问题，这些物理因素会影响电工材料的物性参数。电工钢片是电机中主要的导磁材料，其磁特性受到温度、应力等诸多因素的影响。因此测量在温度和应力共同作用下电工钢片的磁特性会使在设计阶段对电机性能的分析结果更为精确。当在电工钢片复杂磁特性测量过程中考虑温度和应力耦合作用时会涉及到多变化参数导致的工作量倍增问题，传统的方法需要在每次磁特性测量后人为进行温度和应力的手动设定和加载，十分不便且费时，因此本实用新型提出一种能够实现温度和应力耦合作用下的电工钢片矢量磁特性自动测量系统。

如图1所示，一种多物理因素耦合作用电工钢片矢量磁特性自动测量系统，包括上位机1、数据采集卡2、低通滤波器3、功率放大器4、隔离放大器5、励磁装置6、矢量B-H传感器、x方向励磁线圈13、y方向励磁线圈14、单片机系统17、电源26、温度自动加载模块15和应力自动加载模块16，上位机1与数据采集卡2相连接，数据采集卡2的两个模拟输出通道分别与两个低通滤波器3的输入连接，两个低通滤波器3的输出分别与两个功率放大器4的输入连接，两个功率放大器4的输出分别与x方向励磁线圈13和y方向励磁线圈14连接，x方向励磁线圈13和y方向励磁线圈14安装在励磁装置6上，矢量B-H传感器也安装在励磁装置6上，通过B-H探头采集励磁装置6上放置的待测电工钢片中心处的B和H信号，矢量B-H传感器的六个输出信号连接隔离放大器5的六个输入，隔离放大器5的六个输出与数据采集卡2的六个模拟输入通道连接；上位机1与单片机系统17连接，单片机系统17与电源26连接，单片机系统17和电源26均分别与温度自动加载模块15和应力自动加载模块16连接，温度自动加载模块15和应力自动加载模块16均与励磁装置6连接，励磁装置6上放置有待测电工钢片。待测电工钢片为十字形电工钢片。

上位机1能够实现拉（压）力、温度、磁通密度、轴比、磁化角度等参数序列的设置，实现自动化测量；上位机1将两路励磁信号发送到数据采集卡2，数据采集卡2通过两路模拟输出通道将励磁信号输出给低通滤波器3滤除高次谐波，两路低通滤波器3的输出分别与两路功率放大器4的输入端连接，经过功率放大器4放大后的电压驱动x方向励磁线圈13和y方向励磁线圈14，在测量待测电工钢片中产生所需的磁场，测量待测电工钢片中的磁通密度信号由两个方向的B探针对检测（x方向B探针7和y方向B探针8），磁场强度信号由两个方向的H线圈对检测（x方向H1线圈9、x方向H2线圈10、y方向H1线圈11和y方向H2线圈12），六个通道的模拟信号传送到隔离放大器5中，经过隔离和放大后的信号经过隔离放大器5的六个输出端连接到数据采集卡2的六个模拟输入通道，上位机1通过数据采集卡2读取测量的磁通密度和磁场强度信号并处理。温度自动加载模块15实现与上位机1的通讯，驱动和反馈温度信号。应力自动加载模块16实现与上位机1的通讯，驱动和反馈应力信号。

如图1所示，矢量B-H传感器包括x方向B探针7、y方向B探针8、x方向H1线圈9、x方向H2线圈10、y方向H1线圈11和y方向H2线圈12，x方向B探针7、y方向B探针8、x方向H1线圈9、x方向H2线圈10、y方向H1线圈11和y方向H2线圈12安装于励磁装置6上；x方向B探针7、y方向B探针8、x方向H1线圈9、x方向H2线圈10、y方向H1线圈11和y方向H2线圈12的输出端与隔离放大器5的6个输入端连接；x方向B探针7和y方向B探针8组成矢量B传感器，x方向H1线圈9和x方向H2线圈10组成x方向的H传感器，y方向H1线圈11和y方向H2线圈12组成y方向的H传感器，矢量B传感器、x方向的H传感器与y方向的H传感器组成了矢量B-H传感器。

如图2所示，单片机系统17、电源26、温度自动加载模块15组成温度自动加载系统，温度自动加载模块15由温度控制器18、固态继电器19、陶瓷加热片20和热电阻传感器21组成，上位机1通过RS232端口与单片机系统17连接，单片机系统17通过RS485端口与温度控制器18连接，温度控制器18输出端与固态继电器19输入端连接，固态继电器19的输出端与陶瓷加热片20连接，陶瓷加热片20安装在励磁装置6底部，热电阻传感器21连接到温度控制器18的传感器输入端，单片机系统17和固态继电器19均与电源26连接。

上位机1与单片机系统17通过RS232端口进行通讯，发送设定温度的指令，单片机系统17经RS485通讯端口将温度指令发送到温度控制器18，温度控制器18对固态继电器19进行通断控制以调节陶瓷加热片20的生热量，加热待测电工钢片，待测电工钢片的温度由热电阻传感器21检测并反馈至温度控制器18的传感器输入端实现闭环控制。温度控制器18将实时温度值通过RS232端口通讯上传至上位机1并显示。

具体为，上位机1通过RS232端口和单片机系统17通讯，发送设定的温度指令给单片机系统17并负责接收实时测量温度，单片机系统17通过RS485端口与温度控制器18进行通讯，将设定温度指令发送给温度控制器18实现温度的设定并将检测到的温度值回传，温度控制器18经过运算，将控制指令发出给固态继电器19，控制固态继电器19的通断，电源26经过固态继电器19将电压加载到陶瓷加热片20上，控制陶瓷加热片20的生热量，待测电工钢片中的实时温度由热电阻传感器21检测并传送到温度控制器18。

如图3所示，单片机系统17、电源26、应力自动加载模块16组成应力自动加载系统，应力自动加载模块16由力控制器22、电动推杆驱动器23、电动推杆25和力传感器24组成，上位机1通过RS232端口与单片机系统17连接，单片机系统17通过RS485端口与力控制器22连接，力控制器22与电动推杆驱动器23连接，力控制器22控制电动推杆驱动器23的输出，电动推杆驱动器23连接电动推杆25，电动推杆25通过力传感器24与励磁装置6连接，力传感器24测量待测电工钢片实时的拉压力值，单片机系统17和电动推杆驱动器23均与电源26连接。

上位机1与单片机系统17通过RS232端口进行通讯，发送设定拉（压）力的指令，单片机系统17经RS485通讯端口将设定的拉（压）力指令发送到力控制器22，力控制器22通过控制电动推杆驱动器23以调节电动推杆25的行程，施加到测量样片的力的大小由串联在励磁装置6与电动推杆25之间的力传感器24检测并反馈至力控制器22实现闭环控制。力控制器22将实时拉（压）力值通过RS485通讯端口回传给单片机系统17进行加工处理，然后通过RS232端口通讯上传至上位机1并显示。

具体为，上位机1通过RS232端口和单片机系统17通讯，发送设定的拉（压）力指令给单片机系统17并负责接收实时测量应力值，单片机系统17同过RS485端口与力控制器22进行通讯，将设定拉（压）力指令发送给力控制器22实现不同拉（压）力值的设定并将检测到的实时拉（压）力值回传，力控制器22经过运算，将控制指令发送给电动推杆驱动器23，控制电动推杆驱动器23输出电压的大小，从而控制电动推杆25的行程，与之连接的力传感器24实时检测拉（压）力的大小并传送给力控制器22。

使用本实用新型测量电工钢片在不同应力、温度下的复杂磁特性时的步骤如下：

1通过上位机1输入温度和拉（压）的设定值，经RS232端口发送到单片机系统17中。

2单片机系统17将设定温度和拉（压）力值经RS485端口分别发送到温度控制器18和力控制器22中完成温度和拉（压）力的参数设定。

3 温度控制器18根据设定的温度和实时检测的温度差发出控制指令给固态继电器19，力控制器22根据设定的拉（压）力值和实时检测的力信号的差值发出控制指令给电动推杆驱动器23。

4 电源26经固态继电器19连接到陶瓷加热片20对测量待测电工钢片加热，待测电工钢片实时温度通过热电阻传感器21检测，反馈回温度控制器18与设定温度进行比较实现闭环控制。电动推杆驱动器23驱动电动推杆25直线运动，待测电工钢片的实时应力值通过力传感器24检测，反馈回力控制器22与设定拉（压）力值进行比较实现闭环控制。

本实用新型实现了电工钢片复杂磁特性测量过程中温度和应力的自动加载，解决了人为操作繁琐，耗时的缺点，使得电工钢片复杂磁特性的测量过程更加方便，高效，可行性更高。