一种考虑压应力的单板测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及电磁测量领域，特别是一种考虑压应力的单板测试装置及测试方法。

背景技术

在现代工业和科技领域，电气设备的低功率损耗需求日益增加，软磁单板材料作为电力、电子工业中尤为关键的磁性材料，被广泛应用于无线充电、近场通讯等技术领域。因此，对其功率损耗等磁性能指标的精确测试变得尤为重要。

单板样品测试主要有爱泼斯坦方圈法、环形试样法以及单片测试法。但这些传统方法往往是基于标准物理条件下的测试，在实际应用中，单片经常会处在特殊物理环境下工作，比如在受到应力作用下时，其磁性能就与一般条件下有很大差别。因此，十分有必要研制出一套考虑应力作用下的单片测试方法。

传统方法中测试磁场强度的方法有基于安培环路定理的励磁电流法，其缺点是有效磁路长度无法确定，会根据具体的测试条件不同而变化；还有学者利用霍尔传感器测量磁场强度，但是霍尔芯片灵敏度低、噪声大，限制了电流传感器的性能。同时，霍尔电流传感器的磁芯往往采用气隙结构的聚磁环，漏磁非常严重，导致其抵抗导线偏心及干扰磁场的能力有限。

本发明提出利用磁阻传感器测量磁场强度，其温度稳定性和精度极高，并且抗干扰能力强，是测试磁场强度的理想电子元件。另外，传统感应线圈在测量待测样品磁感应强度的同时无法对待测样品实施应力作用，本发明设计了一种新型压力装置系统，使之能与传统感应线圈结合，从而实现对待测样品实施压应力的同时测量待测样品磁感应强度。

发明内容

本发明的目的是克服传统测试单片方法中，测试条件太过标准，不符合单片实际使用情况的问题，因此提出一种考虑压应力作用下的单板测试装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下:

本发明首先提供了一种考虑压应力的单板测试装置，其包括压力装置系统、磁阻传感器阵列系统、压力传感器系统、感应线圈、励磁及磁轭系统和数据处理系统；

其中，所述压力装置系统至少包括上压板和下压板；所述上压板和下压板结构相同，均包括平板部分和位于平板部分两侧的翻边部分；其中，待测单板样品设置在上压板和下压板的平板部分之间，且两侧伸出部分长度；

所述磁阻传感器阵列系统设置在上压板平板部分的下极面，用于获取磁场强度；压力传感器系统设置在下压板平板部分的上极面，用于获取待测单板样品所受压应力；

所述励磁及磁轭系统包括U型磁轭和励磁系统，励磁系统为绝缘树脂材料制成的矩形骨架，其上均匀、紧密绕有励磁线圈，用于对U型磁轭进行励磁；

所述感应线圈缠绕在由待测单板样品、上压板和下压板的平板部分组成的整体上，且待测单板样品两侧伸出部分分别放置在U型磁轭的两个侧边上，所述压力装置系统用于对待测单板样品施加可控压力；

所述数据处理系统获取磁阻传感器阵列系统、压力传感器系统采集的数据和感应线圈的波形数据，计算得到待测单板样品的性能参数。

优选的，所述压力装置系统还包括测试台底座、导轨、传动部件和压力滑块；其中，导轨垂直设置在测试台底座上；压力滑块与导轨通过传动部件连接，通过电机驱动传动部件移动，从而带动压力滑块沿导轨移动，压力滑块下移时按压上压板，并通过上压板对单板施加压应力，压力滑块移动过程中始终保持压力滑块极面与待测单板样品水平面平行。

优选的，所述压力滑块还包括固定样品部件，固定样品部件位于压力滑块两侧；所述固定样品部件可弹性伸缩，在压力滑块下移过程中，固定样品部件对待测单板样品施加夹紧力使待测单板样品两侧伸出部分与U型磁轭的紧密贴合。

本发明还提供了一种基于所述的装置的考虑压应力的单板测试方法，其包括如下步骤：

1)将待测单板样品放置在上压板和下压板的平板部分之间，待测单板样品两侧伸出相等的长度；将上压板、下压板、待测单板样品和感应线圈构成的整体放置在U型磁轭上，并使待测单板样品两侧伸出部分刚好位于U型磁轭的两个侧边上；2)在数据处理系统输入待测条件，所述待测条件包括测试频率、最大磁感应强度以及所施加压力；

3)励磁系统、压力装置系统在收到数据处理系统发来的指令后，分别对待测单板样品进行励磁与施加压应力，来达到测试条件；其中，压应力由压力滑块下移时按压上压板，并通过上压板对单板施加，并由压力传感器系统进行采集；在压力滑块下移过程中，固定样品部件跟随移动，并对待测单板样品施加夹紧力使待测单板样品两侧伸出部分与U型磁轭的紧密贴合；

4)磁阻传感器阵列系统、压力传感器系统分别采集数据，励磁线圈、感应线圈的波形数据由示波器的电流探头、电压探头分别读取，最终发送到数据处理系统；

5)数据采集系统根据接收到的数据计算出指定测试条件下的待测单板样品性能数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发利用磁阻传感器测量待测单片的磁场，优点是温度稳定性、精度高；克服了利用霍尔传感器灵敏度低、精度低以及安培环路定理有效磁路长度无法确定的问题。

2)本发明设计了特殊结构的压力装置系统，实现了对待测样品实施压应力的同时测量待测样品磁感应强度。

附图说明

图1为本发明一种考虑压应力的单板测试装置的结构示意图；

图2为本发明一种考虑压应力的单板测试装置的测试夹具示意图；

图3为本发明一种考虑压应力的单板测试装置的下压板及压力传感器系统示意图；

图4为本发明一种考虑压应力的单板测试装置的上压板及磁阻传感器阵列系统示意图；

图5为本发明一种考虑压应力的单板测试装置的复合磁阻传感器示意图；

图6为本发明一种考虑压应力的单板测试装置的固定样品部件。

图中，1为测试台底座，2为导轨，3为传动部件，4为压力滑块，5为固定样品部件，6为感应线圈，7为待测单板样品，8为U型磁轭8，9为励磁系统9；10为下压板，11为上压板；12为下压板上极面的电阻式薄膜压力传感器；13为上压板下极面的复合磁阻传感器；14为垫片，15为磁阻传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。

如图1至图6所示，本发明提供一种考虑压应力的单板测试装置，用以实现对待测样品实施压应力的同时测量待测样品磁感应强度。如图1所示，该装置主要包括压力装置系统、磁阻传感器阵列系统、压力传感器系统、感应线圈6、励磁及磁轭系统、数据处理系统。

如图1所示，本实施例的压力装置系统包括测试台底座1、导轨2、传动部件3、压力滑块4、上压板11、下压板10；导轨垂直设置在测试台底座上，压力滑块4与导轨2通过传动部件3连接，通过电机驱动传动部件3移动，从而带动压力滑块4沿导轨2垂直移动，并始终保持压力滑块4与待测单板样品6水平面平行；上压板和下压板结构相同，均包括平板部分和位于平板部分两侧的翻边部分；其中，待测单板样品设置在上压板和下压板的平板部分之间，且待测单板样品两侧伸出部分长度。上压板的翻边部分朝上，当压力滑块4下移过程中，接触该翻边部分，从而将压应力向下传导到待测单板样品上。下压板的翻边部分朝下起到支撑作用，施下压板的上极面与U型磁轭等高。

作为优选的实施方式，所述压力滑块4还包括固定样品部件5，位于压力滑块4两侧；所述固定样品部件5可弹性伸缩，配合压力滑块4下移，在对单板施加压应力的同时实现固定样品作用。在本实施例中，上压板11、下压板10的材质为绝缘材料，可以是聚乙烯树脂材料、亚克力板等材质。平板部分长度为68mm，宽度与待测单板样品6相同为28mm，平板部分和翻边部分的厚度均为1mm；如图6所示，所述固定样品部件5底部为一个平面，固定样品部件5内部设置有弹簧，随着压力滑块下移，当底部平面接触到待测单板样品6后，弹簧开始压缩，从而对待测单板样品6两侧伸出部分施加夹紧力。

如图2所示，在本发明的一个具体实施例中，所述励磁及磁轭系统包括U型磁轭8和励磁系统9，所述上压板11、下压板10之间放置待测单板样品7；励磁系统9为绝缘树脂材料制成的矩形骨架，其上均匀、紧密绕有励磁线圈，实现对U型磁轭8进行励磁；所述待测单板样品7及上、下压板平行部分穿过感应线圈6，且待测单板样品两侧伸出部分分别放置在U型磁轭的两个侧边上，并通过所述固定样品部件5对待测单板样品施加夹紧力使待测单板样品两侧伸出部分与U型磁轭的紧密贴合。在进行测试时，励磁系统9对U型磁轭8进行励磁，励磁系统有信号发生器、功率放大器，信号发生器输出特定频率、幅值的正弦波信号，经过功率放大器放大后，将正弦波信号施加至励磁系统线圈两端，从而待侧单板样品上的感应线圈会产生感应电压，利用示波器的电压探头可对产生的感应电压进行获取。在本发明的一个具体实施例中，所述感应线圈6的线圈匝数为200匝0.3mm的铜线，长度60mm；所述待测单板样品6的尺寸为100mm*28mm*0.5mm。

如图3所示，压力传感器系统位于下压板10的上极面；所述压力传感器系统包括两个型号为FSR402的电阻式薄膜压力传感器12，两个电阻式薄膜压力传感器对称放置在下压板10的上极面两侧位置，在本实施例中，压力传感器连接数据处理系统，并通过数据处理系统实时采集压应力数据。

如图4和图5所示，所述磁阻传感器阵列系统位于上压板11的下极面，由4*2个复合磁阻传感器组成；所述复合磁阻传感器由空心夹层、及设置在空心夹层内的垫片14以及磁阻传感器15组成；所述空心夹层设有开孔，磁阻传感器15与垫片14连接，对齐开孔位置，使磁阻传感器15更加接近待测单板样品6；夹层为磁阻传感器15的通信线提供了空间。

在本发明的一个具体实施例中，所述磁阻传感器15的尺寸为

6mm*3mm*1.5mm；所述电阻式薄膜压力传感器12的厚度为1mm；所述空心夹层尺寸为10mm*10mm*3mm，空心夹层上部开孔尺寸为7mm*4mm；垫片、空心夹层均为绝缘材料，可以是聚乙烯树脂材料、亚克力板等材质。

本发明的数据处理系统是基于Labview的单板损耗测试系统，所述数据处理系统还包括示波器和数据采集卡，通过数据采集卡采集磁阻传感器阵列系统、压力传感器系统的数据，通过示波器的感应探头读取感应线圈的波形数据；数据处理系统计算得到磁片的功率损耗、剩磁、矫顽力等性能参数。

以下结合一次具体的单板测试案例，对基于上述装置的考虑压应力的单板测试过程进行详细描述。

第一步：将待测单板样品放置在上压板和下压板的平板部分之间；其中待测单板样品两侧伸出相等的长度(伸出部分的长度等于U型磁轭的单边的宽度)；将上压板、下压板、待测单板样品和感应线圈构成的整体放置在U型磁轭上，并使待测单板样品两侧伸出部分刚好位于U型磁轭的两个侧边上；

第二步：在数据处理系统的界面输入测试频率f为20kHz，测试最大磁感应强度Bm为200mT，所施加压力F为6.9N；

第三步：发送指令后，压力装置系统通过电动升降对待测单板样品施加6.9N的压应力，励磁系统对待测单板样品施加激励；其中，压应力由压力滑块下移时按压上压板，并通过上压板对单板施加，并由压力传感器系统进行采集；在压力滑块下移过程中，固定样品部件跟随移动，并对待测单板样品施加夹紧力使待测单板样品两侧伸出部分与U型磁轭的紧密贴合；

第四步：磁阻传感器阵列系统、压力传感器系统数据由数据采集卡实时采集，前者分别得到H

电流探头读取到励磁线圈的电流信号I为：

I＝0.0803*sin(125663.71t)

电压探头读取到感应线圈的电压信号V为：

V＝23.412*sin(125663.71t+1.4838)

基于Labview的数据处理系统接收到电流信号、电压信号后进行如下运算得到功率损耗P

平均磁场强度

磁感应强度B：

并计算B在一个周期T内的最大值：

B

其中，

N

N

A

L

T＝5e

本发明中，矫顽力、剩磁等其他性能参数的计算是由B-H磁滞回线所得，磁滞回线具体的绘制方式为：选取B(t)为横坐标，H(t)为纵坐标，一一对应在平面直角坐标系绘制出一个闭合曲线，即为B-H磁滞回线；矫顽力即为曲线与横坐标的交点，即B＝0时的磁场强度值，剩磁即为曲线与纵坐标的交点，即H＝0时的磁感应强度值。

本发明的最大测试频率200kHz、最大磁感应强度500mT、最大施加压应力12.9N。

本发明在对待测单板样品施加压应力的同时，能精确测试其功率损耗，并且测试精度在5％以内。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。