专利名称：一种磁测量用全自动电磁铁以及驱动控制方法
技术领域：
本发明涉及磁材料磁性能测量领域，特别涉及一种磁测量用全自动电磁铁以及驱动控制方法。
背景技术：
目前磁性材料的迅速发展和广阔使用，需要相应的装置对磁性材料进行测量。通常的磁测量系统具有用于测量磁性材料的磁化单元。
如图1所示，磁化单元通常包括磁化绕组11、磁场探测器12、磁轭13、测量线圈14以及极头16，待测样品15放置在极头之间。在进行待测样品15的测量中，首先需要通过磁测量系统的传动装置将极头16调节到与待测样品15表面相互接触的情形，然后在通电的情况下，向极头16提供磁化电流，从而进行待检待测样品的磁性测量。
在现有的磁测量系统中，极头的运动都是靠手工摇动传动装置来实现，人为的因素导致费力以及精确度不高的问题产生。并且，极头移动的距离以碰到待测样品为准，这通常需要操作人员根据目测和经验来达到较好的接触，但是，这样很容易导致极头和待测样品之间不接触或者过接触的情况发生，使得测量结果与实际情况差距较大，并且，对于硬度较强的待测样品，过接触可能导致极头损坏，对于比较脆的待测样品，例如稀土永磁材料、钐钴塑磁等材料的待测样品，则可能在极头的运动过程中被压碎。
另外，在磁测量系统测量待测样品的磁性过程中，由于随磁化电流的增大，两极头之间的磁吸力增大，这在承载极头的机械结构的机械强度不是很强的时候，会使得极头之间的极间距离由于承载极头的机械结构的受力过大引起的变形而变小，从而极头压向待测样品，导致压碎待测样品，或者嗑伤极头。
现有的磁测量系统正是由于以上种种原因而导致待测样品的磁性测量结果不精确。
特别是，目前对磁性材料的测量提出了更高要求，磁性材料的测量过程中需要电磁铁产生稳定的磁场，并且近几年高矫顽力材料的出现，要求高磁场强度，但是目前测量用电磁铁产生的稳定磁场强度较低，在2.5T左右，不能满足市场需求。特别是稀土永磁材料、钐钴塑磁等材料很脆，在测试过程中极易压碎，成为稀土永磁测量的一个瓶颈。
有鉴于此，需要提供一种磁测量用全自动电磁铁以及驱动控制方法，可以自动调节极头距离使极头和待测样品正好接触且不损伤极头和待测样品，进一步可以在待测样品的磁性测量过程中不会由于磁场较大而损伤极头和待测样品。
发明内容
本发明的一个目的在于，提供一种磁测量用全自动电磁铁。
本发明的另一目的在于，提供一种驱动控制方法。
一种磁测量用全自动电磁铁，包括输入单元、控制单元、驱动单元、传动单元、磁化单元以及位移测量单元。其中，磁化单元包括磁化绕组、磁轭、以及极头，待测样品放置在极头之间；输入单元用于输入待测样品与极头接触的部分之间的长度值，并将该长度值传送给控制单元；控制单元，用于根据输入的长度值或者反馈信号，获得待测样品与极头正好接触时极头需要运动的位移量，并且根据该位移量产生相应的驱动信号来驱动驱动单元；驱动单元，根据来自控制单元的驱动信号，带动传动单元转动；传动单元，用于在驱动单元的驱动下，带动磁化单元的极头在沿着位于极头之间的待测样品的长度方向上产生位移，从而使得极头之间产生相对的位移；位移测量单元，用于测量极头当前的位移量，并将测量到的极头当前的位移反馈给控制单元。
一种驱动控制方法，用于控制磁化测量单元的极头的运动，使极头与样品正好接触，包括步骤步骤A，获得极头需要运动的位移量，并将极头需要运动的位移量转换成相应的驱动信号；步骤B，根据驱动信号，驱动极头在位于极头之间的待测样品的长度方向上位移；步骤C，在极头的位移过程中，实时测量极头的当前位移量，并反馈测量到的极头的当前位移量；步骤D，根据测量得到的极头的当前位移量和极头需要运动的位移量，得到极头当前需要的位移量，如果极头当前需要的位移量不为“0”，则返回步骤A，继续驱动极头的运动，如果为“0”，则结束极头运动的驱动控制。
与现有技术相比，在本发明中，通过在极头运动过程中提供反馈来控制极头的位移，使得极头和待测样品可以正好接触。同时，采用铝箔或者铜箔作为绕组，提高了磁场强度，进一步，为了补偿较高的磁场强度所带来的极头的额外的位移，一方面增加承载单元的强度，另一方面通过反馈对极头的位移进行补偿，这样，使得极头和待测样品始终保持正好接触的状态，避免了压碎待测样品或嗑伤极头的现象发生。通过本发明的系统和方法，不仅提供高磁场强度的扫描磁场和任意点的固定磁场，而且避免了压碎待测样品或嗑伤极头的现象发生。特别适用于稀土永磁钐钴、塑磁等易碎磁性材料，满足市场对高矫顽力和易碎磁性材料的检测需求，添补了磁测量领域中的空白，为永磁材料的生产、利用提供了数据保障，将产生显著的经济和社会效益。
图1为现有磁测量系统的磁化单元的结构示意图；图2为为本发明磁测量用全自动电磁铁的方块图；图3为调节极头位移、使其与待测样品正好接触的流程图；图4为提供磁化电流、进行待测样品的磁性测量的流程图；图5为传动单元的主视图；图6为传动单元的俯视图；图7为本发明磁测量用全自动电磁铁的一种可能的机械结构的示意图；图8为沿图7中A-A线的剖视图；图9为沿图7中B-B线的剖视图。
具体实施例方式
以下结合附图和具体实施例说明本发明的磁测量用全自动电磁铁以及驱动控制方法。
本发明的主要思想是，当在使极头与待测样品接触或者在进行待测样品的磁性测量时，利用位移测量单元实时地检测极头运动的位移量，并实时将检测到的极头运动的位移量反馈给控制单元，由控制单元根据极头需位移量和实际位移量来产生相应的驱动信号来驱动驱动单元，使驱动单元带动传动单元运动，并由传动单元带动极头运动相应的位移，从而使得极头与待测样品正好接触(表面接触、且彼此之间没有或者有很小的压力，保证磁性测量的需要)的同时不损坏极头或压碎待测样品。
进一步，为了满足较大的磁场强度，本发明对现有的磁化单元进行了改进，并且，相应的，为了避免较大的磁场强度引起承载极头的承载单元产生较大的变形而使极头的位移与控制单元所欲驱动的位移不一致的情况发生，对承载单元采取了增强抗变形的措施，消除磁吸力的影响，从而避免了承载单元在加载磁化电流的情况下产生变形。这在利用位移测量单元实时测量并反馈极头的位移量的基础上，进一步保证了极头与待测样品之间正好接触。
图2为本发明磁测量用全自动电磁铁的方块图。如图2所示，本发明的磁测量用全自动电磁铁包括输入单元21、控制单元22、驱动单元23、传动单元24、磁化单元25以及位移测量单元26。这里，磁化单元25可以为图1所示的磁化单元，即，包括磁化绕组、磁场探测器、磁轭、测量线圈以及极头，待测样品放置在极头之间，可以通过极头之间的相对运动来使待测样品与极头正好接触。
其中，输入单元21可以是操作面板，用于输入待测样品与极头接触的部分之间的长度，或者，输入单元21也可以是长度测量单元，例如单坐标测量系统，用于测量待测样品与极头接触的部分之间的长度值。输入单元21获得待测样品与极头接触的部分之间的长度值后，将该长度值传送给控制单元22。
控制单元22，可以是微处理器，用于在接收到输入单元21输入的长度值后，根据极头间当前的距离、以及待测样品与极头接触部分之间的长度值，计算待测样品与极头正好接触时极头需要运动的位移量。通常，在磁测量用全自动电磁铁启动时，需要进行初始化，使极头处于初始位置，而对于磁测量用全自动电磁铁而言，控制单元22中存储有极头间的初始距离，因此，在初始状态下，当控制单元接收到输入单元21传送的长度值后，利用极头间的初始距离减去该长度值后即可得到极头需要运动的位移量。
另外，在极头运动过程中，控制单元22可以接收来自位移测量单元26反馈的当前极头的位移量，用极头需要移动的位移量减去极头当前的位移量获得极头当前需要移动的位移量。
在获得极头需要运动的位移量(或者极头当前需要运动的位移量)后，控制单元22根据该位移量产生相应的驱动信号，用于驱动驱动单元23。该驱动信号的大小使驱动单元23初始的驱动速度较大，并且在位移量快达到极头需要运动的位移量时，驱动单元23的驱动速度逐渐减小。
驱动单元23，可以是驱动电机或者类似的驱动装置，当接收到来自控制单元22的驱动信号时，带动传动单元24转动。
传动单元24在驱动单元23的驱动下，带动磁化单元25的极头在沿着位于极头之间的待测样品的长度方向上产生位移，从而使得极头之间产生相对的位移。
位移测量单元26，可以是测尺，特别是光栅尺，其分辨率极高，数量级可以达到μm、nm，可以根据实际使用需要而选择适当分辨率的光栅尺。磁测量用全自动电磁铁每次上电时，首先要将位移测量单元26清零，控制单元22记录该清零后的位置作为测量的零位。当位移测量单元26为光栅尺时，光栅尺的主尺固定不动，副尺固定在磁化单元25与主尺相接触的接触面上，随极头沿着位于极头之间的待测样品的长度方向运动，从而，根据主尺和副尺上的刻度，可以得到极头当前的位移量。位移测量单元26在获得极头当前的位移量后，反馈给控制单元22，作为极头运动过程中控制单元22的输入值，由控制单元22获得当前极头需要移动的位移量，并根据极头当前需要移动的位移量产生相应的驱动信号来驱动驱动单元23。
这样，在极头运动过程中经过多次反馈，可以使得极头运动到极头与待测样品之间正好接触的位置，即，极头的最终位移量为极头间的初始距离减去待测样品与极头接触的部分之间的长度值后得到的极头需要运动的位移量。
在极头与待测样品正好接触后，位移测量单元26将测量到的极头当前位移量反馈给控制单元22，此时，控制单元22通过计算可以得知极头已经达到需要运动的位移量，因此，停止向驱动单元23提供驱动信号。
在极头与待测样品正好接触这种情况下，可以进一步进行待测样品的磁性测量。
由于高矫顽力材料的出现，对于待测样品的磁性测量要求高磁场强度。对于磁化单元25，根据安培环路定律可以得知，在励磁回路中，如果极头之间的间距一定的情况下，磁场的大小主要取决于磁化绕组电流的大小和线圈匝数，要获得较大的磁场强度，一是增大磁化电流，一是增加磁化绕组的线圈匝数。然而，当电流较大时，线圈会发热，并且在匝数较多时，体积会比较大，所以在设计时综合考虑磁化电流大小和线圈匝数。在本发明中，采取铝箔或者铜箔作为线圈导体，通以大电流。铝箔或者铜箔的层与层之间用绝缘薄膜隔开，一层相当于一匝。这样就可以获得较高的磁场强度(最大可以达到5T)，满足对高矫顽力材料的样品的磁场测试要求。
然而，当磁化电源(图未示)向磁化单元25提供磁化电流使得极头之间产生磁场时，随着磁化电流的增加，极头之间的磁吸力增大。此时，如果承载极头的承载单元强度不够，则极头很容易因为承载单元的变形而移动，从而使得极头之间的距离拉近，这样会压碎待测样品或嗑伤极头。
为了防止这种情况的发生，本发明中采取了如下措施第一种措施增加承载极头的承载单元的强度，可以通过改变承载单元的材料、和/或在承载单元中加入加强筋等方式实现；第二种措施位移测量单元26实时测量极头当前的位移量，并在位移测量单元26在获得极头当前的位移量后，反馈给控制单元22。控制单元22获得极头当前的位移量后，用极头需要移动的位移量减去极头当前的位移量获得极头当前需要移动的位移量。此时，由于极头的实际位移量已经超过极头需要移动的位移量，则控制单元22产生驱动信号使极头需要反向移动。在驱动信号的驱动下，驱动单元23带动传动装置24转动，进而带动极头反向位移预定的位移量(等于极头当前需要移动的位移量)。由于磁吸力拉引极头产生位移、到传动装置使极头反向位移这个过程的时间极短，并且，位移测量单元26的测量灵敏度较高、可以在极头的位移量很小的情况下产生反馈，因此，第二种措施可以几乎瞬间完成极头位移的补偿，不会造成极头与待测样品过接触所导致的待测样品压碎或极头嗑伤的情况发生。
当然，上述措施可以单独采用，为了更好的测量效果，也可以同时采用以上措施。
另外，在测量过程中，为了使得穿过待测样品的磁场强度均匀，也就是使均匀区应尽可能大。由于均匀区与极头大小有关，极头面积越大，均匀区越大，因而，在本发明中，极头采用可更换的方式，满足不同的需要，极头由两部分组成，一部分固定，另一部分通过螺纹与固定部分连接，可以实现拆卸。极头有各种尺寸，可适应不同强度磁场和不同大小均匀场的需求，当需要较大的均匀场时，选用较大的极头；当需要较高的磁场强度时，选用较小的极头。
以下结合图3和图4所示的磁性测量方法的流程图对极头的位移控制进行说明。图3为调节极头位移、使其与待测样品正好接触的流程图。图4为提供磁化电流、进行待测样品的磁性测量的流程图。
如图3所示，调节极头位移、使其与待测样品正好接触的方法包括以下步骤步骤301，获得待测样品的长度，如前面所述，待测样品的长度可以通过输入单元21获得，即，可以通过操作面板人工输入获得，也可以通过单坐标测量系统测量获得；步骤302，根据极头之间的距离和获得的长度，得到极头需要运动的位移量，如前面所述，可以在控制单元22中，用极头之间的距离减去待测样品的长度，获得极头需要运动的位移量；步骤303，将极头需要运动的位移量转换成相应的驱动信号，这里的驱动信号的大小可以使极头初始的运动速度较快，并且在位移量快达到极头需要运动的位移量时，极头的运动速度逐渐减小；步骤304，根据驱动信号，驱动极头在位于极头之间的待测样品的长度方向上位移，如前面所述，传动单元24在驱动信号的驱动下，带动极头运动产生位移；步骤305，在极头的位移过程中，实时测量极头的当前位移量，如前面所述，可以通过位移测量单元26，例如光栅尺等，来测量极头的当前位移量，并利用测量到的极头的当前位移量进行反馈控制；步骤306，根据测量得到的极头的当前位移量和极头需要运动的位移量，得到极头当前需要的位移量，如前面所述，控制单元22在接收到位移测量单元26反馈的极头的当前位移量时，利用极头需要运动的位移量减去极头的当前位移量得到极头当前需要的位移量；步骤307，判断极头当前需要的位移量是否为“0”，如果不为“0”，则返回步骤303，继续驱动极头的运动，如果为“0”，则执行步骤308；步骤308，停止驱动极头运动，结束调节极头与待测样品正好接触的流程。
通过图3所示的流程，可以使极头与待测样品正好接触。在极头与待测样品正好接触后，磁化电源将提供磁化电流进行待测样品的磁性测量，其具体步骤如图4所示，包括步骤401，提供磁化电流，开始待测样品的磁性测量；步骤402，在极头的位移过程中，实时测量极头的当前位移量，如前面所述，可以通过位移测量单元26，例如光栅尺测量极头的当前位移量，并利用得到的当前位移量进行反馈控制；步骤403，根据测量得到的极头的当前位移量和极头需要运动的位移量，得到极头当前需要的位移量，如前面所述，可以通过在控制单元26中，将极头需要运动的位移量减去极头的当前位移量，得到需要对极头进行位移补偿的位移量；步骤404，将极头当前需要运动的位移量转换成相应的驱动信号；步骤405，根据驱动信号，驱动极头在位于极头之间的待测样品的长度方向上位移，对磁化电流所导致的极头的运动进行补偿；步骤406，重复步骤402-406，直到样品的磁性测量结束。
通过上述步骤，可以在样品的磁性测量过程中，有效地避免了由于磁化电流导致的极头运动所引起的极头嗑伤、或样品压碎的情况发生。
为了更清楚的理解本发明，以下分别以一种可能实例来说明本发明的磁测量用全自动电磁铁，对于本领域普通技术人员而言，可以很容易的根据这些描述对本发明的磁测量用全自动电磁铁的构成元件和结构关系做出等同设计，因此，本发明的磁测量用全自动电磁铁的构成元件和结构关系包括但不限于这个实例。
图5为传动单元的主视图。图6为传动单元的俯视图。从图5和图6可以看出，传动单元包括涡杆52、涡轮53、以及丝杠54，并且，图中，标号51表示驱动电机，即，本发明中可能采用的一种驱动单元。在驱动电机51的带动下，涡杆52、涡轮53相继旋转，从而带动丝杠54旋转。由于丝杠54中的螺杆的旋转，使得套筒旋进或旋出螺杆。本发明中也可以采用其他的简化结构，例如直接用驱动电机51带动丝杠54旋转，但是，通过采用涡杆52、涡轮53可以进一步防止倒滑现象的发生。
图7为本发明磁测量用全自动电磁铁的一种可能的机械结构的示意图。图7中给出了磁测量用全自动电磁铁的驱动单元、传动单元、磁化单元、位移测量单元、以及承载单元，可以理解的是，磁测量用全自动电磁铁还包括如前面所述的输入单元以及控制单元。
驱动单元为驱动电机51，传动单元包括涡杆52、涡轮53、以及丝杠54，这两个元件已经在图5中进行了描述，因此不在赘述。
磁化单元包括磁化线圈61a、61b，磁轭62a、62b、62c、62d和62e、以及极头63a、63b。在磁轭62a上与磁轭62d接触的一侧设置有光栅尺的副尺67a，并在磁轭62d上与磁轭62a接触的一侧对应于副尺设置光栅尺的主尺67b。光栅尺为位移测量单元的一种实例，其具体操作如前面所述。
磁轭62a在与磁轭62c相对的表面上依次设置了磁化线圈61a和极头63a，同样，磁轭62c在与磁轭62a相对的表面上也依次设置了磁化线圈61b和极头63b。待测样品64设置在极头63a和63b之间。
磁轭62b、62c、62d和62e依次首位固定，构成一个回路。磁轭62a与磁轭62e、62c平行设置，其两端分别与磁轭62b、62d滑配，并且与磁轭62d、62b、62c构成一个回路，在图7中，磁轭62a、62b、62c、62d中的虚线表示磁力线。
承载板65a、65b(承载单元)用于固定驱动单元、传动单元以及磁化单元，如图7所示，驱动单元和传动单元设置在承载板65a之上，磁轭62c设置在承载板b上。传动单元的丝杠54穿过承载板65a和磁轭62e、并且丝杠54的套筒与磁轭62a固定在一起，例如可以通过法兰和螺钉配合进行固定。当套筒从螺杆中旋进或者旋出时，带动磁轭62a上升或者下降。
为了进一步保证磁轭62a上升或者下降的平稳性，可以穿过承载板65a、磁轭62e将多条导柱66固定在磁轭62a上，每条导柱66也与磁轭62b、62d滑配，可以在垂直方向上随磁轭62a上升和下降。
在上述的结构中，产生的磁力线通过磁轭62a，并且磁轭62a可以上升和下降，这样，相对于现有技术中所有磁轭均不动、靠极头运动来使得极头与测试待测样品接触并进行磁性测量而言，本发明可以保证极头之间产生的磁场更均匀，特别是在磁轭62a、62b、62c、62d的厚度相同的情况下。
从前面的描述可以知道，为了获得较大的磁场强度，在本发明中，采取铝箔或者铜箔作为线圈导体，通以大电流。这样，在极头63a、63b之间的磁吸力增大，当承载板65a、65b的强度不够的情况下，将产生变形，使得极头63a、63b的距离变小。虽然，在本发明中可以通过反馈控制极头的反向运动来补偿变形，但是为了获得更好的测量效果，可以通过增强承载板65a、65b的强度来减少量或者避免变形的产生。
图8为沿图7中A-A线的剖视图，其中，69表示设置在承载板65a中的加强筋。图9为沿图7中B-B线的剖视图，其中，69表示设置在承载板65a中的加强筋。当然，图8和图9中只是示范性的说明，对于本领域普通技术人员而言，可以有多种排布方式。
另外，上述的实例是以极头在垂直方向上的运动为例进行的说明，可以理解的是，在水平方向上或者其他方向上也同样可以进行待测样品的磁性测量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种磁测量用全自动电磁铁，其特征在于，包括输入单元、控制单元、驱动单元、传动单元、磁化单元以及位移测量单元，其中，磁化单元包括磁化绕组、磁轭、以及极头，待测样品放置在极头之间输入单元用于输入待测样品与极头接触的部分之间的长度值，并将该长度值传送给控制单元；控制单元，用于根据输入的长度值或者反馈信号，获得待测样品与极头正好接触时极头需要运动的位移量，并且根据该位移量产生相应的驱动信号来驱动驱动单元；驱动单元，根据来自控制单元的驱动信号，带动传动单元转动；传动单元，用于在驱动单元的驱动下，带动磁化单元的极头在沿着位于极头之间的待测样品的长度方向上产生位移，从而使得极头之间产生相对的位移；位移测量单元，用于测量极头当前的位移量，并将测量到的极头当前的位移反馈给控制单元。
2.如权利要求1所述的磁测量用全自动电磁铁，其特征在于，所述驱动信号的大小可以使极头初始的运动速度大于在位移量快达到极头需要运动的位移量时极头的运动速度。
3.如权利要求1所述的磁测量用全自动电磁铁，其特征在于，磁化绕组的线圈材料为铝箔或者铜箔，铝箔或者铜箔的层与层之间用绝缘薄膜隔开，一层相当于一匝。
4.如权利要求1所述的磁测量用全自动电磁铁，其特征在于，磁化单元的磁轭中的至少一个磁轭随其上固定的极头在传动单元的作用下一起运动。
5.如权利要求4所述的磁测量用全自动电磁铁，其特征在于，磁化单元中的各个磁轭的厚度相同。
6.如权利要求1至5任一项所述的磁测量用全自动电磁铁，其特征在于，进一步包括承载单元，至少用于承载驱动单元、磁化单元、传动单元。
7.如权利要求6所述的磁测量用全自动电磁铁，其特征在于，所述承载单元中设置增加承载单元强度的加强筋。
8.一种驱动控制方法，用于控制磁化测量单元的极头的运动，使极头与样品正好接触，其特征在于，包括步骤步骤A，获得极头需要运动的位移量，并将极头需要运动的位移量转换成相应的驱动信号；步骤B，根据驱动信号，驱动极头在位于极头之间的待测样品的长度方向上位移；步骤C，在极头的位移过程中，实时测量极头的当前位移量，并反馈测量到的极头的当前位移量；步骤D，根据测量得到的极头的当前位移量和极头需要运动的位移量，得到极头当前需要的位移量，如果极头当前需要的位移量不为“0”，则返回步骤A，继续驱动极头的运动，如果为“0”，则结束极头运动的驱动控制。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤A中，通过输入样品的长度或者通过极头位移过程中反馈的极头当前的位移量，获得极头需要运动的位移量。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，驱动信号的大小使极头初始的运动速度大于在位移量快达到极头需要运动的位移量时极头的运动速度。
全文摘要
本发明公开了一种磁测量用全自动电磁铁以及驱动控制方法。其中，驱动控制方法，包括步骤A，将极头需要运动的位移量转换成相应的驱动信号；步骤B，驱动极头在位于极头之间位移；步骤C，反馈测量到的极头的当前位移量；步骤D，得到极头当前需要的位移量，如果位移量不为“0”，则返回步骤A，如果为“0”，则结束。通过本发明的系统和方法，不仅提供高磁场强度的扫描磁场和任意点的固定磁场，而且避免了压碎待测样品或嗑伤极头的现象发生。特别适用于稀土永磁钐钴、塑磁等易碎磁性材料，满足市场对高矫顽力和易碎磁性材料的检测需求，添补了磁测量领域中的空白，为永磁材料的生产、利用提供了数据保障，将产生显著的经济和社会效益。
文档编号G01R33/12GK1932543SQ20061015064
公开日2007年3月21日 申请日期2006年10月20日 优先权日2006年10月20日
发明者方岱宁, 饶国光 申请人:北京赛迪机电新技术开发公司