褚紅明  張科濤  胡特

（湖南省聯(lián)眾科技有限公司 417000）

　　摘要：簡述了永磁體及部件檢測的常用儀器和使用場合，介紹了幾款實(shí)現(xiàn)工業(yè)在線快速準(zhǔn)確檢測的幾種設(shè)備的工作方式和特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：永磁體部件，磁性能， 高斯計(jì)，磁通計(jì)，亥姆霍茲線圈，磁通量，自動檢測

　　一、 永磁材料及部件自動化全檢的背景和意義

　　永磁材料是一種用途廣泛的功能材料，它在國民經(jīng)濟(jì)、航天以及國防領(lǐng)域中都占有重要的地位，廣泛應(yīng)用于航天、能源、交通、機(jī)械、醫(yī)療、計(jì)算機(jī)、家電等行業(yè)，并已深入人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?/span>在一些要求比較高的應(yīng)用場合如核磁共振、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電動汽車、智能手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦等，對永磁體或其部件的磁性性能及其一致性提出了很高的要求，磁部件都要求全儉。采用傳統(tǒng)的人工檢測方式，檢測速度慢、工作量大、差錯率高，導(dǎo)致產(chǎn)品出廠合格率低，成本高。采用自動化檢測設(shè)備，和工廠已有得生產(chǎn)線結(jié)合，能準(zhǔn)確、高效率完成檢測任務(wù)，較大的降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，保障產(chǎn)品質(zhì)量。推廣應(yīng)用自動化檢測是產(chǎn)業(yè)升級的迫切要求，是產(chǎn)業(yè)變革的大趨勢。

　　二、 目前的檢測技術(shù)和手段

　　對于永磁材料性能的準(zhǔn)確測量，目前常用的有永磁測量裝置（永磁B-H磁滯回線儀）、永磁脈沖磁滯回線儀。

圖1 永磁測量裝置（永磁B-H磁滯回線儀）

圖2永磁脈沖B-H磁滯回線儀

　　這類儀器可以測量永磁材料的磁滯回線和退磁曲線，準(zhǔn)確測量剩磁Br、矯頑力Hcb、內(nèi)稟矯頑力Hcj和最大能積(BH)max等磁特性參數(shù)。兩者區(qū)別在于測量原理和測量范圍的不同。永磁測量裝置采用電磁鐵閉路測量，用于一般永磁材料和HCJ<3T稀土小樣測量，其能提供的較大磁場一般限制在3.2T以內(nèi)。除了受制于電磁鐵所能產(chǎn)生的較大磁場，還由于電磁鐵在高磁場條件下的極頭飽和破壞了永磁體和電磁鐵形成閉合回路這一前提，樣品內(nèi)部產(chǎn)生退磁場，造成退磁曲線失真，因此測量高矯頑力永磁材料（HCJ>2T時）時誤差增大。永磁脈沖B-H磁滯回線儀采用開路測量，其能提供的較大磁場能夠達(dá)到10T，覆蓋了目前永磁材料的測量，能夠測量出高矯頑力稀土永磁材料的磁滯回線（對稀土永磁，永磁測量裝置只能測出退磁曲線）。它采用大容量電容對線圈放電產(chǎn)生強(qiáng)磁場，時間短，磁場高，正負(fù)的強(qiáng)脈沖磁場使用磁體沿飽和磁滯回線完成掃描一周。測量過程中樣品內(nèi)部會產(chǎn)生渦流退磁場，另外樣品為開路狀態(tài)，內(nèi)部也有退磁場，磁場存在時間短磁體存在磁滯等，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行渦流修正、退磁場修正、磁滯修正，才能得出正確結(jié)果。圖3是一組永磁脈沖B-H磁滯回線儀的測量高矯頑力永磁材料的結(jié)果。

圖3

　　此類儀器對測量環(huán)境要求較高，操作過程較復(fù)雜，測量一次的時間較長（一般為一分鐘或更長），適合于材料研究和抽檢的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。

　　工業(yè)現(xiàn)場磁檢測使用較多一種儀器是高斯計(jì)。它利用霍爾傳感器測量磁體或磁部件某一個點(diǎn)的磁場，見圖4。

圖4

　　具體測量時用高斯計(jì)探頭直接測量磁體某點(diǎn)或離磁體某點(diǎn)一定距離的磁場強(qiáng)度。其優(yōu)點(diǎn)是使用方便，快速，可現(xiàn)場測量。缺點(diǎn)是測量結(jié)果重復(fù)性差，使用不同的高斯計(jì)測量結(jié)果不同。這是由于磁體（或組件）開路時，其周圍的磁場為非均勻場，不同點(diǎn)的磁場差異非常大。探頭制造時不同廠家的安裝位置不同造成了霍爾傳感器中心感應(yīng)部分的位置差異，導(dǎo)致測量的是不同位置的磁場。即使是同一個人用同一臺高斯計(jì)測量同一磁體的同一位置，實(shí)際上也難以保障嚴(yán)格意義的同一位置，同時磁場與探頭中心感應(yīng)部分的角度偏差，也會導(dǎo)致測量結(jié)果重復(fù)性差。因此，高斯計(jì)可用于定性而非定量測量，在要求比較高如要分別差異不大的磁體時則無法勝任。

　　對于上述方法缺陷，一種改進(jìn)的測試方法為采用軟磁材料作夾具和永磁體構(gòu)成一個帶氣隙的回路，在氣隙處產(chǎn)生一個均勻磁場，此磁場的大小和磁體性能相關(guān)，其原理本質(zhì)上講和磁通計(jì)類似，軟磁材料做成的夾具在和磁體接觸時收集磁體的磁通并將其轉(zhuǎn)化為一個相關(guān)的均勻磁場。測量的結(jié)果反映的一定區(qū)域或整個磁體的磁通量。

圖5

　　用高斯計(jì)測量氣隙磁場即可間接測量磁體性能。測量結(jié)果與儀器廠家和探頭無關(guān)，測量結(jié)果重復(fù)性好。但夾具須針對特定磁體或部件制備，通用性不高。

　　在測量永磁體的方法中，一種比較好的便捷方法是測量永磁體的磁通量。采用磁通計(jì)和測量線圈（測量夾具）可以測量一定區(qū)域的平均磁場強(qiáng)度或磁通量。它克服了高斯計(jì)高場情況下的非線性性，和高斯計(jì)比較更具優(yōu)越性。

圖6

　　根據(jù)不同磁體選用合適的測量線圈，可以得到一致性非常好的測量結(jié)果。對于兩極充磁的磁體，采用合適大小的亥姆霍茲線圈（Helmholtz coil）測量磁體的磁通或磁矩，其復(fù)現(xiàn)性可以控制在0.2%以內(nèi)，且與操作人員無關(guān)。測量過程非常便捷，測量結(jié)果與磁體性能（與B-H磁滯回線儀的結(jié)果）直接相關(guān)。對于多極磁體可設(shè)計(jì)相應(yīng)夾具即可實(shí)現(xiàn)。它不僅可實(shí)現(xiàn)定性測量，而且可以實(shí)現(xiàn)定量測量，可以通過規(guī)定磁體的磁矩?cái)?shù)據(jù)在磁體生產(chǎn)廠家和磁體應(yīng)用廠家來統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)品質(zhì)一致性保障。但要達(dá)此目的，磁通計(jì)選擇非常重要。磁通計(jì)雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但有一個很大的問題是零點(diǎn)飄移。它不僅影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，而且影響測量的便捷性。普通的磁通計(jì)在調(diào)好零點(diǎn)飄移后使用一段時間又會產(chǎn)生很大的漂移，需要重新調(diào)整零點(diǎn)飄移，否則無法使用。零點(diǎn)飄移的調(diào)整是一件費(fèi)時費(fèi)力的事，這是制約磁通計(jì)廣泛使用的一個重要因素。但高品質(zhì)的磁通計(jì)具有漂移自動調(diào)整和漂移智能抑制功能，使這個曾經(jīng)對使用者造成了嚴(yán)重困擾的問題不復(fù)存在。同時高品質(zhì)的磁通計(jì)還具有線圈自動識別和線圈參數(shù)自動調(diào)入，磁通、磁矩、磁場、磁勢等物理量自動換算，用戶只需測量時選擇相應(yīng)的單位即可。其使用便捷性比高斯計(jì)更勝一籌。因此在工業(yè)磁體和部件的自動化測量中，廣泛采用高品質(zhì)磁通計(jì)。

　　三、 工業(yè)化智能化磁檢測技術(shù)及設(shè)備

　　2015年6月，李克強(qiáng)總理提出了新形勢下實(shí)施“中國制造2025”， 推動工業(yè)化和信息化融合，實(shí)現(xiàn)中國由制造大國走向制造強(qiáng)國的宏偉目標(biāo)。

　　在此背景下，工業(yè)化、智能化檢測設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。它由計(jì)算機(jī)硬件（包括嵌入式單片機(jī)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)）、自動化軟件（工業(yè)控制軟件，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件，數(shù)據(jù)庫軟件，數(shù)據(jù)分析軟件等）、數(shù)據(jù)采集（各種傳感器和檢測設(shè)備如高斯計(jì)磁通計(jì)等）、數(shù)據(jù)存儲（存儲器等）、數(shù)據(jù)傳輸（工業(yè)以太網(wǎng)等）、執(zhí)行部件（智能機(jī)器人、傳動設(shè)備等）等組成?？梢詫?shí)現(xiàn)磁體（組件）自動檢測、分選，通過網(wǎng)線接入企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程儀器授權(quán)管理、生產(chǎn)過程管理、數(shù)據(jù)上傳、統(tǒng)計(jì)分析等，準(zhǔn)確、快速、可靠是工業(yè)化在線檢測的一個基本要求。

　　工業(yè)磁體自動化檢測設(shè)備的基礎(chǔ)儀器為高斯計(jì)、磁通計(jì)、線圈（或亥姆霍茲線圈），高斯計(jì)主要用于磁體周圍空間的點(diǎn)磁場波形測量，磁通計(jì)和線圈用于測量一定區(qū)域的磁場波形（面磁場波形）或整個磁體的磁通（或磁矩）。除了考慮相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)外，在工業(yè)化在線檢測中，系統(tǒng)異常處理機(jī)制和系統(tǒng)集成時抗干擾能力尤其需要仔細(xì)考慮。這些隱性的東西是用戶看不到的，但往往決定了用戶對系統(tǒng)使用的滿意度。

　　下面介紹幾款工業(yè)磁體自動化檢測設(shè)備，它實(shí)現(xiàn)的功能包括了樣品條碼讀入、自動稱重、自動噴碼、自動檢測、自動分選、自動數(shù)據(jù)管理，自動檢測項(xiàng)目涵蓋了磁通檢測、磁體極性檢測、磁場波形檢測、磁部件安裝位置檢測等，設(shè)備具有上位機(jī)管理軟件，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)管理，并能接入企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)(MES)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的實(shí)時在線全程管控。

　　CIM-3117RMT表磁測試儀

　　CIM-3117RMT為某新能源電機(jī)轉(zhuǎn)子在線檢測設(shè)備，其內(nèi)部集成了高斯計(jì)和磁通計(jì)，利用高斯計(jì)測量表磁，磁通計(jì)測量磁通。實(shí)現(xiàn)多路磁場波形和一路磁通檢測。設(shè)備可接入企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

圖7

　　設(shè)備可檢測包括每個磁極的峰值、角度、面積、寬度和半高寬。自動判斷磁環(huán)的極數(shù)與磁極的極性，并對測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算每一個參數(shù)的至大值、至小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差等，可繪制X-Y 曲線圖和極坐標(biāo)曲線圖。

CIM-3100PMD永磁材料快速測量裝置

圖8

　　CIM-3100PMD永磁材料快速測量裝置是利用釹鐵硼永磁材料的退磁曲線為直線的特性，通過測量磁體磁矩和開路工作點(diǎn)，從而測量出永磁材料剩磁Br、矯頑力Hcb以及較大磁能積BHm的自動化測量裝置，樣品形狀可以長方體、圓柱體和瓦型等，測試前需飽和充磁，效率：5秒/件，適合釹鐵硼磁瓦、異型釹鐵硼永磁、大尺寸釹鐵硼樣品的全儉或抽檢。

CIM-3510磁通自動檢測裝置

圖9

被檢樣品為尺寸小的釹鐵硼永磁，通過測量樣品磁通實(shí)現(xiàn)品質(zhì)控制。由于信號小，磁通計(jì)漂移影響較大，樣品放置位置影響較大，手工測量時，重復(fù)性差，難測并且測量效果不佳。CIM-3510磁通自動測量裝置采用 LZ-840磁通計(jì)+亥姆霍茲線圈檢測磁通信號，設(shè)備還包括樣品定位治具、傳送機(jī)構(gòu)、位置檢測裝置、分選機(jī)構(gòu)、及控制系統(tǒng)。由于采用定位治具及傳感器檢測定位和氣動上料，同一樣片的測量重復(fù)性為0.3%。檢測測速度約1pcs/3S。

CIM-3520磁體自動檢測裝置

圖10

　　被檢樣品用于智能手機(jī)，檢測項(xiàng)目有磁通檢測，極性檢測，磁體安裝位置檢測等。設(shè)備采用手動上下料盤，機(jī)器人自動取料，檢測，空盤報(bào)警，同時具有數(shù)據(jù)存儲及查詢功能。采用雙檢測線圈交替檢測，節(jié)省機(jī)器人等待時間。檢測效率為1pcs/5S。樣品體積小，磁體按規(guī)定極性安裝在兩邊高度相差1.3mmU型凹槽中，如果磁體極性反了，需要全部作為廢品選出。以前無法檢測，合格率全部依賴機(jī)器，實(shí)際到達(dá)指標(biāo)是一萬個中有三到五個次品，采用自動檢測儀器后，這項(xiàng)指標(biāo)幾乎可以所有合格。

CIM-3530磁體自動檢測裝置

圖11

　　被檢樣品用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)，體積大，樣品吸力強(qiáng)，操作過程否則稍有不慎就可能發(fā)生安全事故。因此產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，對檢測過程的位置監(jiān)控、各個環(huán)節(jié)的異常處理機(jī)制都作了充分考慮。功能包括樣品分離、磁通檢測、極性檢測、噴碼、樣品分選、異常控制、數(shù)據(jù)管理等。磁通檢測采用LZ-840磁通計(jì)，同一樣片的磁通測量重復(fù)性在0.2%以內(nèi)。測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，靈敏度高。在測量過程中，如果樣品溫度變化1度，馬上可以通過測量結(jié)果反映出來。檢測速度檢測效率為1pcs/5S。數(shù)據(jù)通訊、管理通過工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，可接入企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)管理系統(tǒng)。主工作過程圖12所示。

圖12

　　四、 結(jié)語

　　永磁體及部件的在線自動化檢測，代表了當(dāng)今工業(yè)磁性檢測的趨勢。它解決了產(chǎn)品全儉時傳統(tǒng)人工檢測的瓶頸，無論是檢測精度、檢測效率、安全以及成本費(fèi)用等方面都體現(xiàn)出了優(yōu)越性。

　　參考文獻(xiàn)

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