一种通过磁滞回线进行材料磁学性能的测定方法
阅读说明：本技术 一种通过磁滞回线进行材料磁学性能的测定方法 (Method for measuring magnetic performance of material through hysteresis loop ) 是由 唐笑年 易维云 苏清萍 李竹 邓子豪 张昊雯 吴豪 王崇柏 王赞昆 朱柏荣 戴奇 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种通过磁滞回线进行材料磁学性能的测定方法,包括以下步骤：测定之前测量并记录一定时间内的空载数据,对测定装置进行标定,开始正式实验,得到该待测试样相应的磁滞回线数据,通过图像处理方法将被测图像与库图像进行识别对比,从而分析出被测材料的磁学性能。本发明提供的检测方法主要分析过程依靠计算机的分析算法,成本较低,所采用的检测装置结构简单,造价低,操作方便；本发明可以对不完整的曲线进行分析,同时本发明针对试样的磁滞回线不仅能分析它的各种性能参数,还会根据这些参数对物质的材料进行判断,判断所测物质中是否含有杂质,测试速度快,效率高,准确率高。(The invention relates to a method for measuring the magnetic performance of a material through a hysteresis loop, which comprises the following steps: measuring and recording no-load data within a certain time before measurement, calibrating a measuring device, starting a formal experiment to obtain the corresponding hysteresis loop data of the sample to be measured, and identifying and comparing the measured image with the library image by an image processing method so as to analyze the magnetic performance of the measured material. The detection method provided by the invention mainly depends on the analysis algorithm of a computer in the analysis process, the cost is lower, and the adopted detection device has the advantages of simple structure, low manufacturing cost and convenient operation; the invention can analyze the incomplete curve, and simultaneously, the invention can not only analyze various performance parameters of the sample aiming at the hysteresis loop of the sample, but also judge the material of the substance according to the parameters to judge whether the substance contains impurities, and has the advantages of high testing speed, high efficiency and high accuracy.)
技术领域
本发明涉及一种磁学性能的测定方法，特别是涉及一种通过磁滞回线进行材料磁学性能的测定方法。
背景技术
目前，磁滞回线常用测量仪器型号有AMH-4020磁滞回线测量仪，DH4516磁滞回线试验仪等，这些仪器普遍较为复杂，操作不够直观简便，需要人工操作的步骤较多，用复杂的实验装置来排除干扰，制动化程度低，测试速度慢，准确率低，普及度不高。而目前我们在计算机技术和实验数据处理领域上都取得了较大的突破，可以结合相关技术，通过对数据进一步的处理，优化材料磁学性能的测定方法，而不是用复杂的实验装置来排除干扰，从而使用更加轻便的装置进行检测。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种通过磁滞回线进行材料磁学性能的测定方法，包括以下步骤：
对待测试样测定之前，启动测定装置，先不放待测试样，测量并记录一定时间内的空载数据，在正式实验中对实验数据产生的误差进行排除；
对测定装置进行标定，使用铁质标准试样进行测试，将理论与实验所得数据进行对比分析后，得出相应的修正系数，对测定装置数据进行修正，电磁铁对试样磁力方程如下：
其中：F为试样受到的磁力大小，μ0为真空磁导率；S0为试样被测面积，单位为m2；N为电磁铁励磁线圈的匝数，I为通过电磁铁线圈励磁电流，单位为A；L为气隙长度；
对测定装置进行标定后，将待测试样的被检测一面正对测定装置的电磁铁，放置在测定装置的试样支架上，此时电磁铁通过的电流为零，开始正式实验，对输入电磁铁的电流大小进行控制，使其从小到大逐渐变化，记录对待测试样的磁场强度及力传感器测得的相应变化数据，当数据到达峰值时，再控制电流由大变小，以此类推，得到该待测试样相应的磁滞回线数据；其中，磁场强度与电磁铁通过电流大小的关系为：
式中：H为磁场强度，单位为A/m；N为电磁铁励磁线圈的匝数；I为电磁铁励磁电流，单位为A；Le为待测试样的有效磁路长度，单位为m；
力传感器测得的力F’，首先减掉物体自身重力G0,得到真实磁力F，由于力传感器测量过程中噪音点较多，此处进行滑动加权平均滤波处理，公式如下：
滑动窗口步长定为3，权值定为w1＝0.25,w2＝0.5，w3＝0.25。去噪后，得到更为真实的磁力值；
由公式：
B＝μ0(M+H)
将F转换成磁化强度M，通过改变电流值I改变H值，对应不同磁化强度M值，画出实验曲线M-H；式中：B为被测试样和电磁铁之间的气隙中的磁感应强度，A0为气隙的截面积，ξ为修正系数，由对测定装置进行标定时获得；k为一个常量；
若M-H为直线，则可判定为非铁磁性物体，无需后面计算；若M-H为曲线，则进一步匹配：
采用计算机视觉中的opencv，把实验曲线作为待测图像kernel，已知的各种材质标准尺寸的磁滞回线作为模板，kernel与模板的窗口逐个匹配；具体实现步骤如下：
绘出待测试样M-H图像后，将图像灰度化处理，再设置阈值进行二值化处理，使图像“非黑即白”,轮廓清晰；
然后用cvFindCountours()绘出外轮廓，再用cvBoundingRect()外接矩形边界得出shape值，用shape值做为窗口矩阵大小；模板的处理事先已经进行了灰度化和二值化，用窗口框取区域；原图像作为kernel在模板上开始滑动，计算kernel与模板被图像覆盖的地方的相似程度，用cv2.TM_CCOEFF_NORMED函数相似度检测，相似度检测采用归一化相关系数：
式中：
R(x,y)为以点(x,y)为中心的窗口的归一化相关系数，分子为模板对其均值的相对值与图像对其均值的相对值的内积和,分母为归一化处理,当相关系数越接近1时越相关，相似程度越高；各个窗口的相关系数值构成一个新矩阵T*，用minMaxloc()函数得到T*的最大值和最小值，以及分别对应的窗口中心值位置；
该中心值(x,y)所对应的窗口即想在模板T中找到的区域，通过查看这区域对应的整条曲线属于哪个材质拥有的特征曲线，即可知道材质类别；通过该窗口起始点和最末端的斜率，根据公式
M＝xmH
求出物体检测前的磁化率和检测后的磁化率。
对测定装置进行标定的过程如下：
将铁质标准试样放在试样支架，计算机发出信号，使得流经电磁铁的电流由零开始逐渐变大，直到饱和，再由大变小，反向达到饱和，以此类推，记录该铁质标准试样的磁滞回线曲线。
本发明所述的测定装置包括底座、电磁铁、支撑柱、平行梁式力传感器、试样支架和控制系统，所述的电磁铁设在底座一端，支撑柱设在底座的另一端；平行梁式力传感器的一端与支撑柱顶端相连，另一端与试样支架相连，试样支架位于电磁铁上方；控制系统设在支撑柱上，控制系统包括控制器、开关、信号传输模块和电源模块，控制器设在支撑柱内，分别与电磁铁和平行梁式力传感器相连，开关、信号传输接模块和电源模块设在支撑柱表面，分别与控制器相连；信号传输模块与计算机相连，电源模块与电源相连。开关控制装置开启或关闭，控制器根据计算机指令调节流经电磁铁的电流，同时收集平行梁式力传感器的数据信号，信号传输模块将控制器与计算机相连接进行数据交互传输。
本发明的有益效果：
本发明提供的检测方法主要分析过程依靠计算机的分析算法，成本较低，所采用的检测装置结构简单，造价低，操作方便；与通常测磁滞回线的方式不同，若电磁铁无法到达材料饱和磁化强度所需的外磁场时，本发明也同样可以对不完整的曲线进行分析。同时本发明针对试样的磁滞回线不仅能分析它的各种性能参数，还会根据这些参数对物质的材料进行判断，判断所测物质中是否含有杂质，测试速度快，效率高，准确率高。
附图说明
图1为本发明测定装置结构示意图；
图2为本发明
具体实施方式
中三种噪音滤波方式的效果图；
1、底座 2、电磁铁 3、支撑柱 4、平行梁式力传感器
5、试样支架 6、开关 7、信号传输模块 8、电源模块。
具体实施方式
请参阅图1所示：
本发明提供一种通过磁滞回线进行材料磁学性能的测定方法，包括以下步骤：
对待测试样测定之前，启动测定装置，先不放待测试样，测量并记录一定时间内的空载数据，在正式实验中对实验数据产生的误差进行排除；
对测定装置进行标定，使用铁质标准试样进行测试，将铁质标准试样放在试样支架，计算机发出信号，使得流经电磁铁的电流由零开始逐渐变大，直到饱和，再由大变小，反向达到饱和，以此类推，记录该铁质标准试样的磁滞回线曲线；将理论与实验所得数据进行对比分析后，得出相应的修正系数，对测定装置数据进行修正，电磁铁对试样磁力方程如下：
其中：F为试样受到的磁力大小，μ0为真空磁导率；S0为试样被测面积，单位为m2；N为电磁铁励磁线圈的匝数，I为电磁铁线圈通过的励磁电流，单位为A；L为气隙长度；
对测定装置进行标定后，将待测试样的被检测一面正对测定装置的电磁铁，放置在测定装置的试样支架上，此时电磁铁通过的电流为零，开始正式实验，通过控制系统对输入电磁铁的电流大小进行控制，使其从小到大逐渐变化，记录对待测试样的磁场强度及力传感器测得的相应变化数据，当数据到达峰值时，再控制电流由大变小，以此类推，得到该待测试样相应的磁滞回线数据；其中，磁场强度与电磁铁通过电流大小的关系为：
式中：H为磁场强度，单位为A/m；N为电磁铁励磁线圈的匝数；I为电磁铁励磁电流，单位为A；Le为待测试样的有效磁路长度，单位为m；
本发明核心思路是将测得的F-H曲线转换成M-H曲线，即实验测得的磁滞回线，把已知的各种材质标准尺寸的磁滞回线作为模板，利用相关系数归一化做相似度检测，进行模板匹配，在模板里匹配到能使代价函数最小的窗口。从而测出待测物体是否为铁磁性物体，如果是铁磁性物体进一步确定为哪一种材质，该物体的磁化强度是多少。
由于铁磁性物体最本质的特点就是磁导率μ会随施加的磁场强度H改变，而非铁磁性物体的磁导率μ是常量。由下列公式：
B＝μ0(M+H) (1)
M＝χmH (2)
μr＝1+χm (3)
B＝μ0(1+χm)H＝μ0μrH＝μH (4)
此处B为磁感应强度，M为磁化强度，H为磁场强度，χm为磁化率，μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率，μ为磁导率。可以得出，铁磁性物体的磁滞回线本质上是在不同的磁场强度H时，磁化率增长或下降的趋势不同。而不同材质的物体，相同的磁场强度H，磁化率增长或下降的趋势也不同。即M-H图像斜率的变化趋势，有区别不同材质的能力。
平行梁式力传感器优势在于对力感受灵敏，测得的力F’，应首先减掉物体自身重力G0,得到真实磁力F，由于传感器测量过程中噪音点较多，需要进行滤波处理。滑动中值、滑动平均和滑动加权平均三种噪音滤波方式的效果如图2所示，可见滑动加权平均滤波效果最好。
此处进行滑动加权平均滤波处理，如公式(5)
滑动窗口步长定为3,权值定为w1＝0.25,w2＝0.5，w3＝0.25。去噪后，得到更为真实的磁力值。由公式(6)
B为被测试样和电磁铁之间的气隙中的磁感应强度，A0为气隙的截面积，本实施例中是被测试样的尺寸，而本装置已对被测试样行了尺寸限制，本实施例中为1cm*1cm*1mm,S＝1c㎡，ξ为修正系数。k为一个常量，也就是由于k受环境影响较大，在上述用铁质标准试样进行标定时，由实验值和理论值比对得到修正系数ξ。由公式(1)(6)将F转换成磁化强度M，而实验中通过改变电流值I就可以改变H值，对应不同磁化强度M值，可画出实验曲线M-H。
若M-H为直线，则可判定为非铁磁性物体，无需后面计算；若M-H为曲线，则进一步匹配；
由于待测试样不能确定被检测前的磁导率μ，也就是转化后的磁化强度M，所以不能简单地将实验图和模板图H值相同的点视为同一点。同时又因为不能保证给物体加磁能达到磁化饱和点。所以决定了本发明无从得到完整的磁滞回线，而是得到一个磁滞回线线中的某一段。
动态线性化不够精确，支持向量机和深度学习又需要大量的学习样本。于是，本发明采用计算机视觉中的opencv，把实验曲线作为待测图像kernel，已知的各种材质标准尺寸的磁滞回线作为模板，kernel与模板的窗口逐个匹配；具体实现步骤如下：
绘出待测试样M-H图像后，将图像灰度化处理，使图像各个像素点输出不是rgb三个通道值，而是灰度值，再设置阈值进行二值化处理，使图像“非黑即白”,轮廓清晰；
然后用cvFindCountours()绘出外轮廓，再用cvBoundingRect()外接矩形边界得出shape值，用shape值做为窗口矩阵大小；模板的处理事先已经进行了灰度化和二值化，用窗口框取区域；模板匹配和卷积原理很像，原图像作为kernel在模板上开始滑动，计算kernel与模板被kernel覆盖的地方的相似程度，用cv2.TM_CCOEFF_NORMED函数相似度检测，相似度检测采用归一化相关系数：
式中：
R(x,y)为以点(x,y)为中心的窗口的归一化相关系数，分子为模板对其均值的相对值与图像对其均值的相对值的内积和，分母为归一化处理，当相关系数越接近1时越相关，相似程度越高；各个窗口的相关系数值构成一个新矩阵T*，用minMaxloc()函数得到T*的最大值和最小值，以及分别对应的窗口中心值位置(x,y)；
该中心值(x,y)所对应的窗口即想在模板T中找到的区域，通过查看这区域对应的整条曲线属于哪个材质拥有的特征曲线，即可知道材质类别；通过该窗口起始点和最末端的斜率，根据公式(2)求出物体检测前的磁化率和检测后的磁化率，从而根据现有磁化率和自身实际需求做出适当的退磁或补磁。
可根据该试样实际应用所处的磁场环境，在计算机上进行磁场变化设计，可以通过调整电流大小，满足随时间不同的磁场变化，模拟试样处于实际应用时所受到的磁力，实际应用各个时间段的磁学性能等。
本发明所述的测定装置包括底座1、电磁铁2、支撑柱3、平行梁式力传感器4、试样支架5和控制系统，所述的电磁铁2设在底座1一端，支撑柱3设在底座1的另一端；平行梁式力传感器4的一端与支撑柱3顶端相连，另一端与试样支架5相连，试样支架5位于电磁铁2上方；控制系统设在支撑柱3上，控制系统包括控制器、开关6、信号传输模块7和电源模块8，控制器设在支撑柱3内，分别与电磁铁2和平行梁式力传感器4相连，开关6、信号传输接模块7和电源模块8设在支撑柱3表面，分别与控制器相连；信号传输模块7与计算机相连，电源模块8与电源相连。开关6控制装置开启或关闭，控制器根据计算机指令调节流经电磁铁2的电流，同时收集平行梁式力传感器4的数据信号，信号传输模块7将控制器与计算机相连接进行数据交互传输。
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