CN111948587A - 一种高温度稳定型磁共振传感器磁体结构及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁共振检测技术领域，涉及一种高温度稳定型磁共振传感器磁体结构及测量装置，包括一块导磁基底、分别放置在导磁基底四角处的主磁体以及对应放置在每块主磁体外侧的温度补偿块，纵向缝隙两侧的主磁体为反向充磁且充磁方向与下方导磁基底垂直，每块主磁体外侧的温度补偿块与该主磁体充磁方向相反，导磁基底将纵向缝隙两侧的主磁体联通，起到增强主磁体上部静态梯度磁场的目的，温度补偿块用于弥补温度升高带来主磁体上部静态梯度磁场的偏离，解决了目前绝缘材料老化状态单边磁共振检测缺少一种具有高温度稳定性的磁体结构，导致待检测绝缘材料的位置与实际检测位置不符，造成测量误差的问题。
Description
技术领域
本发明属于磁共振检测技术领域，涉及一种高温度稳定型磁共振传感器磁体结构及测量装置，尤其涉及一种用于绝缘材料老化检测的高温度稳定型磁共振传感器磁体结构及测量装置。
背景技术
复合绝缘材料(如硅橡胶复合绝缘子等)在电网的投入使用过程中会由表及里发生不同程度的老化，使得材料整体的电气绝缘性能降低。磁共振检测法通过测量并分析待测区域上绝缘材料的磁共振信号，可以实现对绝缘材料老化程度的现场定量无损检测，在电力系统绝缘材料老化检测中具有极大的应用价值。
单边磁共振传感器中的主磁体在待测区域上产生具有一定强度和梯度的静态磁场B0，是磁共振技术检测绝缘材料指定层面老化程度的基础。但是，环境温度的升高会使得磁畴内的磁矩发生扰动，从而降低主磁体的剩磁和矫顽力，进一步显著降低原有待测区域上的静态磁场强度，在磁共振传感器系统激励频率ω不变的情况下，根据拉莫尔公式ω＝γB0，激励频率所对应的实际待测区域位置发生改变，导致希望检测绝缘材料的位置与实际检测位置不符，造成测量误差。总的来说，环境温度的变化严重影响了单边磁共振传感器在待测区域静态磁场强度的稳定性，而目前绝缘材料老化状态单边磁共振检测缺少一种具有高温度稳定性的磁体结构。本专利提出一种用于绝缘材料老化检测的高温度稳定型磁共振传感器磁体结构及测量装置，有望填补这一空白。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决目前绝缘材料老化状态单边磁共振检测缺少一种具有高温度稳定性的磁体结构，导致待检测绝缘材料的位置与实际检测位置不符，造成测量误差的问题，提供一种高温度稳定型磁共振传感器磁体结构及测量装置。
为达到上述目的，本发明提供一种高温度稳定型磁共振传感器磁体结构，包括一块导磁基底、分别放置在导磁基底四角处的主磁体以及对应放置在每块主磁体外侧的温度补偿块，纵向缝隙两侧的主磁体为反向充磁且充磁方向与下方导磁基底垂直，每块主磁体外侧的温度补偿块与该主磁体充磁方向相反，导磁基底将纵向缝隙两侧的主磁体联通，起到增强主磁体上部静态梯度磁场的目的，温度补偿块用于弥补温度升高带来主磁体上部静态梯度磁场的偏离。
本基础方案的有益效果在于：纵向缝隙两侧的一对主磁体充磁方向相反使得其产生的静态梯度磁场联通，主磁体上部静态梯度磁场得到加强。两对主磁体在导磁基底上均产生的静态梯度磁场方向相同，进一步加强主磁体上部静态梯度磁场。静态梯度磁场的垂直方向为该磁体结构测量装置所需要的静态梯度磁场。温度补偿块随温度磁场强度变化比较大，能够弥补温度升高带来主磁体上部静态梯度磁场的衰减。
进一步，四块主磁体为几何尺寸完全相同且中心对称的立方体状钐钴主磁体，四块主磁体呈U字型分布。有益效果：主磁体的几何尺寸完全相同使得导磁基底上产生的静态梯度磁场加强效果好。
进一步，温度补偿块为负磁导率温度系数或者剩磁温度系数远大于钐钴主磁体的材料。有益效果：负磁导率温度系数或者剩磁温度系数远大于钐钴主磁体的材料有助于主磁体上部静态梯度磁场的稳定性。
进一步，温度补偿块为负磁导率温度系数的铁或者剩磁温度系数远大于钐钴主磁体的钕铁硼。有益效果：负磁导率温度系数的铁或者剩磁温度系数远大于钐钴主磁体的钕铁硼有助于主磁体上部静态梯度磁场的稳定性。
进一步，导磁基底为铁质基底。有益效果：铁质基底能够为整个主磁体的联通提供磁场通道，使磁能被充分利用。
进一步，导磁基底为长方体状的铁扼且完全覆盖主磁体和温度补偿块的底部。有益效果：完全覆盖主磁体和温度补偿块底部的导磁基底便于为整个主磁体的联通提供磁场通道，使磁能被充分利用。
一种基于高温度稳定型磁共振传感器磁体结构的测量装置，包括射频单元和以上任一可选方案所述的磁体结构，其中磁体结构用于对复合绝缘子的待测区域产生均匀磁场，极化复合绝缘子的待测区域；射频单元用于向复合绝缘子的待测区域发射射频脉冲磁场，激发复合绝缘子的待测区域被极化的原子，并接受和采集所产生的磁共振信号，便于根据磁共振信号分析复合绝缘子待测区域的老化程度。
进一步，磁体结构外套装有铝合金固定框。有益效果：铝合金固定框用于放置磁体结构。
本发明的有益效果在于：
现有单边磁共振测量装置中主磁体结构设计重点关注于待测区域静态磁场的均匀性，忽略了环境温度变化对待测区域静态磁场强度的影响。当测量的环境温度升高时，实际检测的复合绝缘材料层面距离材料表面的距离与设定距离存在误差，造成对复合绝缘材料的老化状态评估存在偏差。本发明所公开的高温度稳定型磁共振传感器磁体结构，利用温度补偿材料来补偿环境温度变化导致的待测区域上静态磁场强度的偏离，使得静态主磁场强度在待测区域具有更低的温度系数，即更高的温度稳定性，最终实现了单边磁共振传感器在不同温度下准确测量复合绝缘材料指定层面的老化状态，结构简单且适用性强。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为基于本发明高温度稳定型磁共振传感器磁体结构的测量装置测量复合绝缘子的结构示意图；
图2为本发明高温度稳定型磁共振传感器磁体结构的结构示意图；
图3为本发明高温度稳定型磁共振传感器磁体结构中使用磁导率温度系数为负的铁作为温度补偿材料的整体原理图；
图4为本发明高温度稳定型磁共振传感器磁体结构中使用剩磁温度系数远大于钐钴主磁体的钕铁硼作为温度补偿材料的整体原理图。
附图标记：铁扼1、钐钴主磁体I2、钐钴主磁体II3、钐钴主磁体III4、钐钴主磁体IV5、温度补偿块I6、温度补偿块II7、温度补偿块III8、温度补偿块IV9、复合绝缘子10、固定框11、磁体结构12。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图2所示的一种高温度稳定型磁共振传感器磁体结构，包括一块导磁基底、分别放置在导磁基底四角处的主磁体以及对应放置在每块主磁体外侧的温度补偿块，导磁基底为长方体状的铁扼1且完全覆盖主磁体和温度补偿块的底部。完全覆盖主磁体和温度补偿块底部的铁扼1便于为整个主磁体的联通提供磁场通道，使磁能被充分利用，其厚度在能达到所要求导磁作用的同时，还需要结合所检测的绝缘材料外形和尺寸设定。四块主磁体为几何尺寸完全相同且中心对称的立方体状钐钴主磁体，四块主磁体呈U字型分布。主磁体的几何尺寸完全相同使得铁扼1上产生的静态梯度磁场加强效果好。
纵向缝隙两侧的主磁体为反向充磁且充磁方向与下方铁扼1垂直，每块主磁体外侧的温度补偿块与该主磁体充磁方向相反，铁扼1将纵向缝隙两侧的主磁体联通，起到增强主磁体上部静态梯度磁场的目的，温度补偿块用于弥补温度升高带来主磁体上部静态梯度磁场的偏离。温度补偿块为负磁导率温度系数的铁或者剩磁温度系数远大于钐钴主磁体的钕铁硼。负磁导率温度系数的铁或者剩磁温度系数远大于钐钴主磁体的钕铁硼有助于主磁体上部静态梯度磁场的稳定性。
具体的，铁扼1四角处的钐钴主磁体逆时针依次为钐钴主磁体I2、钐钴主磁体II3、钐钴主磁体III4、钐钴主磁体IV5，钐钴主磁体I2、钐钴主磁体II3为一组，钐钴主磁体III4、钐钴主磁体IV5为一组。左侧的钐钴主磁体II3、钐钴主磁体III4上端为S极，下端为N极，充磁方向沿-z轴，右侧的钐钴主磁体I2、钐钴主磁体IV5上端为N级，下端为S级，即充磁方向沿+z轴。两组主磁体在复合绝缘子10的待测区域上均产生水平沿-y轴的静态梯度磁场，静态梯度磁场的梯度方向为沿+z轴方向，由此构成单边磁共振测量装置所需要的静态梯度磁场。
每个立方体状的温度补偿块均放置在对应钐钴主磁体外侧，四个温度补偿块几何尺寸完全相同，中心对称且呈U字型分布；依次为与钐钴主磁体I2对应的温度补偿块I6、与钐钴主磁体II3对应的温度补偿块II7、与钐钴主磁体III4对应的温度补偿块III8和与钐钴主磁体IV5对应的温度补偿块IV9。其钐钴主磁体与对应的温度补偿块的充磁方向相反。
温度补偿块可以是具有负磁导率温度系数的材料，例如铁，此时当温度升高时，钐钴磁体剩磁降低，导致复合绝缘子10的待测区域上水平静态磁场强度降低，但是因为铁的磁导率也在降低，导磁性能降低，对紧邻钐钴主磁体产生磁场的引导能力降低，相当于释放了一部分钐钴主磁块产生的磁场到待测区域，由此弥补了温度升高带来的待测区域水平静态磁场强度的减小，环境温度降低的情况与之相反。铁在不同温度下对磁场的吸引能力的变化，使得整个磁体系统在不同温度下保持了待测区域水平静态磁场强度的稳定性；温度补偿材料也可以是具有比钐钴主磁体的剩磁温度系数大得多的材料，例如钕铁硼(NdFeB)，钕铁硼磁体由两对充磁方向分别反向平行的立方体钕铁硼磁块构成，每个钕铁硼磁块与紧邻的钐钴磁块的充磁方向恰好相反，例如紧邻钐钴磁块上端为S级，下端为N级，处于其外侧的钕铁硼磁块上端为N级，下端为S级，其中一对剩磁温度系数较小的钐钴主磁体在待测区域产生水平向左的静态主磁场，处于其外侧且剩磁温度系数较大的钕铁硼磁块则在待测区域产生水平向右的静态温度补偿磁场，待测区域整体静态磁场方向向左；随着温度的升高，待测区域和钕铁硼磁体在待测区域产生的磁场强度均变小，当两种磁场强度的减小量相同时，待测区域总的向左的静态磁场强度在温度变化前后相同，温度上高的情况与之相反，最终具有较大剩磁温度系数的钕铁硼使得整个磁体系统在不同温度下保持了待测区域水平静态磁场强度的稳定性。
该基于高温度稳定型磁共振传感器磁体结构的测量装置，包括射频单元和上述磁体结构12，其中磁体结构12用于对复合绝缘子10的待测区域产生均匀磁场，极化复合绝缘子10的待测区域；射频单元用于向复合绝缘子10的待测区域发射射频脉冲磁场，激发复合绝缘子10的待测区域被极化的原子，并接受和采集所产生的磁共振信号，沿z轴改变待测区域在绝缘材料上的位置，根据磁共振信号分析复合绝缘子10待测区域的老化程度，待测区域距离磁体结构12上表面的距离根据实际需要设定。
如图1所示基于高温度稳定型磁共振传感器磁体结构12的测量装置测量复合绝缘子10的结构示意图，将磁体结构12外套装有铝合金固定框11并在磁体结构12上部安装射频单元，将放置磁体结构12的铝合金固定框11紧贴在复合绝缘子10伞裙表面，磁体结构12是该测量装置的核心部件，磁体结构12用于在距离伞裙表面指定深度内的待测区域4上产生静态梯度磁场，通过检测并分析待测区域上绝缘材料的磁共振信号，实现对复合绝缘子10指定深度处老化状态的检测。
图3为高温度稳定型磁共振传感器磁体结构12中使用磁导率温度系数为负的铁作为温度补偿材料的整体原理图；图3是图2的正视图，在温度为T1时，设钐钴主磁体IV5从上表面出来的磁场总和为B，产生的磁场一部分B1与钐钴主磁体III4形成闭合磁路，并在磁体系统正上方的待测区域上产生水平静态梯度磁场；由于磁导率为μ的铁温度补偿块IV9(铁)具有高导磁性，因此钐钴主磁体IV5中的另一部分磁场B2则经由铁形成回路，可简写为B1＝B-B2。当环境温度升高到T2时，钐钴主磁体III4、钐钴主磁体IV5的剩磁和矫顽力降低，B减小，与此同时，由于温度升高使得铁的磁导率μ降低，导磁性能降低，磁块中通过铁的磁场变少，即B2减小。选用合适的钐钴主磁体和铁的构成参数和几何尺寸，使得B的减小量与B2的减少量相同，即B1c＝(B-ΔB)-(B2-ΔB2)＝B1。也可以理解为环境温度升高，使得磁块中通过待测区域的磁场比重增加，以此弥补了磁体本身剩磁降低带来待测区域磁场强度的降低，最终使得整个磁体系统在待测区域具有静态磁场高温度稳定性。
图4为高温度稳定型磁共振传感器磁体结构12中使用剩磁温度系数远大于钐钴主磁体的钕铁硼作为温度补偿材料的整体原理图。a表示钐钴主磁体单独作用时在待测区域产生的静态磁场B1，方向向左；b表示钕铁硼磁体单独作用时在待测区域产生的静态磁场B2，方向向右。当两种磁体组合到一起，且钕铁硼磁块位于钐钴磁块外侧时，见图c，钐钴主磁体在待测区域上的磁场场强较强，是磁体系统中的主磁体；钕铁硼的磁场温度稳定性较差，是磁体磁通中的温度补偿快，待测区域静态磁场为B0＝B1-B2。随着温度的上升，两种磁体的性能都有不同程度的降低，由于补偿磁体温度稳定性比主磁体差，B2降低快于B1，此时B0c＝(B1-ΔB1)-(B2-ΔB2)。可以看出，当选用合适的钐钴主磁体和钕铁硼的构成参数和几何尺寸，温度变化对两种磁体在待测区域产生的磁场改变量ΔB1＝ΔB2时，B0＝B0c，即待测区域磁场强度不变。因此，通过两种磁体配合使用，可以利用它们不同的温度稳定性，改变两种磁体比例，达到提高磁体结构12温度稳定性的目的。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种高温度稳定型磁共振传感器磁体结构，其特征在于，包括一块导磁基底、分别放置在导磁基底四角处的主磁体以及对应放置在每块主磁体外侧的温度补偿块，纵向缝隙两侧的主磁体为反向充磁且充磁方向与下方导磁基底垂直，每块主磁体外侧的温度补偿块与该主磁体充磁方向相反，导磁基底将纵向缝隙两侧的主磁体联通，起到增强主磁体上部静态梯度磁场的目的，温度补偿块用于弥补温度升高带来主磁体上部静态梯度磁场的衰减。
2.如权利要求1所述的高温度稳定型磁共振传感器磁体结构，其特征在于，四块主磁体为几何尺寸完全相同且中心对称的立方体状钐钴主磁体，四块主磁体呈U字型分布。
3.如权利要求1所述的高温度稳定型磁共振传感器磁体结构，其特征在于，所述温度补偿块为负磁导率温度系数或者剩磁温度系数大于钐钴主磁体的材料。
4.如权利要求1所述的高温度稳定型磁共振传感器磁体结构，其特征在于，所述温度补偿块为负磁导率温度系数的铁或者剩磁温度系数大于钐钴主磁体的钕铁硼。
5.如权利要求1所述的高温度稳定型磁共振传感器磁体结构，其特征在于，所述导磁基底为铁质基底。
6.如权利要求1所述的高温度稳定型磁共振传感器磁体结构，其特征在于，所述导磁基底为长方体状的铁扼且完全覆盖主磁体和温度补偿块的底部。
7.一种基于高温度稳定型磁共振传感器磁体结构的测量装置，其特征在于，包括射频单元和如权利要求1～6任一所述的磁体结构，其中磁体结构用于对复合绝缘子的待测区域产生均匀磁场，极化复合绝缘子的待测区域；射频单元用于向复合绝缘子的待测区域发射射频脉冲磁场，激发复合绝缘子的待测区域被极化的原子，并接受和采集所产生的磁共振信号，便于根据磁共振信号分析复合绝缘子待测区域的老化程度。
8.如权利要求7所述的高温度稳定型磁共振传感器磁体结构，其特征在于，所述磁体结构外套装有铝合金固定框。
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