电磁测量课件第九章.ppt

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1、电磁测量课件第九章现在学习的是第1页，共52页 最早的磁场探测器已有2000多年的历史，通过感应地球磁场辨识方向或为舰船导航。随着磁学和电学的发展，特别是磁学与电学之间相互关联现象和规律的发现和应用，使磁性测量技术得到迅速的发展，逐渐成为电磁测量技术的重要组成部分。磁性测量技术主要包括三个方面的内容：1.磁场和磁性材料的测量；(宏观)2.分析物质的磁结构，观察物质在磁场中的各种磁性效应；(微观)3.非磁量的磁测量。（边缘）本章主要介绍磁场和磁性材料的基本测量原理和测量方法。现在学习的是第2页，共52页 第一节 磁性测量的基本知识 一、磁感应强度和磁通一、磁感应强度和磁通 1磁感应强度磁感应强度

2、 磁感应强度是描述磁场性质和强弱的物理量，它是一个矢磁感应强度是描述磁场性质和强弱的物理量，它是一个矢量，用量，用B 表示，表示，B 的大小表示该点磁场的强弱，磁场中某点的的大小表示该点磁场的强弱，磁场中某点的方向表示该磁场的方向。方向表示该磁场的方向。国际单位制单位是韦伯国际单位制单位是韦伯/米米(Wb/m2)，电磁单位制单位是高斯（电磁单位制单位是高斯（GS）。）。2磁通（量）磁通（量）磁感应强度矢量沿一个面的面积分称为穿过面的磁通量。磁感应强度矢量沿一个面的面积分称为穿过面的磁通量。现在学习的是第3页，共52页 二、磁场强度及安培环路定律 1磁场强度 磁场强度是为了便于分析磁场和电流的关

3、系而引入的一个物理量，它也是一个矢量，用H 表示。国际单位制单位是安培/米（A/m），电磁单位制单位是奥斯特（Oe）。磁场强度与磁感应强度的关系为磁介质的磁导率，单位是亨利/米（H/m），它的大小取决于磁介质的性质，真空的磁导率为现在学习的是第4页，共52页2安培环路定律 在磁场中，矢量沿任何闭合曲线的线积分，等于包围在闭合曲线内各电流的代数和，称为安培环路定律，用公式表示为三、磁场的边界条件两种物质分界面两侧磁感应强度的法线分量相等两种物质分界面两侧磁场强度的切线分量相等现在学习的是第5页，共52页 四、电磁感应 1电磁感应定律 不论任何原因使回路的磁通发生变化时，回路中产生的感应电动势为

4、2均匀磁场中转动线圈中的感应电动势演示现在学习的是第6页，共52页五、铁磁材料的磁特性五、铁磁材料的磁特性返回本章首页 铁磁材料在外磁场中磁化时，从原始状态逐渐增大磁化，得到非线性的原始磁化曲线，如图所示。当铁磁材料达到饱和后，再逐渐减小H，这一以去磁过程并不沿着原来的磁化曲线进行，而是沿着另一条曲线下降，如图所示。可见在同样的H下，去磁时的B要比磁化时的B大些，这种现象称为磁滞。当H降到零时，B不回到零，而保留一定的值，称为剩磁感应强度。如果使B降到零，必须在反方向增加外磁场，使B降到零的这个反向H称为矫顽磁场强度或矫顽力Hc，此后继续增加H 到-Hs，再去磁、磁化，得到一个磁滞回线，如图所

5、示。可见铁磁材料的和的关系不但是非线性的，而且磁化的情况与它以前的磁化历史有关。现在学习的是第7页，共52页 取不同强度的磁场进行反复磁化，可获得一系列大小不等的磁滞回线，如图所示，在第一象限连接各回线顶点的曲线叫基本磁化曲线，即通常所说的磁化曲线，它与原始磁化曲线无大差别，但性质不同，基本磁化曲线在工程技术中具有重要的实用价值。HBBsHs0 原始磁化曲线 磁滞回线 现在学习的是第8页，共52页第二节 空间磁场的测量 一、感应法一、感应法 感应法是测量交变磁场最常用的方法。将平面探测线圈感应法是测量交变磁场最常用的方法。将平面探测线圈置于被测磁场中，线圈平面与磁场垂直，则在线圈内产生的置于被

6、测磁场中，线圈平面与磁场垂直，则在线圈内产生的感应电动势为感应电动势为可在半周期内计算e 的平均值，有可得现在学习的是第9页，共52页 可以用整流式电压表测得的结果再除以正弦波的波形因数，即可得到Eav。如果在整个线圈平面上磁场均匀，则 这种方法适用于直流恒定磁场的测量。在被测磁场中的线圈匀速旋转，转轴与磁场方向垂直，则线圈中的感应电动势为正弦波，其有效值为 二、旋转线圈法现在学习的是第10页，共52页三、冲击法 冲击法是测量直流磁场的古典方法，由于这种方法所用冲击法是测量直流磁场的古典方法，由于这种方法所用的设备简单而且可靠性强，所以目前仍被广泛采用。的设备简单而且可靠性强，所以目前仍被广泛

7、采用。1用冲击检流计测量磁通用冲击检流计测量磁通 将匝数为将匝数为N、面积为、面积为 S S 的测量线圈放在被测磁场中，线圈的测量线圈放在被测磁场中，线圈平面与磁场垂直，测量线圈与冲击检流计相连，如图所示。平面与磁场垂直，测量线圈与冲击检流计相连，如图所示。图中：R 为整个回路的电阻；L为整个回路的电感。当通过线圈的磁通突然发生变化时，在线圈中产生感应电流 i，则用冲击检流计测量磁通的电路现在学习的是第11页，共52页得 设感应电流持续的时间间隔为，取上式两边在该时间间隔内的积分 冲击检流计的第一次最大偏转角与出脉冲电量的关系为现在学习的是第12页，共52页则式中的 叫做检流计的磁通冲击常数。

8、得 在确定磁通冲击常数后，即可计算出被测磁通的变化量。至于被测磁通与它的变化量之间的关系，要视此变化量按何种方式变化而确定。如果将测量线圈从被测磁场中突然移开或从场外突然置入，则磁通变化量都等于；如果将测量线圈在被测磁场中以线圈平面为轴旋转180，则磁通变化量等于2。现在学习的是第13页，共52页 2磁通冲击常数的测量测量电路如图。利用S倒向使的一次侧电流改变方向，从而使磁场的方向改变，以获得较大的磁通变化，调节R1使 M 通过一次侧的电流为I，则 M 的二次侧线圈交链的磁链为测量磁通冲击常数的电路现在学习的是第14页，共52页当电流 I 从变化到-I 时，有则得四、磁通门法 磁通门法是利用高

9、磁导率的铁心在交流励磁下调制铁心中的直流磁场分量，并将直流磁场转变为交流电压的一种方法。现在学习的是第15页，共52页 探头探头 探头由高导磁率、低矫顽力的软磁材料制成，上面绕有探头由高导磁率、低矫顽力的软磁材料制成，上面绕有励磁励磁线圈线圈N1 和测量线圈和测量线圈N2，其结构如图所示。，其结构如图所示。探头的结构 励磁线圈N1 通入三角波励磁电流i1（也可以其他波形），电流i1足够大，使铁心充分饱和。当外加磁场等于0时，在交流三角波励磁磁场作用下，铁心中的磁感应强度是对称的梯形波，梯形波的上升沿和下降沿在测量线圈中感应出的电势是对称的方波，如图所示，该方波中只有奇次谐波而没有偶次谐波。现在

10、学习的是第16页，共52页外加磁场等于0时磁感应强度和感应电势的波形现在学习的是第17页，共52页 当外加磁场不等于0时，铁心除了受交流磁场H作用外，还受直流磁场H0作用。在交流磁场与直流磁场方向相同的半周期中，铁心提前进入饱和区，滞后退出饱和区；在交流磁场与直流磁场方向相反的半周期，铁心滞后进入饱和区，提前退出饱和区。因此，铁心中的磁感应强度B是不对称的梯形波，如图所示。外加磁场不等于0时磁感应强度和感应电势的波形现在学习的是第18页，共52页 此方波中不但有奇次谐波，还包含偶次谐波，偶次谐波的大小和相位分别反映了直流磁场的大小和方向，测出测量线圈中感应电势偶次谐波电压的幅值和相位，即可测得

11、直流磁场的大小和方向。磁通门磁强计 采用磁通门法实现的测量装置称为磁通门磁强计，它由探头和测量电路两部分组成，磁通门磁强计的总体结构框图如图所示。现在学习的是第19页，共52页磁通门磁强计的总体结构框图 现在学习的是第20页，共52页 五、霍尔效应法五、霍尔效应法 1原理原理 当把一块金属或半导当把一块金属或半导体薄片放在磁场中时，沿体薄片放在磁场中时，沿垂直磁场方向通入流垂直磁场方向通入流 I，则在薄片另一方向的侧面则在薄片另一方向的侧面产生电动势产生电动势 eH，即霍尔，即霍尔电动势，这种现象叫霍尔电动势，这种现象叫霍尔效应效应。霍尔电动势为霍尔电动势为霍尔效应示意图 现在学习的是第21页

12、，共52页 式中的RH为霍尔系数，它是一个与材料性质有关的常数；d 为霍尔元件厚度；K为霍尔元件形状系数，是一个与霍尔元件长度和宽有关的常数；I 为通过霍尔元件的电流；B 为外磁场的磁感应强度。当保持不变时，可以通过测量霍尔电动势来测量磁场。当被测磁场和工作电流都是直流时，霍尔电动势为直流；当两者之一为交变时，霍尔电动势就是交变的。由于交流信号易于放大，所以在测量直流磁场时往往采用交流供电；而在测量交流磁场时则采用直流供电。现在学习的是第22页，共52页2不等位电势补偿 从理论上讲，当电流和磁场之一为零时，霍尔元件输出的霍尔电势就应该等于零，但由于制造工艺的缺陷，当有驱动电流无磁场时，霍尔元件

13、输出的霍尔电势不等于零，此时输出的霍尔电势称为不等位电势。在这种情况下，必须对不等位电势进行补偿。右图给出了不等位电势的补偿电路，通过调节RW可以调节2 端的电位，可以使不等位电势等于零。不等位电势的补偿电路现在学习的是第23页，共52页3温度补偿 由于霍尔元件是由金属和半导体材料制成的，因此，对温度的变化比较敏感，当环境温度发生变化时，将给测量结果带来误差。温度补偿电路H421RSISIH3I 右图给出了一种简单的温度补偿电路，霍尔元件由恒流源供电，在1，3两端并联一个电阻，当温度升高时，霍尔电势和内阻都随之增加，由于I 恒定不变，RS 起到分流作用，使流过霍尔元件的电流减小，从而降低霍尔电

14、势，取合适的RS，可以使输出的霍尔电势保持不变。现在学习的是第24页，共52页4交流弱磁场的测量 对于交流弱磁场的测量常采用检零式测量原理，其测量电路如图所示。当被测直流弱磁场穿过霍尔元件时，在霍尔元件的输出端产生霍尔电动势，此电动势通过放大后，其输出电流通过线圈在铁心中产生磁场B0，B0与被测磁场互相抵消，有 交流弱磁场的测量电路现在学习的是第25页，共52页电流在电阻R两端产生的电压得该电压通过交直流电压转换器，输出直流电压为 电压UO与被测磁场的有效值成正比，所以通过对的测量，实现交流弱磁场的测量。现在学习的是第26页，共52页 对于交流强磁场常采用直接式测量，测量电路如图。5交流强磁场

15、的测量交流强磁场的测量电路 当被测直流磁场B穿过霍尔元件时，在霍尔元件输出的霍尔电势经放大后，得输出电压因此，通过对uo的测量，可以实现交流强磁场的测量。现在学习的是第27页，共52页 6用霍尔效应法测量磁场时应注意的问题 （1）要保持电流方向与磁场方向垂直；（2）测量非均匀磁场时，霍尔探头要尽量小；（3）对霍尔元件必须进行温度补偿和不等位电势补偿；（4）霍尔元件的供电电流要足够稳定，否则也会产生误差；（5）测量较弱磁场时应采用霍尔系数较大的材料作霍尔元件，以获得较大的霍尔电动势。现在学习的是第28页，共52页 六、磁通表法六、磁通表法 1结构结构磁通表是测量磁通的直读仪表，其结构如图所示。磁

16、通表是测量磁通的直读仪表，其结构如图所示。2工作原理工作原理 通过测量线圈的磁链变化为通过测量线圈的磁链变化为磁通表的结构通过表内可动线圈的磁链变化为根据现在学习的是第29页，共52页有令得 所以，根据磁通改变前后磁通表的指针偏转角的变化，可以决定磁通的变化量。现在学习的是第30页，共52页 七、核磁共振法七、核磁共振法 根据塞曼根据塞曼(PZeeman)效应原理，在外磁场的作用下，效应原理，在外磁场的作用下，原子的能级将发生分裂，当用一个等于塞曼跃迁频率的电磁原子的能级将发生分裂，当用一个等于塞曼跃迁频率的电磁场作用在原子上时，塞曼能级之间将发生感应跃迁，这种现场作用在原子上时，塞曼能级之间

17、将发生感应跃迁，这种现象称为磁共振。象称为磁共振。理论和实验证明，塞曼能级分裂的能量与外磁场的磁感理论和实验证明，塞曼能级分裂的能量与外磁场的磁感应强度成正比。因此，只要测量出磁共振时施加的磁场的频应强度成正比。因此，只要测量出磁共振时施加的磁场的频率，就可求得能级分裂的能量，从而可确定外磁场的磁感应率，就可求得能级分裂的能量，从而可确定外磁场的磁感应强度。由于频率可以测量得非常准确，所以利用磁共振法可强度。由于频率可以测量得非常准确，所以利用磁共振法可以准确地测量磁场。以准确地测量磁场。返回本章首页现在学习的是第31页，共52页八、超导测量法超导结 超导结超导测量法是利用超导结的临界电流随外

18、磁场周期起伏变化的现象来实现磁场测量的，如图所示。在超导结两端加上电源，电压表无显示时电流表显示的电流为超导电流，电压表开始有显示时电流表所显示的电流为临界电流。现在学习的是第32页，共52页 当加入磁场后，临界电流将有周期性起伏变化，其极大值逐渐衰减，振荡的次数乘以磁通量子即透入超导结的磁通量。因为磁通与外磁场成正比，求出磁通也就求出了磁场。若磁场有变化，则磁通也变化，临界电流的振荡次数乘以磁通量子就可反映磁场变化的大小。因此，通过测量利用超导结可测量磁场的大小及变化。由于低温较难达到，为了使超导材料具有实用性，现有超导测磁仪器主要是对高温超导进行测量。超导量子干涉装置（SQUID）是典型的

19、高温超导测磁仪器，是目前灵敏度最高的低强度磁场测量仪器。超导测量法适应的磁场频率范围很宽，能响应的磁场频率变化在01000MHz之间。现在学习的是第33页，共52页第三节 铁磁材料静态磁性的测量 铁磁材料的静态磁性是指磁性材料在直流磁场磁化下的铁磁材料的静态磁性是指磁性材料在直流磁场磁化下的磁特性，即磁性材料的直流磁化曲线、磁滞回线以及由这些磁特性，即磁性材料的直流磁化曲线、磁滞回线以及由这些曲线所定义出的磁参量，如剩磁、矫顽力、磁导率等。曲线所定义出的磁参量，如剩磁、矫顽力、磁导率等。一、测量样品一、测量样品 1闭路样品闭路样品 2开路样品开路样品 3样品的去磁样品的去磁 动画演示动画演示

20、二、磁感应强度的测量二、磁感应强度的测量测量样品内部的磁感应强度一般都采用测量线圈，使测量测量样品内部的磁感应强度一般都采用测量线圈，使测量线圈紧贴样品表面密绕在样品的均匀磁化部分，如图所示。线圈紧贴样品表面密绕在样品的均匀磁化部分，如图所示。现在学习的是第34页，共52页 根据冲击法或感应法测出样品的总磁通，在沿截面均匀磁化的条件下，样品中的磁感应强度为 由于测量线圈和样品表面之间可能存在气隙，测得总磁通中包含气隙磁通在内，按上式算出的B 就会偏大，为消除这种误差，可采用修正后的公式计算，修正后的公式为测量线圈的绕法现在学习的是第35页，共52页 三、磁场强度的测量 1扁平线圈法 通过测量紧

21、贴样品表面空气中的磁场强度就能完全确定样品内部的磁场强度。用扁平线圈测量样品内部的磁场强度，通过测量线圈的磁链 样品表面内外的磁场强度用扁平线圈测量磁场强度的电路 得样品中的磁场强度 现在学习的是第36页，共52页2双层同轴线圈法 如图，两层线圈的匝数相同，均为N匝，内层线圈紧贴样品表面，外层线圈与内层线圈之间垫着绝缘片。内层线圈的面积为 S1，外层线圈的面积为 S2，穿过内层线圈截面的磁通为样品内部的磁通，穿过外层线圈截面的磁通等于样品内部的磁通再加上的环形面积中穿过的磁通，该磁通为当两层线圈反向串接时，它的总磁链为两者磁链之差 则样品内部的磁场强度为 现在学习的是第37页，共52页四、基本

22、磁化曲线的测量返回本章首页演示冲击法测量基本磁化曲线的电路 由于基本磁化曲线是一系列磁滞回线顶点的连线，因此，没有必要测出所有的磁滞回线，只需要测出磁滞回线在第一象限的顶点即可。测量磁滞回线顶点对应的磁场强度可以根据测得的磁化电流来计算；测量对应的磁感应强度可根据冲击法进行测量，电路如图。现在学习的是第38页，共52页 采用电流递增的方式进行测量，先给定测量所需的最小磁化电流 I1，根据 计算第一个顶点对应的磁场强度，再利用冲击法测量对应的磁感应强度 随后依次增加磁化电流 I2，I3，分别重复上述步骤，得到一系列磁滞回线的顶点（B1，H1）、（B2，H2），最后将各顶点连接起来，就得到了基本磁

23、化曲线。现在学习的是第39页，共52页第四节 铁磁材料动态磁性的测量 动态磁性测量的主要对象是铁磁材料在工频、音频或射频交流磁化下所表现出的磁性能，包括交流磁化曲线、交流磁滞回线、铁损和复数磁导率的测量等。一、交流磁化曲线的测量测量交流磁化曲线的电路 交流磁化曲线是指在一定频率下，磁感应强度为正弦量时，样品中的磁感应强度最大值与磁场强度最大值的关系曲线。现在学习的是第40页，共52页 当给磁化线圈通入电流时，在测量线圈中产生感应电动势用平均值电压表测出电动势在半周期的平均值，得 当磁化电流为正弦量时，从电流表读出磁化电流的有效值，然后计算出最大值，则磁场强度的最大值为 当磁化电流为非正弦量时，

24、在磁化回路中串入一个互感器M，则在互感器二次侧线圈中产生的感应电动势为现在学习的是第41页，共52页 同样用平均值电压表测出在半周期的平均值，可得磁化电流的最大值然后再计算磁场强度的最大值。至此，得到了磁化曲线的第一个点（Hm1，Bm1），随后依次增加磁化电流 I2，I3，分别重复上述步骤，得到一系列磁滞回线的顶点（Bm1，Hm1）、（Bm2，Hm2），最后将各顶点连接起来，就得到了交流磁化曲线。现在学习的是第42页，共52页测量交流磁化曲线时应注意以下几个问题：（1）测量前，样品要充分去磁，并保证样品有良好的绝缘；（2）根据被测材料的使用情况，选择磁化电源的频率；（3）要求测量过程中和都保证

25、是正弦量是不可能的，因此一般要求保证为正弦的测量条件，以便评价测量结果有统一标准。保证B为正弦，首先要求磁化电流有良好的正弦性，其次，磁化电路的电阻应远远小于感抗值，一般要求感抗与电阻的比值大于50。现在学习的是第43页，共52页二、铁芯损耗的测量二、铁芯损耗的测量功率表法测铁损的电路下图是功率表法测铁芯损耗的电路。图中的电流表和电压表采用电动系或电磁系，r1和r2分别为一次和二次线圈的导线电阻，功率表的电压线圈接二次侧电压，以避免一次侧线圈铜损带来的误差。现在学习的是第44页，共52页一次侧线圈输出的功率包括三部分，可表示为 等号右边第一项是样品磁化所消耗的功率，即铁损；第二项是二次侧线圈的

26、铜损；第三项是电压表内阻的损耗。可得一般情况，取N1=N2，又因 ，故上式写成取上式两边在一周期内的积分，可得铁损的平均值为现在学习的是第45页，共52页三、复数磁导率的测量 软磁材料的磁场强度和磁感应强度近似为线性关系，材料中的磁场强度为正弦时，磁感应强度也为正弦，但磁感应强度滞后磁场强度一个角。则磁感应强度与磁场强度之比被定义为复数磁导率，即 复数磁导率的实部叫弹性磁导率，可表示材料的导磁性能；虚部叫粘性磁导率，可表示材料的损耗。将被测样品及线圈等效成下图的电路。现在学习的是第46页，共52页 图中的Rd为样品线圈的直流电阻，Rx 表示铁芯损耗的电阻，Lx 是被测样品线圈的等值电感。用三表

27、法、电桥法等方法测出Rx 和 Lx 即可按下式计算出复数磁导率的实部和虚部。现在学习的是第47页，共52页第五节 金属管道缺陷的无损漏磁检测一、金属管道缺陷的无损漏磁检测原理一、金属管道缺陷的无损漏磁检测原理返回本章首页 利用磁场测量技术可以进行金属管道的漏磁无损检测，对抑制管道泄漏和保证管道正常运行等具有十分重要的意义。下图是交变漏磁检测系统的原理图，由线圈产生交流激励磁场，利用霍尔元件检测工件漏磁场的变化，适合于钢管表面最容易出现的裂纹缺陷的检测，对于测量螺纹缺陷具有很高的灵敏度和精确度。采用交流信号作为激励可以简化传感器的结构，并且可以根据不同的检测情况，任意选取激励的频率和幅值。现在学

28、习的是第48页，共52页 根据磁场的边界连续性条件，磁力线在钢管表面发生折射，并且有钢管表面裂纹文变漏磁检测原理图 式中的1和2分别为空气和钢管的磁导率；1和2分别为外场和管道内磁场磁力线和管壁法线方向的夹角。现在学习的是第49页，共52页 由于 ，因此可以认为 。由此可以得到结论：在无缺陷时，磁场进入管壁内后，磁场的方向平行于钢管的轴线，且全部束缚在钢管壁内，而钢管腔内无磁场或磁场较弱，这也就是钢管的磁屏蔽原理；在有缺陷的情况下，缺陷的位置磁力线的分布必定会改变，磁场将得到加强或者减弱，通过测量这种表征就可以实现缺陷的检出和定位。二、交流漏磁检测系统 检测系统包括激励信号发生器及功率放大电路

29、、激励线圈和霍尔传感器、信号调理电路、数据采集电路以及数据分析和处理软件等，如图所示。现在学习的是第50页，共52页信号发生器功率放大器激励线圈被检工件霍尔传感器信号调理数据采集数据分析处理交流漏磁场检测系统结构 由信号发生器和功率放大电路提供系统工作所需要的激励信号，激励线圈在空间产生交变磁场，以便在被测工件中产生相应的感应磁场，在线圈内部安装两个霍尔元件分别测量 x 和 z 方向漏磁场；采用集成霍尔元件感应空间磁场的变化，输出与周围磁场成正比的电压信号，经过信号调理电路及采集电路输出与被检测磁场大小对应的数字信号，对数字信号进行分析处理后可以识别出工件发生的缺陷及类型。现在学习的是第51页，共52页三、漏磁检测结果分析 以20mm钢管上一条宽度为lmm，深度为1mm，长度为3mm的裂纹为例，利用漏磁检测系统测量的结果如图所示。由图可见，在第8个测量点Bx达到最大值，而在 7 点和 9 点的Bz 测量值出现极大值和极小值。第8点对应裂纹的中心位置，而7 和9 点是裂纹开始和结束点。检测结果现在学习的是第52页，共52页