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1、第第6章章 磁性测量磁性测量空间磁场、磁通的测量空间磁场、磁通的测量 磁性材料性能的测量磁性材料性能的测量磁性测量的历史回顾磁性测量的历史回顾 1086年沈括：地磁偏角的发现年沈括：地磁偏角的发现(梦溪笔谈梦溪笔谈)；1785年库仑：利用磁针在磁场中的自由振荡周期来测定地磁场；年库仑：利用磁针在磁场中的自由振荡周期来测定地磁场；1831年法拉第：电磁感应定律；年法拉第：电磁感应定律；20世纪世纪30年代：出现了利用磁性材料自身磁饱和特性的年代：出现了利用磁性材料自身磁饱和特性的磁强计磁强计；应用：早期用于测量地磁场的微变，勘探铁矿；应用：早期用于测量地磁场的微变，勘探铁矿；后来用于军事探潜和侦
2、查武器；后来用于军事探潜和侦查武器；近年来用于火箭和卫星姿态的控制、空间磁场的探测；近年来用于火箭和卫星姿态的控制、空间磁场的探测；20世纪世纪50年代：电子技术和半导体器件的发展为测磁仪器的发年代：电子技术和半导体器件的发展为测磁仪器的发 展提供条件展提供条件霍尔效应、磁阻效应、磁敏效应等效应。霍尔效应、磁阻效应、磁敏效应等效应。核磁共振现象核磁共振现象(1946)：使磁场测量准确度可达：使磁场测量准确度可达10-6；约瑟夫森效应约瑟夫森效应(1962)：使磁场测量的下限达到：使磁场测量的下限达到10-15 T；超导量子干涉器件超导量子干涉器件(SQUID)测量系统测量系统(19641967
3、)：包括以下三个方面：包括以下三个方面：1.对对空间磁场空间磁场、磁性材料磁性能磁性材料磁性能的测量；的测量；2.分析物质的磁结构，观察物质在磁场中的各种磁效分析物质的磁结构，观察物质在磁场中的各种磁效应；应；3.磁性测量在其他学科领域的应用，如磁性探伤、磁磁性测量在其他学科领域的应用，如磁性探伤、磁性诊断。性诊断。本课程主要讨论本课程主要讨论空间磁场空间磁场、磁性材料磁性能磁性材料磁性能测量测量方法和测量仪器。重点介方法和测量仪器。重点介基本方法基本方法和和原理原理.磁测量的任务磁测量的任务6-1 空间磁场、磁通的测量空间磁场、磁通的测量本节主要讨论本节主要讨论空气中的磁通和磁场空气中的磁通
4、和磁场的测量技术和测量的测量技术和测量方法方法.主要任务就是主要任务就是测量某个空间或某个位置的磁场强度、或磁感应强度。例如建造一个磁隔离室，就需要测量室内磁场是否完全被屏蔽。又例如对磁铁进行充磁或退磁，就需要测量充磁或退磁的磁场强度是否足够。u磁场的基本物理量磁场的基本物理量u磁场测量技术的发展磁场测量技术的发展u一、基于电磁感应原理的测量方法一、基于电磁感应原理的测量方法 二、用磁通门磁强计测量磁场二、用磁通门磁强计测量磁场 三、用霍尔效应测量磁场三、用霍尔效应测量磁场1.磁通磁通单位：单位：Wb(韦伯韦伯)定义：垂直穿过某一截面积定义：垂直穿过某一截面积S的磁力线总数。的磁力线总数。2.
5、感应强度感应强度B 单位：特斯拉（单位：特斯拉（T）定义：表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量，定义：表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量，是个矢量。是个矢量。规定：其值等于垂直于规定：其值等于垂直于B矢量的单位矢量的单位面积的磁力线数计算公式：面积的磁力线数计算公式：B=/S对于电流产生的磁场，磁感应强度的方向和对于电流产生的磁场，磁感应强度的方向和电流方向满足右手螺旋定则，其大小为电流方向满足右手螺旋定则，其大小为:B=F/LI 磁场的基本物理量磁场的基本物理量3.磁导率磁导率单位：亨单位：亨/米（米（H/m）定义：衡量物质导磁能力大小的物理量。定义：衡量物质导磁能力大小的物理量。大小
6、：真空中的磁导率用大小：真空中的磁导率用0表示，实验测得表示，实验测得0为一为一常数。非铁磁性物质的常数。非铁磁性物质的近似等于近似等于0。而铁磁性。而铁磁性物质的磁导率很高，物质的磁导率很高，0。空气中的磁导率空气中的磁导率等于等于0(真空磁导率真空磁导率).4.磁场强度磁场强度 单位：安单位：安/米（米（A/m）定义：在任何磁介质中，磁场中某点的磁感应强度定义：在任何磁介质中，磁场中某点的磁感应强度B与同一点的磁导率与同一点的磁导率的比值称为该点的磁场强度的比值称为该点的磁场强度H，即：，即：H=B/。注意事项注意事项：磁场强度：磁场强度H与磁感应强度与磁感应强度B 的名称很相的名称很相似
7、，切忌混淆。似，切忌混淆。H 是为计算的方便引入的物理量。是为计算的方便引入的物理量。磁场测量技术的发展磁场测量技术的发展磁磁力法力法：利用磁针或载流线圈与被测磁场之间相互作用的机械力利用磁针或载流线圈与被测磁场之间相互作用的机械力来测量磁场的方法。来测量磁场的方法。利用小磁针的方法常称为利用小磁针的方法常称为“磁强计磁强计”法；法；利用载流线圈的方法称为电动法。利用载流线圈的方法称为电动法。目前磁目前磁力法已被更简单的霍尔效应法所替代。力法已被更简单的霍尔效应法所替代。电磁感应法：电磁感应法：以电磁感应定律为基础的磁场测量方法。应用十分广泛。以电磁感应定律为基础的磁场测量方法。应用十分广泛。
8、冲击法：用于测量恒定磁场；冲击法：用于测量恒定磁场；旋转线圈法：用于测量恒定磁场，旋转线圈法：用于测量恒定磁场，10-810T，误差误差10-410-2超导效应法超导效应法磁通门法磁通门法利用被测磁场中，磁芯在交变磁场的饱和激励下其磁感应强度利用被测磁场中，磁芯在交变磁场的饱和激励下其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量磁场的一种方法。与磁场强度的非线性关系来测量磁场的一种方法。电磁效应法电磁效应法 利用金属或半导体中通过的电流和外磁场的同时作用下产生利用金属或半导体中通过的电流和外磁场的同时作用下产生的电磁效应来测量磁场的方法。其中，霍尔效应法应用最广。的电磁效应来测量磁场的方法。其中，霍
9、尔效应法应用最广。磁共振法磁共振法利用物质量子状态变化而精密测量磁场的一种方法。利用物质量子状态变化而精密测量磁场的一种方法。测量对象一般是均匀的恒定磁场。测量对象一般是均匀的恒定磁场。核磁共振；电子顺磁共振；核磁共振；电子顺磁共振；利用弱耦合超导体中约瑟夫森效应的原理测量磁场的一种方法。利用弱耦合超导体中约瑟夫森效应的原理测量磁场的一种方法。一、基于电磁感应原理的测量方法一、基于电磁感应原理的测量方法 电磁感应法是以电磁感应定律为基础的磁场测量方法。电磁感应法是以电磁感应定律为基础的磁场测量方法。电磁感应法的电磁感应法的磁传感器磁传感器是一个匝数是一个匝数N、截面积截面积S的的探测线圈探测线
10、圈。探测线圈置于探测磁场探测线圈置于探测磁场B0中，通过线圈的抽动、旋转振动中，通过线圈的抽动、旋转振动等使线圈中的磁通等使线圈中的磁通 发生变化，则探测线圈中的感应电势发生变化，则探测线圈中的感应电势(1)上式测量的感应电势对时间积分，可求出磁感应强度上式测量的感应电势对时间积分，可求出磁感应强度B0的的变化量变化量(2)冲击检流计；冲击检流计；磁电系磁通表；磁电系磁通表；电子积分器；电子积分器；.的测量方法的测量方法因此得因此得(其中其中U为感应电势的有效值为感应电势的有效值)(2)若探测磁场为若探测磁场为正弦交流磁场正弦交流磁场，设，设 =msin t，则则线圈的线圈的感应电势感应电势e
11、为为测出感应电势测出感应电势e值，就可出磁场值，就可出磁场B0值。此法又称值。此法又称旋转线圈法旋转线圈法 若探测磁场为若探测磁场为直流磁场直流磁场，可将探测线圈由角速度为，可将探测线圈由角速度为 的电机的电机带动旋转，并使旋转轴线与磁场方向垂直，由于带动旋转，并使旋转轴线与磁场方向垂直，由于=SB0sin t，则则线圈的感应电势为线圈的感应电势为探测磁场的磁感应强度探测磁场的磁感应强度B0为为为保证测量准确，探测线圈的法线方向应与磁场方向一致。为保证测量准确，探测线圈的法线方向应与磁场方向一致。冲击法冲击法eG 改变线圈中电流的方法：改变线圈中电流的方法：线圈中电流通断或改变线圈中电流的方向
12、；线圈中电流通断或改变线圈中电流的方向；将线圈从磁场中迅速移到磁场为零的地方，将线圈从磁场中迅速移到磁场为零的地方，或将线圈原地转动或将线圈原地转动180用冲击检流计测量感应电势用冲击检流计测量感应电势线圈中的磁通在时间线圈中的磁通在时间t1t2期间变化，对上式两边积分，得期间变化，对上式两边积分，得探测探测线圈线圈或或由冲击检流计测量由冲击检流计测量Q，从而测得磁通从而测得磁通Cq：冲击检流计的电量冲击常数；：冲击检流计的电量冲击常数；m：冲击检流计第一次最大偏转角；：冲击检流计第一次最大偏转角；C ：磁通冲击常数。磁通冲击常数。当产生磁场的电流方向改变，或测量线圈转动当产生磁场的电流方向改
13、变，或测量线圈转动180度，则度，则测量线圈中的磁通改变了测量线圈中的磁通改变了2，即，即 用冲击法测量恒定磁场的操作方法较复杂、费时，但测量用冲击法测量恒定磁场的操作方法较复杂、费时，但测量准确度高。准确度高。电磁感应法的电磁感应法的测量范围测量范围10-13103T，测量误差测量误差10-310-2磁通表法磁通表法e 磁通表磁通表结构：结构：与磁电系检流计基本相同，但无反抗与磁电系检流计基本相同，但无反抗力矩；力矩；磁通表的阻抗系数磁通表的阻抗系数；测磁线圈置于待测磁场中，线圈两端测磁线圈置于待测磁场中，线圈两端接磁通计；接磁通计；线圈中磁通的改变方法与冲击法相同线圈中磁通的改变方法与冲击
14、法相同；=2-1：磁通表的偏转角；：磁通表的偏转角；=2-1：测量线圈中磁通量的变化量；：测量线圈中磁通量的变化量；C=pR/0：磁通表的磁通常数。磁通表的磁通常数。二二、用用磁通门磁强计磁通门磁强计测量磁场测量磁场 利用高磁导率的铁心在交流励磁下调制铁心磁场分量，并利用高磁导率的铁心在交流励磁下调制铁心磁场分量，并将直流磁场转变为交流电压输出。将直流磁场转变为交流电压输出。磁通门磁强计的磁通门磁强计的探头探头由高导磁、低矫顽力由高导磁、低矫顽力的软磁材料制成。绕有励磁线圈的软磁材料制成。绕有励磁线圈N1和测磁线圈和测磁线圈N2.测量上限：测量上限：81010-2-2T,810-2A/m频响上
15、限：频响上限：10001000HzHz分辨率分辨率（1 12）10-5A/m,10-1810-19T磁通门磁强计的技术性能：磁通门磁强计的技术性能：准确度：准确度：3%3%选频放大相敏检测直流放大功放22记录仪表磁通门磁强计原理电路框图磁通门磁强计原理电路框图震荡器滤波三、用霍尔效应三、用霍尔效应测量磁场测量磁场dbl霍尔效应霍尔效应E：半导体材料中的霍尔电场强度；：半导体材料中的霍尔电场强度；Rh：材料的霍尔系数：材料的霍尔系数(m2/A s)；j：半导体材料中的电流密度：半导体材料中的电流密度(A/m2)；B：磁感应强度。磁感应强度。若半导体材料的厚度为若半导体材料的厚度为d，宽度为宽度为
16、b，电流密度电流密度 j=i/db,宽度为宽度为b的半导体两侧之间的霍尔电势的半导体两侧之间的霍尔电势Uh为为 把载有电流的半导体放在垂直于把载有电流的半导体放在垂直于电流方向的磁场中时，在垂直于磁场电流方向的磁场中时，在垂直于磁场和电流的方向产生电动势。和电流的方向产生电动势。为使为使B与与e之间有线性关系，电流之间有线性关系，电流I由恒流源供电。由恒流源供电。由于霍尔电势较小，需放大后测量。由于霍尔电势较小，需放大后测量。为放大方便，希望为放大方便，希望e为交流，测交流磁场，直流电流供电；为交流，测交流磁场，直流电流供电；测直流磁场，交流电流供电。测直流磁场，交流电流供电。磁感应强度与霍尔
17、电势成正比磁感应强度与霍尔电势成正比 能连续地、线性地读数；能连续地、线性地读数；无触点，无可动元件；无触点，无可动元件；方法简单，使用寿命长，方法简单，使用寿命长，霍尔变换器可以做的很小，很薄；霍尔变换器可以做的很小，很薄；主要缺点是误差较大。主要缺点是误差较大。霍尔效应测量磁场的特点：霍尔效应测量磁场的特点：国产特斯拉计国产特斯拉计四、核磁共振法四、核磁共振法 根据塞曼效应，在外磁场作用下的原子能级将发生感应跃根据塞曼效应，在外磁场作用下的原子能级将发生感应跃迁，这种现象称为核磁共振。迁，这种现象称为核磁共振。塞曼能级分裂的能量与外磁场的塞曼能级分裂的能量与外磁场的B成正比。成正比。只要测
18、量出磁共振时的电磁场频率，塞曼能级分裂的能量，只要测量出磁共振时的电磁场频率，塞曼能级分裂的能量，进而确定外磁场的磁感应强度。进而确定外磁场的磁感应强度。核磁共振磁强计的测量范围：核磁共振磁强计的测量范围：0.012T；准确度：准确度：10-5以上。以上。u磁性材料磁性材料u磁性材料直流磁特性参数磁性材料直流磁特性参数u一、磁性材料样品一、磁性材料样品u二、用冲击法测量环状样品的磁特性二、用冲击法测量环状样品的磁特性6-2磁性材料直流磁特性的测量方法磁性材料直流磁特性的测量方法自然界中有电的良导体，如各类金属材料；也有导磁性能好自然界中有电的良导体，如各类金属材料；也有导磁性能好的材料，的材料
19、，如表列举的硅钢、坡莫合金等。按导磁性能的如表列举的硅钢、坡莫合金等。按导磁性能的好坏，大体上可将物好坏，大体上可将物 质分为两类：质分为两类：磁性材料（也称为铁磁材料）磁性材料（也称为铁磁材料）:铁、钴、镍、钆及其合金铁、钴、镍、钆及其合金 1.r1高导磁性高导磁性;2.在磁场中可被强烈磁化在磁场中可被强烈磁化;3.具有磁饱和和磁滞特性具有磁饱和和磁滞特性.非磁性材料非磁性材料:水银、铜、硫、氯、氢、水银、铜、硫、氯、氢、银、金、锌、铅、氧、银、金、锌、铅、氧、氮、铝、铂等。氮、铝、铂等。1.r1不能被强烈磁化不能被强烈磁化;2.B（）正比于正比于H（I）,无磁饱和现象无磁饱和现象;3.=B
20、/H=tg为一常数，为一常数，不随不随H（I）的变化而变化的变化而变化;4.无磁滞特性无磁滞特性.磁性材料磁性材料材料名材料名称称铸铁铸铁硅钢硅钢镍锌铁镍锌铁氧体氧体锰锌铁锰锌铁氧体氧体坡莫合坡莫合金金相对磁相对磁导率导率r=/020040070001000010100030050002*1042*105几种常用磁性材料的磁导率几种常用磁性材料的磁导率基本磁化曲线；基本磁化曲线；磁滞回线磁滞回线;剩余磁感应强度剩余磁感应强度Br矫顽力矫顽力-Hc起始磁导率起始磁导率 0最大磁导率最大磁导率 m最大磁能积最大磁能积磁性材料的直流磁特性参数磁性材料的直流磁特性参数 一、磁性材料测量方法 要测量磁性
21、材料的性能首先要把待测材料要测量磁性材料的性能首先要把待测材料制成试样并在试样上绕制线圈，然后根据材料制成试样并在试样上绕制线圈，然后根据材料的工作条件，测量它的直流或交流磁特性。测的工作条件，测量它的直流或交流磁特性。测量时要求样品内部磁场必须分布均匀。试样可量时要求样品内部磁场必须分布均匀。试样可制成环状、棒状或条状。制成环状、棒状或条状。1.闭路试样闭路试样圆环形样品圆环形样品：截面一般为矩形，钢带卷绕截面一般为矩形，钢带卷绕 或圆环冲片积叠而成。或圆环冲片积叠而成。材料磁性能要在样品上测量材料磁性能要在样品上测量样品应有代表性；样品应有代表性；样品的形状、尺寸要满足测量条件样品的形状、
22、尺寸要满足测量条件取样要尽可能简单方便取样要尽可能简单方便圆环形样品的尺寸应满足圆环形样品的尺寸应满足以保证圆环截面各处磁场强度相近。但以保证圆环截面各处磁场强度相近。但D0-D1过小，将使样品过小，将使样品的性能不能反映材料的真实性能。的性能不能反映材料的真实性能。由安培定律，圆环截面各处磁场强度由安培定律，圆环截面各处磁场强度其中其中方形闭合样品方形闭合样品 圆环形样品测量软磁材料的性能较为理想，但测量时绕制圆环形样品测量软磁材料的性能较为理想，但测量时绕制线圈线圈相当麻烦相当麻烦。对用量很大的磁性材料对用量很大的磁性材料(如硅钢片如硅钢片)常采用常采用条片形条片形样品组成样品组成方形闭合
23、磁路方形闭合磁路。条片形样品尺寸：条片形样品尺寸：30mm宽、宽、280或或300mm长；长；片数：片数：4的整倍数；的整倍数；质量：质量：1kg。Epstein方圈方圈 方圈是用绝缘材料制成的方形框架，方圈是用绝缘材料制成的方形框架，框架四边上由四个完全相同的长方形螺线框架四边上由四个完全相同的长方形螺线管相串联。框架是中空的方形结构，中间管相串联。框架是中空的方形结构，中间插入条片形试样，以形成闭合磁路，称为插入条片形试样，以形成闭合磁路，称为Epstein方圈。方圈。2.开路试样开路试样 一个开路样品置放于外加磁场一个开路样品置放于外加磁场He中，中，则磁性体两个端面就会产生表面磁极则磁
24、性体两个端面就会产生表面磁极 m，m 在磁性体内部会产生一个与在磁性体内部会产生一个与He相反的相反的去磁磁场去磁磁场 Hd，则磁性体内实际作用的内则磁性体内实际作用的内磁场磁场Hi 可表示为可表示为 Hd与磁化强度与磁化强度M的关系的关系 ，Nd 称为称为去磁系数去磁系数。所以所以又因为又因为所以所以为样品磁导率为样品磁导率由此，将问题由此，将问题BHi的问题转化为的问题转化为BHe的问题。的问题。可从手册中查可从手册中查磁导计磁导计 产生强磁场的磁化装置。主要用产生强磁场的磁化装置。主要用来测量矫顽力在几十来测量矫顽力在几十A/m以上磁性材以上磁性材料料(硅钢、纯铁硅钢、纯铁)在高磁场下的
25、磁参数。在高磁场下的磁参数。试样试样磁化线圈磁化线圈磁轭磁轭测磁线圈测磁线圈 磁轭的截面很大，由高磁导率、磁轭的截面很大，由高磁导率、高饱和磁感应强度、低剩磁的软铁高饱和磁感应强度、低剩磁的软铁材料作成将试样紧压磁轭极头间，材料作成将试样紧压磁轭极头间，即可使样品沿长度均匀磁化，忽略即可使样品沿长度均匀磁化，忽略磁轭磁阻。磁轭磁阻。l为试样的有效长度为试样的有效长度冲击法冲击法二、用冲击法测量环状样品的二、用冲击法测量环状样品的磁特性磁特性 冲击法是测量样品的静态磁特性的经典方法；冲击法是测量样品的静态磁特性的经典方法；结构简单，价格低廉，稳定性好，使用寿命长；结构简单，价格低廉，稳定性好，使
26、用寿命长；现在仍是国际上公认的磁性材料静态磁特性测试的标准方法。现在仍是国际上公认的磁性材料静态磁特性测试的标准方法。ABG测量线路测量线路测量回路测量回路磁化回路磁化回路互感互感M用来测定冲击常数用来测定冲击常数C 直流磁滞回线的自动记录装置直流磁滞回线的自动记录装置超低频超低频电源电源样品样品 送入送入X-Y记录仪记录仪X通道通道的电阻的电阻R上的电压，正于激上的电压，正于激磁电流，即正比于磁场磁电流，即正比于磁场强度强度H；检测线圈的输出电压检测线圈的输出电压d/dt，经积分后得到经积分后得到 或或B，送入记录仪送入记录仪Y通道。通道。改变电流的幅值，即可获得静态磁滞回线。改变电流的幅值，即可获得静态磁滞回线。