磁场的测量.ppt

第三章,磁场的测量,第一节,概述,一、磁场测量的回顾,1、20世纪30年代初，出现了利用磁性材料自身磁饱和特性的磁通门磁强计，它广泛应用于地球物理、机械工业、军事工程等领域。例如，最初应用磁通门磁强计来测量地球磁场微变和勘探铁矿，后来又大量用于军事探潜和侦察武器等。近年来，更广泛用于控制火箭和人造卫星以及探测空间磁场、检测磁屏蔽效果等。,一、磁场测量的回顾,2、20世纪50年代以来，由于加速器工程、宇航工程和可控热核聚变装置等一些大型高科技工程、技术的发展，对磁场测量在空间、时间、形态、准确度等方面都提出了更加苛刻的要求。3、这一时期电子技术、半导体等的发展，为磁场测量仪器的新发展提供了条件。4、由于激光和光导纤维技术的发展，大大提高了利用磁光效应测量磁场的水平。5、现代物理学的成就在磁场测量中的应用，特别是两项获诺贝尔物理学奖金的物理效应的发现，对磁场测量技术水平的提高具有划时代的意义。6、当前，磁场测量技术已经深入到工业、农业、生物、医学、地质、宇航等各个部门。磁场测量作为一门学科，不但已自成体系，而且和某些学科相结合形成一些边缘学科。,二、磁场测量的对象和参量,1、任何磁现象都是以磁场的形式来表现的。为了表征磁场的大小，在人们的认识过程中有两种观点：一是按“磁荷”的观点，定义磁场强度h为表征磁场强弱的物理量，磁场是通过磁荷在磁场中受力的大小来确定的（磁的库仑定律）；二是按“电流”的观点，定义磁场是通过载流导体在磁场中受力的大小来确定（安培定律），或通过放置在磁场中回路的感应电动势来确定（电磁感应定律）。磁场强度h和磁感应强度b在两种观点中只有一个是表征磁场的物理量，另一个是辅助量。,二、磁场测量的对象和参量,在国际单位制中，把磁场强度h在真空（空气）中引起的磁感应强度记为b0，并有简单关系b式中，0=410-7h/m，它是常数（真空磁导率）。但是，b0在数值和量纲上都与磁场强度h不一致。在国际单位制中，h的单位是a/m，而b0的单位是t（特斯拉）。,二、磁场测量的对象和参量,2、在磁介质中的总磁感应强度b将是磁感应强度b0和磁化强度m（表征磁介质在磁场h中极化的磁感应强度）之和，即b=b0+m由此可见，磁感应强度可同时用来描述介质和真空中的磁场，它比磁场强度有更广泛的概念。在磁介质中，由于矢量b和b0的关系十分复杂，通常是采用测量磁感应强度的积分，即测量磁通磁通的单位是tm2，或称韦伯（wb）。,二、磁场测量的对象和参量,3、磁场参量是指表征磁场性质的物理量。它们包括：磁感应强度b、磁通、磁场非均匀性量（磁场梯度），以及这些矢量的分量和模量。恒定磁场和交变磁场的磁场参量有不同的形态和测量方式。以下的叙述中将以恒定磁场的测量方法为主，兼顾交变磁场的测量。,三、磁场测量的方法,由于一些物理效应和物理定律在磁场测量中的大量应用，磁场测量技术有了更大发展，测量方法也日趋完善。从测量的原理来看，磁场测量的方法可概括为以下几种：磁-力法、电磁感应法、磁通门法、电磁效应法、磁共振法、超导效应法、磁光效应法。,三、磁场测量的方法,1、磁力法磁力法是利用在被测量磁场中的磁化物体（磁针）或载流线圈与被测磁场之间相互作用的机械力（或力矩）来测量磁场的方法。其中，利用小磁针的方法习惯上称“磁强计”法，它可以测量较弱的均匀或不均匀磁场，仪器的分辨力可达109t以上。采用电子电路的无定向磁强计分辨力可高达10101012t。,三、磁场测量的方法,利用载流线圈的方法称为电动法，其测量范围为0.110t，测量的误差为(12)102，但目前此法已被更简单的霍尔效应法所取代。还有一种利用磁致伸缩效应的方法，在应用薄膜器件和采用光纤技术后，分辨力可达10-12t。磁力法仪器在观测地震预报、地磁日变、磁暴等方面应用很广，也应用于检测岩样的磁性。,三、磁场测量的方法,2、电磁感应法电磁感应法是以电磁感应定律为基础的磁场测量方法。它是一种应用十分广泛的方法，其测量范围为1013103t。应用电磁感应法测量恒定磁场时，可以通过探测圈的移动、转动和振动来产生磁通变化。冲击法主要用于测量恒定磁场，测量的误差为51031102；采用比较法时测量的误差可达104。伏特表法主要用于测量高频磁场，测量的误差为102左右。,三、磁场测量的方法,电子磁通表法可用于测量恒定磁场、交变磁场或脉冲磁场和磁通，测量磁通的范围为106103wb，测量的误差为104103。旋转线圈法和振动线圈法是电磁感应法的直接应用，主要用于测量恒定磁场。旋转线圈法的测量范围为10810t，测量的误差为104102；振动线圈法的测量误差为102左右。,三、磁场测量的方法,3、磁通门法磁通门法是利用被测磁场中磁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度磁场强度的非线性关系来测量磁场的一种方法。这种方法主要用于测量恒定的或缓慢变化的弱磁场，在测量电路稍加变化后也可以测量交变磁场。其中，频率选择法的测量范围为1012103t，测量的误差为(13)102；时间选择法的测量范围为2.51091.25104t。磁通门法大量用于地质勘探、材料探伤、宇航工程、军事探测等方面。,三、磁场测量的方法,4电磁效应法电磁效应法是利用金属或半导体中通过的电流在外磁场的作用下产生的电磁效应来测量磁场的一种方法。霍尔效应法应用最广，它可以测量10710t范围内的恒定磁场，测量的误差为103102；也可以测量频率达兆赫、磁场达5t的变化磁场，尤其对小间隙空间内的磁场测量更有优越性。,三、磁场测量的方法,磁阻效应法主要用于测量10210t的较强磁场，测量的误差为103左右；对于某些薄膜磁阻仪器，可测量频率达100mhz的磁场，在窄带下可以测量1011t的微弱磁场；磁敏晶体管法可以测量105102t范围内的恒定磁场和5hz以内的交变磁场，但因受元器件的稳定性限制，目前很少用于测量磁场。,三、磁场测量的方法,5、磁共振法磁共振法是利用物质量子状态变化而精密测量磁场的一种方法，其测量的对象一般是均匀的恒定磁场。核磁共振法主要用于测量10210t范围内的中强磁场，测量的误差一般可达105，最高达106；流水式核磁共振法可测量10525t范围内的磁场，它还可以测量不均匀的磁场；,三、磁场测量的方法,电子顺磁共振法主要用于测量104101t范围内的较弱磁场，测量的误差为104左右；光泵法用于测量小于103t以下的弱磁场，其分辨力可达1011t。核磁共振法已形成通用仪器，广为应用。光泵法在火箭、卫星、军事工程、生物磁学、地球物理等方面有较多的应用。,三、磁场测量的方法,6、超导效应法超导效应法是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，它可以测量0.1t以下的恒定磁场或交变磁场。超导量子干涉器件(squid)具有从直流到1012hz的良好频率特性。其中，dc.squid的磁场分辨力可达71015t/；rf.squid的磁场分辨力可达1014t/。超导效应有极高的灵敏度，用它还可以制成梯度计，在地质勘探、大地测量、计量技术、生物磁学等方面有重要的应用。,三、磁场测量的方法,7、磁光效应法磁光效应法是利用磁场对光和介质的相互作用而产生的磁光效应来测量磁场的一种方法，它可用于测量恒定磁场、交变磁场和脉冲磁场。其中，利用法拉第效应可测量0.110t范围内的磁场，测量的误差为102。利用克尔(kerr)效应法可测量高达100t的强磁场，测量的误差为3102。磁光效应法主要用于低温下的超导磁场的测量。近年来，由于光导纤维的应用，磁光效应法可适用于104101t范围内的磁场测量。,第二节,电磁感应,一、电磁感应法原理,电磁感应法是以法拉第电磁感应定律为基础的磁场测量方法。电磁感应法的磁传感器是一个线圈匝数为n和线圈截面积为a的固定的探测线圈。当把探测线圈置于磁感应强度为b0的被测磁场中时，可通过线圈的抽动、旋转、振动等使耦合到该线圈中的磁通发生变化，从而在探测线圈中产生感应电动势,一、电磁感应法原理,由于探测线圈的na是一常数（称为线圈常数），因此按上式只要测量出感应电动势对时间的积分值，便可以得磁感应强度b0的变化量测量积分值edt的方法很多，如利用冲击检流计、磁电式磁通表、电子积分器、vf变换器。此外，如果探测线圈由一个角速度为的电动机带动旋转，并且使其旋转绕垂直于被测磁场的轴线方向时，由于磁通为=ab0sint，则线圈的感应电动势为如果线圈的几何尺寸及转速恒定，则按上式可由感应电动势准确地求出被测的磁感应强度b0。这种方法通常称为旋转线圈法。,二、探测线圈的设计,探测线圈是在一定形状的骨架上绕以有固定匝数的空心线圈，其形状和几何尺寸要根据被测磁场的形态和分布而选定。例如，工程中使用的探测线圈最小直径为0.5mm、线圈常数约0.7104m2，大型的线圈直径可达60mm、线圈常数约30m2。探测线圈的形状主要有圆柱形、环形和盘形三种。圆柱形线圈用于测量空间“点”磁场。环形线圈用于测量永磁样品的磁通。盘形线圈用于测量狭缝磁场和电器元件的空间漏磁通。,二、探测线圈的设计,有文献给出了满足圆柱形“点”线圈几何尺寸的关系（如图1所示）式中d1线圈内径；d2线圈外径；线圈长度，沿磁感应强度b0方向取向。,图1,二、探测线圈的设计,如果线圈的内径很小，由上式可得如果线圈是薄层线圈，即d1d2=d0时，可得式中，d0是线圈骨架的直径。关于非均匀磁场中点值测量方法的更详细分析见某些文献，所得的值比式的值略大。,二、探测线圈的设计,单层圆柱形线圈的线圈常数na可用计算方法或由实验来确定。用计算法时，线圈常数式中，d为线圈导线的直径(包括绝缘层)。为了准确计算线圈常数，通常选用精细计量过的裸铜线间绕，并且用绝缘漆把线圈固定在骨架上。骨架应选择温度系数小的材料，如大理石、高级酚醛材料等。这样，计算的线圈常数的准确度可达(35)104。,二、探测线圈的设计,多层圆柱线圈的线圈常数可按下式计算多层圆形线圈的线圈常数大都是由计量部门给予定值和定期检定的。检定线圈常数采用磁量具比较装置，按零值法或差值法进行测量，测量的误差在10-3左右。,二、探测线圈的设计,在实用上，为了简单测定线圈常数，通常采用磁通表法，即由已知常数的标准线圈（kn）与待定常数的线圈（kx）进行比对（如图2所示）。图中，将待定的常数的探测线圈与标准线圈相串联，置入参考磁场（永久磁铁或稳定的电磁铁），串联线圈同时接入磁通表。当参考磁场保持不变而分别抽动每一个线圈时，由磁通表的读数便可确定待定线圈的常数。两个线圈串联时，保持用磁通表测量时探测线圈的内阻不变。当标准的与待定的线圈相接近时，可用磁通表的同一量程读数，此时的误差最小。,图2,三、磁通表的校验方法,磁通表是测量磁通和磁场的一种通用型仪表。下面叙述的磁通表校验方法原则上也适用于其他应用电磁感应法的测量仪器。1互感法采用标准互感校验磁通表是最先提出的方法，其原理线路如图3所示。,图3,三、磁通表的校验方法,标准互感m取1020mh为宜，通常它有23个初级线圈和一个次级线圈。标准互感的误差小于103。初级电流用数字电流或其他方法测量，测量误差小于5104。这样，校验系统的总误差在103左右。校验时，应使用无锡的铜线，整个系统避免温升、热电势引起的误差。电流调节采用十进制电阻箱。为了兼顾互感和磁通表的灵敏度，可通过换向开关k2改变电流，从而按下式计算总磁通n=2108mi式中m互感系数（h）；i初级电流强度（a）。,三、磁通表的校验方法,用互感法校验磁通表的缺点是：1.互感线圈的阻抗、初级线圈的电流容量限制了校验范围；2.互感线圈的频率特性、次级线圈电阻限制了校验的准确度。,三、磁通表的校验方法,2标准磁场法这种方法采用标准磁场和标准线圈，从而产生标准磁通校验磁通表。标准磁场一般采用均匀性好的永久磁铁或电磁铁，并采用准确度高达万分之几的磁强计（如核磁共振磁强计）为标准磁场定标。这种方法直观、测量速度较快。使用这种方法的缺点是：标准线圈常数的标准磁场的大小限制了校验的范围；标准测量线圈的电阻及其轴线与磁场方向的偏角、磁场的均匀性和稳定性、噪声及杂散磁场等影响测量的准确度。,三、磁通表的校验方法,3电容充放电这种方法仅适用于模拟积分电子磁通表的校验，测量电路如图4所示。,图4,三、磁通表的校验方法,磁通表的标称示数为frdg=ku(ct/cf)rt/(rt+rf)式中frdg磁通表的读数；k与测量电路有关的传输系数；ct校验电路中的定标电容值（f）；cf被校磁通表的积分电容值（f）；rt校验电路中的定标电阻值（）；rf被校磁通表的积分电阻值（）；u电势源的电压值（v）。,三、磁通表的校验方法,在上式中需要已知cf、rf值。在校验时也可使sr处于a点测量，此时上式简化为用电容充、放电法校验磁通表，具有简单、实用的优点；此法的缺点是准确度不可能太高，对校验对象有一定要求。,三、磁通表的校验方法,4伏秒定标这种方法要求制作宽范围、高精度调整电压的时间积分值的单扫描电压波形发生器，例如宽为10s、高度为1v的单扫描方波的时间积分值。专门用于校验磁通表的伏秒定标器已有商品出售，例如美国walker公司的mtc1型磁通表校验器，有输出电压0.01v和1v两档，脉冲高度为0.0110s5105，伏秒乘积值为1106vs（101mwb）10vs（10wb），测量的误差为4.7104。,三、磁通表的校验方法,伏秒定标法的缺点是：准确的方波其前、后沿在制作上有困难；方波电压作为磁通表的输入使得磁通表的积分放大器的频率特性成为主要误差源。最近已经出现一种带微处理器的磁通表校验装置，电路产生波形前、后沿准确光滑的单扫描正弦波电压，采样处理模数变换后的数据，它在额定的10510wb范围内，校验的误差为5104，其最高分辨力可达109wb。,四、磁通表法在测量中的某些特殊问题,采用模拟积分的电子式磁通表和采用数字积分的vf变换式磁通表，克服了经典的磁电式磁通表的缺点，提高了测量的分辨力、准确度和稳定性，并且显示清晰、直观，可以直接应用到测试系统中。但是，任何种类的磁通表都必须注意在使用中的一些特殊问题，才能发挥它的长处。,四、磁通表法在测量中的某些特殊问题,1探测线圈电阻的影响探测线圈的电阻对磁通表测量误差的影响随磁通表输入阻抗的增加而减小，因此，在探测线圈的电阻较大时，应对磁通表的示数进行修正式中fs校正后的磁通值；fr磁通表的读数；r测量线圈的电阻；r1磁通表的输入电阻。,四、磁通表法在测量中的某些特殊问题,温度对测量线圈电阻的影响也应当考虑。由于使用时的温度和标定时的温度不一致，应该进行修正r1=r01+(t-t0)式中r0探测线圈在标定温度t0下的阻值；t使用磁通表时的温度。,四、磁通表法在测量中的某些特殊问题,2热电势的补偿在测量中，由于存在热电势造成读数的不稳定，可采用图5所示的电路进行补偿。图中，可产生一个方向可正可负、数值为0400v的电动势。其中，remf=1.5，它由高质量的线绕电阻制成，要求其温度系数小、短时间的稳定性好，而其准确度并不重要。按图中给定的数值，remf两端的电势可达40v。remf越大，它产生用于抵消热电势的电压越高。应当注意，remf增大了探测线圈的回路电阻，应进行适当修正。,图5,四、磁通表法在测量中的某些特殊问题,3开关瞬态尖峰的影响当采用互感线圈对磁通表定标或对电感性绕组的铁心测试时，开关操作所引起的瞬态尖峰脉冲电压可对磁通表的示值引起相当大的误差，在开关打开时所得的示数与在开关闭合时所得的示数相差很大。为消除瞬态尖峰脉冲电压的影响，在磁通表的输入端跨接一个容量为0.010.1f之间的电容。因为磁通表的频响很宽，接入这样的电容并不影响测量的结果。,四、磁通表法在测量中的某些特殊问题,4探测线圈的移动速度问题采用vf变换器的磁通表，从原理上消除了顺序误差，解决了模拟积分器的漂移等问题。但是，还存在由于探测线圈的移动速度不同而使测量值改变，从而不能准确测量磁通的问题。因为，线圈移动速度太慢会使线圈中的感应电压小于阀值而推不动vf变换器；线圈移动过快时又会使感应电压太大而导致前置放大器饱和。对于用互感线圈作输入的磁通表，也有类似问题。,四、磁通表法在测量中的某些特殊问题,4探测线圈的移动速度问题有文献提出用波形变换法改善vf变换积分式磁通表准确度的方法，为此，在感应电压脉冲进入积分器前先通过一个如图6所示的波形变换网络。实际上，这是一个简单的rc滤波器。以下的分析指出，通过这个变换后，测量的结果将和抽动线圈的速度无关。,图6,四、磁通表法在测量中的某些特殊问题,由于感应电压的面积相当于磁通量，所以，对于同一磁通量、不同线圈的移动速度或原边电流变化速度，将对应一些面积相同而宽度和高度不同的电压脉冲。为便于计算，先考虑如图7(a)所示的感应电压脉冲面积为a、宽度为、高度为a/的方波。这样的脉冲在通过此网络后，输出脉冲可用下式表示,图7,四、磁通表法在测量中的某些特殊问题,此波形在t=时达到极大值所以式也可改写为如果脉冲宽度满足rc,则式可改写为,四、磁通表法在测量中的某些特殊问题,由此看出，在满足式rc的条件下，变换后的脉冲峰值常数a/rc与无关。另一方面，由式看出，当t时，输出波形总是以rc为时间常数的指数衰减函数。因此，在rc的条件下，不同高度和宽度的输入波形都变换成了非常接近的形状，再输入到积分器后就得到相当一致的结果。图7(b)为变换后的波形。加上此网络后，只要线圈的抽动速度不太慢，测量的结果就和速度无关。这个结论也适合于普遍情况。,图7,五、锁相式旋转线圈系统分析,1.旋转线圈法是测量恒定磁场的一种简单方法。由于这种方法的测量范围宽、灵敏度高、线