【现代测试技术】第9章 磁测量.ppt

第9章磁测量 1 概述 2 基本磁规律和磁单位 3 物质的磁性及其分类 4 静态磁特性的测量 5 动态磁特性的测量 本章主要内容 9 1概述 磁测量的基本被测量 磁通 磁感应强度B 磁场强度H 磁化强度M等 磁量具分为 磁通量具 坎贝尔互感器 磁感应量具 永久磁铁和通电线圈 磁距量具 椭球形永久磁铁或通电流螺线管 对磁场和磁性材料进行测量 通过磁测量来测量其它物理量 第9章磁测量 9 1 1磁测量的任务 9 1 2磁量具 9 2基本磁规律和磁单位 4 磁单位 3 磁路定律 2 磁场的基本规律 安培环路定律 1 基本磁学量 B和H 第9章磁测量 1 磁感应强度磁感应强度定义为 在国际单位中 磁感应强度的单位为 9 2 1基本磁学量 电磁单位制中 第9章磁测量 2 磁通 磁通 穿过某一截面S的磁感应强度B的通量 式中 是面积元ds的法线 n 与B之间的夹角 磁通量定义图 在均匀磁场中 若截面s与磁感应强度向量B垂直 则上式可变为 第9章磁测量 在国际单位制中 磁通的单位为韦伯 Wb 但在工程上有时仍用电磁制单位麦克斯韦 简称麦 Mx 它们之间的换算关系为 第9章磁测量 3 磁场强度 磁场强度向量H 电磁单位制 单位换算 奥斯特Oe 真空中媒质磁导率 第9章磁测量 9 2 2磁场的基本定律 1 安培环路定律 在真空磁场中 磁场强度的切线分量上是连续的 在磁场中 沿任一闭合回路磁场强度向量的线积分值 等于穿过该闭合路径电流的代数和 即 第9章磁测量 2 磁通连续性原理 穿过任意闭合面的磁通代数和恒等于零 即 由此可知 磁感应强度的法线方向分量连续 第9章磁测量 3 电磁感应定律 第9章磁测量 9 2 3磁路定律 1 磁路凡磁通通过的路径都称为磁路 韦斯型电磁铁由磁轭 带线圈的铁心 磁极及其隙组成 漏磁通 磁力线穿过磁轭经空气闭合 主磁通 磁力线经磁轭 铁心 磁极 及气隙闭合 第9章磁测量 2 磁路定律 无分支磁路 忽略漏磁情况下 认为通过任何截面的磁通相等 第9章磁测量 磁学量单位及其换算关系 9 2 3磁单位 第9章磁测量 按内部结构及在外磁场中性状分 9 3 1物质的磁性及分类 第9章磁测量 顺磁物质 略大于 0逆磁物质 略小于 0铁磁物质 0 按性质分 金属类 电工钢 镍基合金 稀土合金非金属类 铁氧体 磁性材料是生产 生活 国防科学技术中广泛使用的材料 如制造电力技术中的各种电机 变压器 电子技术中的各种磁性元件和微波电子管 通信技术中的滤波器和增感器 国防技术中的磁性水雷 电磁炮 各种家用电器等 磁性材料在地矿探测 海洋探测以及信息 能源 生物技术领域中也有广泛的应用 按使用分 软磁材料 易磁化 易退磁 主要用作电感元件 变压器 录像磁头永磁材料 硬磁材料 不易退磁 长期保留 录音器 电话机功能磁性材料 磁致伸缩 磁记录材料 磁电阻材料 磁光材料 磁性薄膜等矩磁材料 具有辨别物理状态的特性 如计算机 1 0 两重状态 各种开关和控制系统的 开 关 逻辑系统的 是 否 两种状态 广泛用于制造高速存储器 9 3 2磁特性曲线 这些磁特性曲线的横坐标是加在被测材料上的磁场强度H 纵坐标是材料中的磁通密度B 这种表示方式使这些曲线只反映材料的性质 与材料的形状 尺寸无关 软磁材料的动态磁特性还包括复数磁导率和铁损 磁特性曲线 第9章磁测量 工作在直流磁场下的静态磁特性曲线和反映磁滞效应的静态磁特性回线 工作在变化磁场 包括周期性交变磁场 脉冲磁场和交 直流叠加磁场等 之下 包括涡流效应在内的动态磁特性曲线和动态磁特性回线等 9 3 3铁磁物质的磁化 图 1 磁特性测量 1 原始磁化曲线 表征铁磁物质的磁化状态 图 2 原始磁化曲线 第9章磁测量 起始磁导率 在极小磁场下 磁感应强度与磁场强度之比 最大磁导率 第9章磁测量 第9章磁测量 2 磁滞回线 主要参数 矫顽力Hc 剩余磁感应强度 Br 饱和磁场强度Hm 饱和磁感应强度Bm B和H关系 非线性 非单值 与磁化过程相关 如 局部磁滞回线的存在 铁磁物质在m和m 点之间 经过反复十多次正 反向的磁化 磁锻 得到一条稳定的对称于原点的磁滞回线 第9章磁测量 基本磁化曲线 3 基本磁化曲线将在不同Hm下的磁滞回线的正顶点连接 得到的曲线称为基本磁化曲线 简称磁化曲线 第9章磁测量 4 退磁外磁场在正 负之间反复变化 同时幅值逐渐减小 最后减到0 既完成了铁磁材料的退磁过程 退磁过程 第9章磁测量 9 4磁场的基本测量方法 1 冲击法 上式两边同时对时间积分 t0为磁通变化持续时间 考虑到 有 式中Q为冲击检流计总电量 将检流计特性 带入上式 得 第9章磁测量 2 磁通法 3 霍尔效应法 用磁通计取代检流计 霍尔电压 UH KH B iKH 霍尔片的灵敏度 与材料的性质 形状有关 第9章磁测量 霍尔元件测量磁场的主要误差来源 1 温度误差 霍尔系数和电阻率随温度变化 电阻率的变化导致霍尔元件输入输出电阻的变化 从而影响输出电压的变化 2 不等电位差 霍尔电压引出点位不对称引起外磁场为零 霍尔电压不为零 3 恒流源不稳定造成误差 第9章磁测量 3 霍尔效应法 磁性材料使用直流磁场磁化测得的磁特性 称为静态磁特性 9 5 1磁性材料试样的准备 9 5静态磁特性的测量 1 环形样品 第9章磁测量 式中 l为磁导计样品的长度 磁导计结构图 2 棒形样品 第9章磁测量 9 5 1磁性材料试样的准备 9 5 2样品的退磁 退磁的方法 热退磁 将样品加热到居里点 再在无外磁场的情况下 缓慢冷却到室温 交流退磁 退磁装置 第9章磁测量 超低频 直流 退磁 用交变磁场退磁时 由于集肤效应的存在 只能退去样品靠近表面层的剩磁 如果样品整个截面上有剩磁存在时 则需要用超低频交流换向方法 第9章磁测量 9 5 3基本磁化曲线的测量 第9章磁测量 包括 测量电路 磁化电路 测定冲击常数C 电路 退磁电路 步骤 1 开关K1合向AC 用自耦变压器T对样品进行退磁 2 根据待测Hm值 通过R1调节磁化电流I 且有 3 开关K2对样品进行磁锻 并使磁锻后样品中的磁场强度处于 Hm 即磁化电流为 I 4 切断磁化电流 使磁场强度Hm下降为零 此时于Hm相对应的 Bm下降为 Br Br为剩磁 在测量线圈W2中磁感应强度的变化为 6 磁化电流反向降至 I 磁场强度由0 Hm 此时磁感应强度相应 Br Bm W2中磁感应强度的变化为 于是 第9章磁测量 根据上述六步 在不同的磁化电流下可测出相应的Bm和Hm值 连接这些点 得到基本磁化曲线 基本原则 找出对应与饱和磁场 BmHm 的磁化电流Im值 对样品进行退磁和磁锻 逐渐测量磁滞回线上的B和H值 9 5 4磁滞回线的测量 磁滞回线测量示意图 第9章磁测量 1 按测量基本磁化曲线的方法 测出Bm与Br 算出Hm 即 2 使样品的磁状态从c点回到a点 并停在点a上 步骤 3 在磁滞回线ab段上 B H的测量 打开K3 将磁化电流减小到d点对应的I1 此时 当磁化电流从Im I1时 由测量线圈测 则点d的磁感应强度 4 再切断磁化电流 使样品从点d沿着回路变到H 0与B Br磁状态 5 磁滞回线bc断上 B H值的测量 将磁化电流由0减小到 I1 开关K3断开 将开关K2换向 此时 第9章磁测量 6 在电流从0减小到 I1时 由测量线圈测出 B4 则点e的磁感应强度 7 再使磁化电流沿着磁滞回线从点e 点c 点a变化 于是 样品中的B H值又恢复到磁滞回线的点a 8 利用电阻R4调节不同磁化电流值 反复 3 6 步 即可测出一半的磁滞回线 根据回线的对称性 就可以绘出完整的磁滞回线 第9章磁测量 第9章磁测量 9 6动态磁特性的测量 磁性材料在交变磁场中变现出的磁特性称为交流磁化特性 与静态磁特性不同 物质的动态磁特性不仅和物质本身的磁性有关 还与励磁电流的频率 幅度 波形等因素有关 静态磁滞回线的面积是静态的磁滞损耗 动态磁滞回线的面积是总损耗 包括三部分 磁滞损耗 指铁磁材料作为磁介质 在一定励磁磁场下产生的固有损耗 在电能转换磁能过程中所产生的损耗 涡流损耗 磁通发生交变时 铁芯产生感应电动势进而产生感应电流 感应电流呈旋涡状 感应电流在铁芯电阻上产生的损耗就是涡流损耗 剩余损耗 除磁滞损耗和涡流损耗以外的损耗 所以动态磁滞回线的面积总是大于静态磁滞回线的面积 9 6 1用指示仪表测量动态磁化曲线 V1 峰值电压表 V2 整流式电压表 磁化电流峰值为 样品中磁场强度峰值 W2中的感应电压由V2测出其平均值 则样品中的磁感应强度 推导见下文 不同磁化电流下 得一系列Bm和Hm 则可画出交流基本磁化曲线 第9章磁测量 9 6动