电磁测量第九章

电磁测量第九章第1页，共53页，2023年，2月20日，星期一本章主要内容概述磁测量的基本知识空间磁场的测量铁磁材料静态磁性的测量铁磁材料静态磁性的测量第2页，共53页，2023年，2月20日，星期一特点：频段宽，磁性材料及元器件广泛用于现代科学技术各个领域磁性测量的内容多，直接测量B、H，磁效应的观察、研究等。为了测量材料的磁特性，要把材料做成样品，在外磁场的作用下，测量材料的磁响应。1.对空间磁场、磁性材料性能的测量(宏观)

；2.分析物质磁结构，观察物质在磁场中各种磁效应(微观)；3.磁性测量在其他学科领域的应用，如磁性探伤、磁性诊断。本章主要讨论空间磁场、磁性材料性能测量方法和测量仪器。一、磁测量的任务概述磁测量:是一种用测量仪器和测量方法对磁性材料及磁性产品进行磁性参数测量的技术。第3页，共53页，2023年，2月20日，星期一二、磁性测量的历史回顾1086年沈括：地磁偏角的发现(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；1831年法拉第：电磁感应定律；20世纪30年代：出现了利用磁性材料自身磁饱和特性的磁强计；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；20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展提供条件——霍尔效应、磁阻效应、磁敏效应等效应。核磁共振现象(1946)：使磁场测量准确度可达10-6；约瑟夫森效应(1962)：使磁场测量的下限达到10-15T；第4页，共53页，2023年，2月20日，星期一⒈磁感应强度(B)

描述磁场性质的物理量(矢量)，大小表示该点磁场强弱。国际单位制:单位是韦伯/米2，即特斯拉（T）电磁单位制:B的单位是高斯（GS）换算关系:1T=1Wb/m2=104GS⒉磁通(Φ)磁通:磁感应强度矢量沿一个面S的面积分称B穿过S面的磁通量Φ=∫S

B·dS§9-1磁测量的基本知识若磁场均匀，S面是平面且与磁场垂直，则Φ=BS一、磁感应强度和磁通第5页，共53页，2023年，2月20日，星期一磁通的连续性：如果S面是一个闭合面，有Φ=∮SB·dS=0

这是磁场的重要特性之一。⒈磁场强度(H)磁场强度是为了便于分析磁场和电流的关系而引入的一个物理量，也是矢量，它与磁感应强度的关系为:

H=B/μ式中μ是磁介质的磁导率，决定于磁介质的性质。H的单位是安培/米(A/m),真空磁导率为：μ0=4π×10-7亨利/米(H/m)。相对磁导率：μr

=μ/μ0二、磁场强度及安培环路定律第6页，共53页，2023年，2月20日，星期一⒉安培环路定律在磁场中，矢量沿任何闭合曲面的线积分，等于包围在闭合曲线内各电流的代数和，用公式表示∮Hdl=∑I三、磁场的边界条件⒈Bn的边界条件B1n=B2n⒉Ht的边界条件H1t=H2t四、电磁感应⒈电磁感应定律⒉在均匀磁场中转动的线圈内的感应电动势e=NBSωSinωte=-NdΦdt第7页，共53页，2023年，2月20日，星期一五、铁磁材料的磁特性导磁能力:导磁率μ来表示材料导磁能力强弱，根据磁导率的大小，分为铁磁性材料和非铁磁性材料两大类。非铁磁性材料：导磁能力很差，其导磁率约为真空的导磁率μ0。铁磁性材料：导磁能力很强，其导磁率为真空导磁率的百倍万倍以上，如硅钢、铸钢等。铁磁材料软磁材料：磁导率很高（如硅钢），但矫顽力很小，反映在磁滞回线上是回线狭而长，退磁容易，适用于需要反复磁化的场合，用来制造变压器、电机、继电器和电磁铁等。硬磁材料：磁导率不太高，但矫顽力很大，剩磁也很大，反映在磁滞回线上是磁滞回线宽而短。第8页，共53页，2023年，2月20日，星期一磁化曲线和磁滞回线

直流磁特性曲线：铁磁材料在直流磁化的情况下，磁感应强度B与磁场强度H之间的关系曲线，表示各种铁磁材料的基本特性。原始磁化曲线：当磁性材料在完全去磁状态下，将其磁化磁场强度H由零逐渐增加直到饱和状态，这样得到的B～H曲线。原始磁化曲线HBBsHs0第9页，共53页，2023年，2月20日，星期一磁化曲线和磁滞回线

磁滞现象：如果从饱和状态开始减小磁化磁场强度，则磁感应强度B将不沿原来的磁化曲线减小，而是缓慢的减小，B的变化落后于H的变化的现象基本磁化曲线：对于不同的磁化磁场强度，在磁锻炼下可以得到无数条相应的封闭的稳定磁滞回线。基本磁化曲线磁滞回线第10页，共53页，2023年，2月20日，星期一§9-2空间磁场的测量在半周期内计算额e的平均值，对上式积分有：

Ep=4NfΦm

即Φm=Ep/4Nf

一、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。电磁感应法的磁传感器是一个匝数N、截面积S的探测线圈。平面探测线圈置于探测磁场B0中，通过线圈的抽动、旋转振动等使线圈中的磁通发生变化，则探测线圈中的感应电势第11页，共53页，2023年，2月20日，星期一当磁通为正弦波则Bm=ΦmS=4NfSEpHm=Bmμ0=4NfSμ0

EpE=2√2πEpB=2πfNSEH=2πfNSμ0

E如果在整个线圈平面上磁场均匀，则Ep的测量：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得到。电磁感应法的测量范围10-13~103T，测量误差10-3~10-2第12页，共53页，2023年，2月20日，星期一若探测磁场为直流磁场，可将探测线圈由角速度为的电机带动旋转，并使旋转轴线与磁场方向垂直，由于

=SB0sint，则线圈的感应电势为适用于直流恒定磁场，10-8~10T，误差10-4~10-2优点：可增加线圈的转速来测量较弱的磁场。二、旋转线圈法其中U为感应电势的有效值得为保证测量准确，旋转线圈的法线方向应与磁场方向一致。第13页，共53页，2023年，2月20日，星期一三、冲击法测量直流磁场的古典方法，设备简单，可靠性高缺点：测量速度慢⒈用冲击检流计测量磁通⑴冲击检流计冲击检流计是可动部分具有较大惯性的磁电式检流计。

特点：当脉冲电流持续很短时，保证脉冲电流结束之前，检流计的可动部分静止不动，则检流计的第一次最大偏转αm与脉冲电量Q成正比。即αm=SQQ

或Q=CQαm

CQ为电量冲击常数m：冲击检流计第一次最大偏转角第14页，共53页，2023年，2月20日，星期一其中，R为整个回路的电阻，L为整个回路的电感，即

用冲击检流计测量磁通时，是将匝数为N，面积为S的测量线圈放在被测磁场中，线圈平面与磁场垂直，把测量线圈与冲击检流计相连，如果通过线圈的磁通突然发生变化，在线圈中产生感应电流i，则

GBRL用冲击检流计测磁通的电路⑵测量方法设电流i持续的时间间隔为0—τ，取上式两边在该时间间隔内的积分第15页，共53页，2023年，2月20日，星期一有其中是电流i持续的时间间隔内通过检流计的电量。Φ（0）和Φ（τ）是t=0和t=τ时穿过线圈的磁通，i(0)和

i(τ)是t=0和t=τ时的电流值，它们都等于零。则是磁通从t=0到t=τ的变化量。可见，通过检流计的电量与磁通的变化量成正比。第16页，共53页，2023年，2月20日，星期一式中叫检流计的磁通冲击常数又因为Q=CQαm则CQ：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；当产生磁场的电流方向改变，或测量线圈转动180度，则测量线圈中的磁通改变了2，即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。第17页，共53页，2023年，2月20日，星期一⒉磁通冲击常数的测定

AGER1KLMR3R2测量CΦ的电路k1k2M为标准互感，R3和L是测量线圈的等值参数，K是标准互感初级电流的换向开关，R2是调节检流计工作状态的电阻。将k1、k2闭合，K投到任一侧，调节R1使通过M初级的电流为I断开k2，切换K使M的初级电流由I变到-I，磁场的方向改变，则M的次极线圈交链的磁链变化，记录G第一次最大偏转角m测量步骤：第18页，共53页，2023年，2月20日，星期一当I变化ΔI时，变化式中M是常数，ΔI可从电流表中获得，可从检流计中读出根据：得：第19页，共53页，2023年，2月20日，星期一

霍尔效应：是物质在磁场中表现出的一种特性，当把一块金属或半导体薄片垂直放在磁场中，沿垂直磁场方向通入电流I，则在薄片另一方向的侧面产生电动势eH(霍尔电动势)。bBIIdeHEν霍尔效应示意图RH：霍尔系数d：霍尔片厚度K：霍尔片形状系数I：通过霍尔片的电流B：外磁场的磁感应强度四、霍尔效应法霍尔效应于1879年德国人霍尔(Hall)发现。半导体材料的霍尔效应明显，一般材料的霍尔效应不明显。第20页，共53页，2023年，2月20日，星期一为使B与eH之间有线性关系，电流I由恒流源供电。由于霍尔电势较小，需放大后测量。为放大方便，希望eH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。能连续地、线性地读数；无触点，无可动元件；方法简单，使用寿命长，霍尔变换器可以做的很小，很薄；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供电电路：第21页，共53页，2023年，2月20日，星期一主要误差源：仪器的定标校正——采用有核磁共振法校准的磁场源，测量准确度10-4以上；测量仪表的显示——采用数字电压表，测量准确度10-3以上；电流的不稳定性——恒流源供电，稳定性可达10-7；霍尔器件的材料和形状影响；磁阻效应的影响——霍尔器件的电阻率因磁场的增大而提高；对霍尔常数产生影响；要求霍尔器件的材料(1)载流子的迁移率大(2)电阻率不能太大或太小半导体材料霍尔器件的尺寸的大小要考虑尺寸效应温度的影响——霍尔器件的电阻率、迁移率及霍尔系数都是温度的函数。应用时必须进行温度补偿。不等电位的影响——在制造时很难保证霍尔电势的两个电极在同一等位面上。第22页，共53页，2023年，2月20日，星期一⒈结构NSΔαΦNN0

磁通表的结构五、磁通表法结构如图，由于没有产生反作用力矩的游丝或吊丝，所以在不用时指针可以停在标尺的任意位置上。磁通表是测量磁通的直读仪表。测量时被测线圈与表内可动线圈相连，构成一个闭合的测量回路⒉工作原理当被测磁通变化时，通过测量线圈的磁链变化为其中N是测量线圈的匝数通过表内可动线圈的磁链变化为可动线圈N0包围的面积第23页，共53页，2023年，2月20日，星期一两个线圈的磁链的变化应互相补偿，测量回路的总磁链恒定即则第24页，共53页，2023年，2月20日，星期一六、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B成正比。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。核磁共振磁强计的测量范围：0.01~2T；准确度：10-5以上。第25页，共53页，2023年，2月20日，星期一七、用磁通门磁强计测量磁场测量方法: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。磁通门磁强计探头:由高导磁、低矫顽力软磁材料制成,绕有励磁线圈N1和测磁线圈N2。励磁电流i1:足够大的三角波恒流源，能使铁心充分饱和若铁心中的直流磁场H0=0，在交流三角波励磁磁场H作用下，铁心中的磁感应强度为对称梯形波。对称的梯形波的上升沿和下降沿在测量线圈中的感应电势e为对称方波。该波形中无偶次谐波。第26页，共53页，2023年，2月20日，星期一若把探头放在待测的直流磁场H0中，铁心中的合成磁场H’=H+H0。在交流磁场与直流磁场方向相同的半周内，铁心提前进入饱和区，滞后退出饱和区；在相反的半周内则正相反。因此，铁心中的B’是不对称的。不对称的B’感应的感应电势e’亦为不对称方波。该波形中既有奇次谐波，也有偶次谐波。感应电势e’的波形中既有奇次谐波，也有偶次谐波。偶次谐波的大小和相位分别反映了直流磁场的的幅值和方向。第27页，共53页，2023年，2月20日，星期一单铁心探头结构的基波幅值远大于二次谐波的幅值。因此，检测出二次谐波很困难。——改变探头的结构。第28页，共53页，2023年，2月20日，星期一双铁心探头结构励磁磁场在两磁芯中方向相反。励磁线圈测量线圈磁芯1磁芯2磁芯2磁芯1e1e2e不管被测的直流磁场是否为零，测量线圈中输出的基波电势相互抵消。当H0=0时，偶次谐波电势为零；当H0=0时，偶次谐波电势加倍。偶次谐波中，二次谐波占主要成分，为消除噪声和防止谐振，测量线路中加入了低通滤波器。第29页，共53页，2023年，2月20日，星期一一、测量样品⒈闭路样品一般做成圆环形或方框形的，磁路闭合，漏磁小。环形样品的内外半径相差不宜过大，应满足环形样品内部的磁场强度可以由下式决定

§9-3铁磁材料静态磁性的测量⒉开路样品一般做成柱形或条形，磁场强度为磁性材料第30页，共53页，2023年，2月20日，星期一铁磁材料及样品第31页，共53页，2023年，2月20日，星期一⒊样品的去磁测量铁磁材料的磁性，要从中性状态（B=0，H=0）开始。方法：利用磁化线圈给样品加上一个数值逐渐减小，方向不断改变的去磁磁场，使样品内部的B和H经过多次循环不断减弱，直到等于零。二、样品中的磁场测量⒈测量样品的磁感应强度测量样品内部磁感应强度的测量线圈紧贴样品表面密绕在样品的均匀磁化部分。按冲击法或感应法测出样品的总磁通Φ，在沿截面S均匀磁化的条件下可计算B第32页，共53页，2023年，2月20日，星期一由于测B线圈和样品表面之间可能存在气隙，测得的总磁通中包含气隙磁通Φ

0，此时可按下式修正式中H0是样品表面的磁场强度，S0是测B线圈的有效面积。⒉测量样品的磁场强度测量方法有两种：测H的扁平线圈测H的双层同轴线圈第33页，共53页，2023年，2月20日，星期一(1)测H的扁平线圈原理：利用两种介质分界面两侧磁场强度的切向分量向相等测量线圈的磁链为：由磁链可得到：样品内部磁场强度与紧贴其表面的空气中的磁场强度近似相同(2)测H的双层同轴线圈两层线圈之间磁通总磁链第34页，共53页，2023年，2月20日，星期一试样磁化线圈磁轭测磁线圈利用磁导计测磁场它是产生强磁场的磁化装置。主要用来测量矫顽力在几十A/m以上磁性材料(硅钢、纯铁)在高磁场下的磁参数。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，忽略磁轭磁阻l为试样的有效长度样品内部磁场强度得：第35页，共53页，2023年，2月20日，星期一三、基本磁化曲线的测量

测量电路组成：分成测量回路、磁化回路和磁通冲击常数测定回路三个部分。基本磁化曲线：指样品从中性状态（H=0，B=0）开始，逐步单调的增加磁场强度时，对应各个不同磁场所测出的一系列闭合磁滞回线的顶点连线。测量磁滞回线用的辅助电路：虚线连接部分，测量基本磁化曲线时将K2合向“+”的位置就可使这一部分脱开磁化回路不用。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；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。1.冲击测量法第36页，共53页，2023年，2月20日，星期一AGAER4R3R2R1N0K6K5K4K3K2K1NlSMAB--++I

N0：测量线圈M：互感器G：冲击电流计R3、R4：电阻K5：短路开关K6：阻尼开关N：线圈K1、K2、K3：换向开关A1：电流表E：直流电源R2：滑线电阻磁化回路磁通冲击常数测定回路测量回路冲击法测量基本磁化曲线的电路第37页，共53页，2023年，2月20日，星期一进行测量前，样品首先要退磁。3.磁锻炼过程：为使样品达到稳定状态，利用换向开关K1将磁化电流反复换向，使磁滞回线达到重复闭合(稳定过程)。冲击法测量基本磁化曲线的步骤2.确定最小磁化电流：将R1调到最大阻值，合上K6，将K3合“B”，K1与K2合向“+”接通磁化电路，减小R1使磁化电流I为测量所需要的最小值I1，此时最小磁场强度值为：第38页，共53页，2023年，2月20日，星期一010101)1(2mSSHSNCBmaf--=由就可计算出B1考虑气隙时：5.增加磁化电流重复3、4，并联接各顶点即可得到基本磁化曲线。4.测量：打开阻尼开关K6，然后将K1由位置“+”迅速投向位置“-”，同时读取冲击电流计的最大偏转,第39页，共53页，2023年，2月20日，星期一2.直流磁滞回线的自动记录装置超低频电源样品送入X-Y记录仪X通道的取样电阻R上的电压，正于激磁电流，即正比于磁场强度H；检测线圈的输出电压正比于d/dt，经积分后得到或B，送入记录仪Y通道。改变电流的幅值，在纪录仪上即可获得静态磁滞回线。测量原理：第40页，共53页，2023年，2月20日，星期一HT600软磁材料测试仪是由计算机控制主机并接收主机发生的讯号进行数据处理及控制的闭环系统，它能准确地显示磁性材料磁特性轨迹，并打印出测试数据及图形。电路图如下：3、磁材料特性测试仪举例第41页，共53页，2023年，2月20日，星期一定义：指在一定的频率下，在磁感应强度为正弦量时，样品中的磁感应强度的最大值和磁场强度的最大值的关系曲线。音频电源AV1V2N1N2Mi直读指示仪表测量交流磁化曲线§9-4铁磁材料动态磁性的测量动态磁性：铁磁材料的交流磁化曲线、铁损、复数磁导率。一、交流磁化曲线的测量可利用指示仪表法测量原理：在同一励磁状态下，读出平均值电压表V1、V2的值，可得到Bm~Hm曲线上的一点。改变励磁电源的输出电压，即可得到一条Bm~Hm曲线。第42页，共53页，2023年，2月20日，星期一样品加入磁化电流时，在测量线圈N2中产生感应电动势实际上i是非正弦量，引起波形误差。可在磁化回路中串入一个互感器，在互感器次极线圈中产生的感应电动势为用平均值电压表测出e2的平均值E2P再根据磁化电流i的最大值Im，可以算出磁场强度的最大值由当i为正弦量第43页，共53页，2023年，2月20日，星期一同样用平均值电压表测出e1的平均值E1P，则由此也可得出磁化曲线上每点的μm在同一励磁状态下，读出平均值电压表V1、V2的值，可得到Bm~Hm曲线上的一点。取不同的磁化电流可以得到不同的Bm和Hm,就可以得到Bm~Hm交流磁化曲线第44页，共53页，2023年，2月20日，星期一艾泼斯坦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管相串联。规定尺寸的]空心螺线管按一定顺序放置而构成的磁化装置。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Epstein方圈。

Epstein方圈艾泼斯坦方圈主要用于硅钢工频磁参数的测量，方圈要按国际上的标准严格制作。方圈产生的磁场强度二、铁芯损耗的测量Epstein方圈铁磁材料在交变的磁场中的损耗由磁滞效应和涡流效应引起，单位瓦/千克。第45页，共53页，2023年，2月20日，星期一当外加电源经调压器输入电路时，功率表测得的功率瞬时值为：AWVuu1i1e1r1r2u2e2N1N2功率表法测铁损的电路

Epstein方圈—功率表法接线方法：功率表的电压线圈接次极电压，以避免初级线圈的铜损带来的误差。