电磁测量课件 第九章.ppt

1、第九章 磁性测量技术,第一节 磁性测量的基本知识 第二节 空间磁场的测量 第三节 铁磁材料静态磁性的测量 第四节 铁磁材料动态磁性的测量 第五节 金属管道缺陷的无损漏磁检测,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

2、基本测量原理和测量方法。,第一节 磁性测量的基本知识,一、磁感应强度和磁通 1磁感应强度 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B 表示，B 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。国际单位制单位是韦伯/米(Wb/m2) ， 电磁单位制单位是高斯（GS）。 2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。,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

3、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,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,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 2均匀磁场中转动线圈中的感应电动势,演示,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

4、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。,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

5、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。,原始磁化曲线 磁滞回线,第二节 空间磁场的测量,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 置于被测磁场中，线圈平面与磁场垂直，则在线圈内产生的 感应电动势为,可在半周期内计算e 的平均值，有,可得,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,三、冲击法,冲击法是测量直流磁场的古典方

6、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。 1用冲击检流计测量磁通 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，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,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,则,式中的 叫做检流计的磁通冲击常数。,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

7、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 。,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,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。,探头 探头由高导磁率、低矫顽力的软磁材料制成，上面

8、绕有 励磁线圈N1 和测量线圈N2 ，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。,外加磁场等于0时磁感应强度和感应电势的波形,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，

9、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,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。,磁通门磁强计的总体结构框图,五、霍尔效应法 1原理 当把一块金属或半导 体薄片放在磁场中时，沿 垂直磁场方向通入流 I ， 则在薄片另一方向的侧面 产生电动势 eH ，即霍尔 电动

10、势，这种现象叫霍尔 效应 。霍尔电动势为,霍尔效应示意图,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。,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

11、有驱动电流无磁场时，霍尔元件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,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,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，从而降低霍尔电势，取合

12、适的RS，可以使输出的霍尔电势保持不变。,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,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。,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

13、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。,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。,六、磁通表法 1结构 磁通表是测量磁通的直读仪表，其结构如图所示。 2工作原理 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,有,令,得,所以，根据磁通改变前后磁通表的指针偏转角

14、的变化，可以决定磁通的变化量。,七、核磁共振法 根据塞曼(PZeeman)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 场作用在原子上时，塞曼能级之间将发生感应跃迁，这种现 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 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 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。,返回本章首页,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

15、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。,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

16、场频率范围很宽，能响应的磁场频率变化在01000MHz之间。,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 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。 一、测量样品 1闭路样品 2开路样品 3样品的去磁 动画演示 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 线圈紧贴样品表面密绕在样品的均匀磁化部分，如图所示。,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

17、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,三、磁场强度的测量 1扁平线圈法 通过测量紧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,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

18、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,四、基本磁化曲线的测量,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。,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

19、磁滞回线的顶点（ B1 ，H1 ）、 （ B2 ，H2 ） ，最后将各顶点连接起来，就得到了基本磁化曲线 。,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。,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

20、最大值，则磁场强度的最大值为,当磁化电流为非正弦量时，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,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 。,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

21、； （3）要求测量过程中和都保证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。,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。,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铜损；第三项是电压表内

22、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,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。,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。,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,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