【现代测试技术】第9章 磁测量

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第9章 磁 测量
本章主要内容:
(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
第9章 磁 测量
9.1 概述
9.1.1 磁测量的任务
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。 磁测量的基本被测量:
磁通Φ,磁感应强度B,磁场强度H,磁化强度M等。
第9章 磁 测量
9.3.3 铁磁物质的磁化
1. 原始磁化曲线——表征铁磁物质的磁化状态
d
dB dH
图(1)磁特性测量
图(2)原始磁化曲线
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起始磁导率:在极小磁场下,磁感应强度与磁场强度之比
i lim
B H
H 0
最大磁导率:
m ax
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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
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2.磁路定律
忽略漏磁情况下,认为通 过任何截面的磁通相等。
B S NI l / s H dl H l N I
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9.2.3 磁单位
磁学量单位及其换算关系
量及其符号
磁感应强度B 磁通 磁场强度H 真空磁导率
N

t0
(
d dt
0
) dt R idt L (
0 0
t0
di dt
) dt
t0为磁通变化持续时间,考虑到:i (t 0 ) i ( 0 ) 0 有: N RQ
式中Q为冲击检流计总电量,将检流计特性: Q C Q m
RC Q N
带入上式,得:
m
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9.5 静态磁特性的测量
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
(1)环形样品
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9.5.1 磁性材料试样的准备
(2)棒形样品
H
Ni l
式中,l 为磁导计样品的长度。 磁导计结构图
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9.5.2 样品的退磁
退磁的方法 :
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9.3.2 磁特性曲线
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;
磁特性曲线
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。
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。
Im V1 R
9.6.1 用指示仪表测量 动态磁化曲线
* 样品中磁场强度峰值:
Hm I m N1 l
* 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:
Bm V2 4 fN 2 S
(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
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S
B s d
d B ds B cos ds
式中, β 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:
B s
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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:
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9.5.4 磁滞回线的测量
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。
磁滞回线测量示意图
第9章 磁 测量
步骤:
(1)按测量基本磁化曲线的方法,测出Bm与Br, 算出Hm,即:
Bm B1 B 2 2
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:
H dl i
l
磁场强度的切线分量上是连续的:
H 1t H 2 t
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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:

B ds 0
s
由此可知,磁感应强度的法线方向分量连续:
F 磁感应强度定义为: B Il
B
I
F
l
在国际单位中,磁感应强度的单位为:
[ B ]= 牛 顿 = 韦 伯 ( wb) 2 = 特 斯 拉 ( T ) 安 培 米 米
电磁单位制中:
1T =10 G s
4
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2.磁通
磁通:穿过某一截面S的磁感应强度B的通量
m

U 2m 2 fN 2 S
Hm
I m N1 l
则可最终得到动态磁化曲线
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9.1.2 磁量具
磁通量具:坎贝尔互感器
磁量具分为 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
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9.2 基本磁规律和磁单位
(1)基本磁学量:B和H (2)磁场的基本规律:安培环路定律 (3)磁路定律
(4)磁单位
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9.2.1 基本磁学量
1.磁感应强度
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。
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9.6 动态磁特性的测量
动态磁特性是指磁性材料在交变 磁场中的磁性能。
* V1:峰值电压表;V2:整流式电压表 * 磁化电流峰值为:
SI单位名称
特斯拉(T) 韦伯(Wb) 安/米(A/m) 4· -7(H/m) 10
CGS单位名称
高斯(Gs) 麦克斯韦(Mx) 奥斯特(Oe) 1(无量纲)
换算关系
1T=104Gs 1Wb=108Mx 1A/m=1/80Oe
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9.3.1 物质的磁性及分类
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
9.6.2 用虚拟仪器测量动态磁化曲线
设被测试样中磁感应强度为:
B ( t ) B m sin( t )
则W2中的感应电压为:
e (t ) u (t ) d (t ) dt N 2S dB ( t ) dt 2 fB m N 2 S cos( t )
采样测出Um,则可得到:B 不同磁化电流下,采样并计算出Hm:
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
退磁装臵
第9章 磁 测量
超低频(直流)退磁
I I1 O I2 I3
I4
I5 t
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
B1 B m B r
(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 B2 Br ( Bm ) Br Bm 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 1 于是: B m ( B1 B 2 ) 接这些点,得到基本磁化曲线。 2
第9章 磁 测量
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
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
第9章 磁 测量
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。
1Wb 10 Mx
8
第9章 磁 测量
3.磁场强度
磁场强度向量H:
B H
电磁单位制 : 奥斯特Oe 单位换算:
1A/m 4π 10 Oe
3
真空中媒质磁导率: θ 4 π 10 3 (H/m)
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9.2.2 磁场的基本定律
( 在真空磁场中)
1.安培环路定律
Hm NIm l
B r B m B1
(2)使样品的磁状态从c点回到a点,并停在点a上。
(3)在磁滞回线ab段上,B、H的测量: H 打开K3,将磁化电流减小到d点对应的I1,此时: d
当磁化电流从Im I1时,由测量线圈测 B3 则点d的磁感应强度: B B B d m 3

N I1 l

(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:
He N I1 l
第9章 磁 测量
(6) 在电流从0减小到-I1时,由测量线圈测出ΔB4 ,则点e的磁感应强度
第9章 磁 测量
2.磁通法
用磁通计取代检流计
3.霍尔效应法
霍尔电压: UH=KH· i B·
KH-霍尔片的灵敏度,与 材料的性质、形状有关。
第9章 磁 测量
3.霍尔效应法
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。
Be B r B 4
(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。
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9.6 动态磁特性的测量
基本磁化曲线
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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
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9.4 磁场的基本测量方法
1.冲击法
I
e Ri L N d dt
di dt di dt
t0
Ri L
e
G
上式两边同时对时间积分:
9.5.3 基本磁化曲线的测量
包括: √测量电路 √磁化电路 √测定冲击常数Cψ电路 √退磁电路
第9章 磁 测量
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, NI 且有:
Hm l
(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:
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。
顺磁物质:μ略大于μ0
按内部结构及在外磁场中性状分
逆磁物质:μ略小于μ0 铁磁物质:μ>>μ0
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
B1n B 2 n
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3.电磁感应定律
e
d dt
N
d dt
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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。
0 :漏磁通,磁力线
穿过磁轭经空气闭 合。 磁轭,铁心,磁极, 及气隙闭合。
s 主磁通,磁力线经
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
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 按使用分 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
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