磁测量

来测量磁场的方法。 利用小磁针的方法常称为“磁强计”法； 利用载流线圈的方法称为电动法。
目前磁—力法已被更简单的霍尔效应法所替代。 电磁感应法： 以电磁感应定律为基础的磁场测量方法。应用十分广泛。
冲击法：用于测量恒定磁场； 旋转线圈法：用于测量恒定磁场，10-8~10T，误差10-4~10-2
磁通门法
取样要尽可能简单方便
1. 闭路试样
圆环形样品：截面一般为矩形，钢带卷绕
D1
或圆环冲片积叠而成。
圆环形样品的尺寸应满足 D0 D1 1
D0 D1 9
h D0
以保证圆环截面各处磁场强度相近。但D0-D1过小，将使样品 的性能不能反映材料的真实性能。
由安培定律，圆环截面各处磁场强度
H NI
D
其中 D D0 D1
HNI l
l为试样的有效长度
磁轭 试样
磁化线圈
测磁线圈
二、用冲击法测量环状样品的磁特性
冲击法
• 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。
测量回路 测量线路
磁化回路
AI
K1
M
B
K2
C
K3
R4
互感M用来测定冲击常数C
dt
dt
线圈中的磁通在时间t1~t2期间变化，对上式两边积分，得
t2 N d dt R t2 idt L t2 didt
t1
dt
t1
t1 dt
或
N 2
1
R
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
t2 idt
t1
RQ
由冲击检流计测量Q，从而测得磁通
R N
Q
R N
Cq m
C N
m
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；
为保证测量准确，探测线圈的法线方向应与磁场方向一致。
冲击法
e N d NS dB0
dt
dt
探测 线圈
改变线圈中电流的方法：
• 线圈中电流通断或改变线圈中电流的方向； • 将线圈从磁场中迅速移到磁场为零的地方，
或将线圈原地转动180°
e G
用冲击检流计测量感应电势
e N d iR L di
m B
Bs
i
0
Br B
Hc
H Hs
H
一、磁性材料测量方法
要测量磁性材料的性能首先要把待测材料 制成试样并在试样上绕制线圈，然后根据材料 的工作条件，测量它的直流或交流磁特性。测 量时要求样品内部磁场必须分布均匀。试样可 制成环状、棒状或条状。
样品应有代表性； 材料磁性能要在样品上测量 样品的形状、尺寸要满足测量条件
超导效应法 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。
一、基于电磁感应原理的测量方法
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。
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
C ：磁通冲击常数。
B
S
RCq NS
m
C NS
m
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
B
C 2 NS
m
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。
电磁感应法的测量范围10-13~103T，测量误差10-3~10-2
磁通表法
结构： 与磁电系检流计基本相同，但无反抗 力矩；
H0
磁通门磁强计的技术性能：
测量上限：±8×10-2T,±8×10-2A/m 频响上限：1000Hz 分辨率（1～2）×10-5A/m,10-18～10-19T
N2
N1 i1
准确度：3%
磁通门磁强计的探头由高导磁、低矫顽力 的软磁材料制成。绕有励磁线圈N1和测磁线 圈
N2.
B Bm
B
H
t
Bm
e
H0 H
则线圈的感应电势为
e
N
d dt
NSB0
cos
t
测出感应电势e值，就可出磁场B0值。此法又称旋转线圈法
若探测磁场为正弦交流磁场，设 = msin t，则线圈的
感应电势e为
e
N
d dt
Nm
cos
t
(2)
因此得
2
m N U
(其中U为感应电势的有效值)
探测磁场的磁感应强度B0为
Bm
m S
2U
NS
B d e iRh
磁感应强度与霍尔电势成正比
•为使B与e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e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。
霍尔效应测量磁场的特点：
• 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。
第6章 磁性测量
•空间磁场、磁通的测量 • 磁性材料性能的测量
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；
可从手册中查
又因为 M Hi
所以
1
Hi Bi
1 Hi
Nd
He
1 Nd
He
sHe
为样品磁导率
s
由此，将问题B~Hi的问题转化为B~He的问题。
磁导计
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。
e N d NS dB0
(1)
dt
dt
上式测量的感应电势对时间积分，可求出磁感应强度B0的
变化量
1
B0 NS edt
(2)
冲击检流计；
edt 的测量方法
磁电系磁通表； 电子积分器；
…...
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=SB0sin t，
本节主要讨论空气中的磁通和磁场的测量技术和测量 方法.主要任务就是测量某个空间或某个位置的磁场强 度、或磁感应强度。例如建造一个磁隔离室，就需要 测量室内磁场是否完全被屏蔽。又例如对磁铁进行充 磁或退磁，就需要测量充磁或退磁的磁场强度是否足 够。 磁场的基本物理量
磁场测量技术的发展 一、基于电磁感应原理的测量方法
磁测量的任务
包括以下三个方面：
1. 对空间磁场、磁性材料磁性能的测量； 2. 分析物质的磁结构，观察物质在磁场中的各种磁效 应； 3. 磁性测量在其他学科领域的应用，如磁性探伤、磁 性诊断。
本课程主要讨论空间磁场、磁性材料磁性能测量 方法和测量仪器。重点介基本方法和原理.
§6-1 空间磁场、磁通的测量
2. 开路试样
一个开路样品置放于外加磁场He中， 则磁性体两个端面就会产生表面磁极 m， m Hd
m He
m 在磁性体内部会产生一个与He相反的 去磁磁场 Hd ，则磁性体内实际作用的内
磁场Hi 可表示为
Hi He Hd
Hd与磁化强度M的关系 Hd Nd M ，Nd 称为去磁系数。
所以
Hi He Hd He NdM
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10-15 T； • 超导量子干涉器件(SQUID)测量系统(1964~1967)：
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 与磁场强度的非线性关系来测量磁场的一种方法。
电磁效应法 利用金属或半导体中通过的电流和外磁场的同时作用下产生
的电磁效应来测量磁场的方法。其中，霍尔效应法应用最广。
磁共振法 利用物质量子状态变化而精密测量磁场的一种方法。 测量对象一般是均匀的恒定磁场。 核磁共振；电子顺磁共振；
2.在磁场中可被强烈磁化; 3.具有磁饱和和磁滞特性. 非磁性材料:水银、铜、硫、氯、氢、 银、金、锌、铅、氧、
氮、铝、铂等。
1.μr≈1不能被强烈磁化; 2. B（Φ）正比于H（I）,无磁饱和现象; 3.μ=B/H=tgα为一常数，μ不随H（I）的变化而变化;
4.无磁滞特性.
几种常用磁性材料的磁导率
磁通表的阻抗系数 ；
测磁线圈置于待测磁场中，线圈两端 接磁通计； 线圈中磁通的改变方法与冲击法相同；
e
磁通表
1 N
C
=2-1：磁通表的偏转角；
=2-1 ：测量线圈中磁通量的变化量；
C=pR/0：磁通表的磁通常数。
二 、用磁通门磁强计测量磁场
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。
磁性材料 磁性材料直流磁特性参数 一、磁性材料样品 二、用冲击法测量环状样品的磁特性
磁性材料
自然界中有电的良导体，如各类金属材料；也有导磁性能好 的材料， 如表列举的硅钢、坡莫合金等。按导磁性能的 好坏，大体上可将物 质分为两类：
磁性材料（也称为铁磁材料）:铁、钴、镍、钆及其合金
1.μr>>1高导磁性;
H NI l
B
2
C N BS
m
R3 BG K 4
N
NB
直流磁滞回线的自动记录装置
送入X-Y记录仪X通道 的电阻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
d/dt，经积分后得到 或
B
E
b
i
E Rh jB
d l
E：半导体材料中的霍尔电场强度； Rh：材料的霍尔系数(m2/As) ； j：半导体材料中的电流密度(A/m2)； B：磁感应强度。
若半导体材料的厚度为d，宽度为b，电流密度 j=i/db , 宽度为b的半导体两侧之间的霍尔电势Uh为
i Uh Eb Rh d B
t
H
H
t
T1
T2
T1 T2
B
t
e
t
T1
T2
T1 T2
滤波
2 f0
选频 放大
2 f0
相敏 检测
直流 放大
记录 仪表
N2
N1
f0
2 f0
4 f0
i1
f0 功放
2
2 震荡器
磁通门磁强计原理电路框图
三、用霍尔效应测量磁场
霍尔效应
把载有电流的半导体放在垂直于 电流方向的磁场中时，在垂直于磁场 和电流的方向产生电动势。
国产特斯拉计
四、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。
§6-2磁性材料直流磁特性的测量方法
二、用磁通门磁强计测量磁场 三、用霍尔效应测量磁场
磁场的基本物理量
1.磁通Φ单位：Wb(韦伯) 定义：垂直穿过某一截面积S的磁力线总数。
2. 感应强度B 单位：特斯拉（T）
定义：表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量， 是个矢量。 规定：其值等于垂直于B矢量的单位
面积的磁力线数计算公式：B=Φ/S
对于电流产生的磁场，磁感应强度的方向和 电流方向满足右手螺旋定则，其大小为:
B=F/LI
3.磁导率μ单位：亨/米（H/m）
定义：衡量物质导磁能力大小的物理量。
大小：真空中的磁导率用μ0表示，实验测得μ0为 一常数。非铁磁性物质的μ近似等于μ0。而铁磁 性物质的磁导率很高，μ>>μ0。空气中的磁导率 μ等于μ0(真空磁导率).
4.磁场强度 单位：安/米（A/m）
定义：在任何磁介质中，磁场中某点的磁感应强度
B与同一点的磁导率μ的比值称为该点的磁场强度 H ，即：H=B/μ。
注意事项：磁场强度H与磁感应强度B 的名称很相 似，切忌混淆。H 是为计算的方便引入的物理量。
磁场测量技术的发展
磁—力法： 利用磁针或载流线圈与被测磁场之间相互作用的机械力
材料名 铸铁 称
硅钢
镍锌铁 锰锌铁 坡莫合
氧体 氧体
金
相对磁 导率
μr=μ/μ0
200～ 400
7000～ 10000
10～ 1000
300～ 2*104～ 5000 2*105
磁性材料的直流磁特性参数
基本磁化曲线； 磁滞回线;
剩余磁感应强度Br 矫顽力-Hc 起始磁导率 0 最大磁导率 m
最大磁能积
2
方形闭合样品
圆环形样品测量软磁材料的性能较为理想，但测量时绕制 线圈相当麻烦。
对用量很大的磁性材料(如硅钢片)常采用条片形样品组成 方形闭合磁路。
条片形样品尺寸：30mm宽、280或300mm长； 片数：4的整倍数； 质量：1kg。
Epstein方圈
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。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。