1、电气测试技术第4章 磁性测量技术4.1 磁性测量的基本知识4.2 铁磁材料静态磁性的测量4.3 铁磁材料动态磁性的测量电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识 最早的磁场探测器已有2000多年的历史，通过感应地球磁场可以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）电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识一、磁感
2、应强度和磁通 1磁感应强度磁感应强度 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。 241T=1Wb/m =10 GSdSBS电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识二、磁场强度及安培环路定律 1磁场强度磁场强度 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）。
3、磁场强度与磁感应强度的关系：31A/m4 10 OeB电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识 为磁介质的磁导率，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：-70=410IdlH电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识三、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：1n2nBB1t2tHH电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识四、电磁感应 1电磁感应定律安培环路电磁感应定律安培
4、环路定律定律 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：如果回路由N匝线圈组成，则： ddeNt tNtNed)(ddd电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识dsindeNNBStt cosBS t电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识BsBrBcHsHH0磁滞回线电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识六、空间磁场测量的常用方法1. 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ddeNt 1m
5、1m2avm2d2dd4dTttNNEtNfTtT 电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识 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：当磁通为正弦波时有：则： avm4ENfavmm4EBSN fSavmm004EBHNfSav22EE fNSEB202fNSEH电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识02EfNSH电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识3. 冲击法 冲击法是测量直流磁场的古典方法，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）用冲击检流计测量磁通冲击检流计测量磁通 将匝数为N、面积为
6、 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。 R 为整个回路的电阻；L为整个回路的电感。 GRBL电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识ddddiNRiLtttiLRiedd000dddddddiNtRi tLttt( )(0)dRQNN 0dtiQ)(0)()0(ddiiiLRQN电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识QmQCQmNRCmCN电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识 （2）磁通）磁通冲击常数的测量冲击常数的测量测量电路如图。利用S倒向使得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，
7、则 M 的二次侧线圈交链的磁链为：当电流 从I变化到-I 时，有：MIM IN电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识mNCMImM IC电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识探头的结构电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识外加磁场等于0时磁感应强度和感应电动势的波形：（a）铁芯磁特性；（b）励磁磁场H的交流三角波； （c）磁感应强度B的对称三角波；（d）电动势e的对称方波；电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识 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
8、；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，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。 在测量线圈中感应出的电动势也是不对称的方波，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。电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识5. 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
9、势，这种现象叫霍尔效应。电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识霍尔电动势的大小可表示为：式中：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。 当I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。HHReKIBd电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识（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
10、，但由于制造工艺的缺陷，当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动势。 在这种情况下，必须对不等位电动势进行补偿。右图给出了不等位电动势的补偿电路，通过调节RW可以调节2端的电位，可以使不等位电动势等于零。电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识（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。 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
11、小，从而降低霍尔电势，取合适的RS，可以使输出的霍尔电势保持不变。电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识IRRRIS0SH0BIKEH0H0H0)1 (0tRRIRRRISSH电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识BIKEHHH)1 (H0HtKKS0SH0S0SH0)1()1(RtRRtKRRRK0SRR电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识02 2BBkN iRiuR22RRuBkNoUKB电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识（5）交流强磁场的测量 对于交流强磁场常采用直接式测量，测量电路如图。 当被测交流强磁场B穿过霍尔元件时，在霍尔元件输出的霍尔
12、电动势经放大后，得输出电压：霍尔元件交直流电压转换器数字电压表直流恒流源交流强磁场HIHe1R1R2R2R+-Au0UH12eRRu 电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识电压u通过交直流电压转换器后，其输出电压为：（6）用霍尔效应法测量磁场时应注意的问题 保持电流方向与磁场方向垂直； 测量非均匀磁场时，霍尔探头要尽量小； 对霍尔元件必须进行温度补偿和不等位电动势补偿； 霍尔元件的供电电流要足够稳定，否则也会产生误差； 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。ouKB电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识6. 磁通表法（1）结构 磁通表是测量磁通的直读仪表，其
13、结构如图所示。磁通表没有产生反作用力矩的游丝或吊丝，所以该表在不用时指针可以停在标尺的任意位置上。使用磁通表测量磁场时，在它的标尺上可直接读出磁链的变化量。电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识 （2）工作原理 将测量线圈与磁通表内的可动线圈相连，构成一个闭合的测量冋路，当被测磁通变化时，通过测量线圈的磁链变化为： 通过表内可动线圈的磁链变化为： 在理想情况下，两个磁链的变化应互相补偿，以保证通过测最回路的总磁链恒定，有：N0000BNN B SB电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识即：则：令：得： 所以，根据磁通改变前后磁通表的指针偏转角的变化，可以决定磁通的变化量。 SBNN0000N
14、B SN00N B SCCN电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识7. 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。 电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识8. 超导测量法 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
15、现磁场测量的，如图所示。 在超导结两端加上电源，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。 电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识 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
16、仪器，是目前灵敏度最高的低强度磁场测量仪器。 电气测试技术4.1 磁性测量的基本知识 超导测量法适应的磁场频率范围很宽，能响应的磁场频率变化在01000MHz之间。 空间磁场测量的常用方法： （1）感应法； （2）旋转线圈法； （3）冲击法； （4）磁通门法； （5）霍尔效应法； （6）磁通表法； （7）核磁共振法； （8）超导测量法。 电气测试技术4.2 铁磁材料静态特性的测量 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，如剰磁、矫顽力、磁导率等。通常由于测量铁磁材料磁性只能抽样进行，测量出的只能是样品的磁性，样品
17、要具有代表性，就应严格按标准抽取样品。1. 测量样品 常见的样品有闭路式和开路式两种。电气测试技术4.2 铁磁材料静态特性的测量（1）闭路样品 闭路样品一般做成圆环形或方框形，它们的磁路是闭合的，磁场集中在环内，漏磁很小。测量软磁材料时多制成环形样品，环形样品的内外半径相差不易过大，应满足： 首先在样品上绕单层测量线圈，然后将磁化线圈绕在测量线圈的外面，则环形样品内部的磁场强度为：812112RRRRRNIH2电气测试技术4.2 铁磁材料静态特性的测量（2）开路样品 开路样品是把被测材料制成柱形或条形，显然开路样品的漏磁较大。测量开路样品材料的磁性，可以采用磁导计或螺线管对样品进行磁化，磁导计
18、的结构如图所示。 由于磁轭的磁导率高，截面积大，可忽略它的磁阻，则磁动势等于样品的磁压，即： 则样品中的磁场强度为：HlRNImlNIH 电气测试技术4.2 铁磁材料静态特性的测量（3）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，因此必须对制备好的样品进行去磁。 利用磁化线圈给样品施加一个数值逐渐减小，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，去磁过程如图所示。为保证样品可靠地去磁，去磁磁场强度的最大值不应低于样品矫顽磁场强度的1020倍。电气测试技术4.2 铁磁材料静态特性的测量 按照获得周期减幅去磁磁场的不同，可分为直流去磁法和交流
19、去磁法。 直流去磁法是借助磁化电路中的换向开关在逐渐减小的磁化电流趋于零时，不断改变电流方向，从而达到去磁的目的； 交流去磁法是将工频电源经调压器接到磁化线圈上，调节调压器输出电压，使之从某一最大值逐渐平滑地减小到零，则磁化电流也逐渐减小到零，即可完成去磁。电气测试技术4.2 铁磁材料静态特性的测量2. 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： 如果沿截面磁化不均匀，则上式算出的是平均磁感应强度。BS电气测试技术4.2 铁磁材料静态
20、特性的测量0000(1)SBHSSS电气测试技术4.2 铁磁材料静态特性的测量3. 磁场强度的测量 （1）扁平线圈法 因为在两种磁介质分界面的两侧磁场强度的切线分量彼此相等。 如果样品内的磁场是轴向的，并且是均匀的，那么样品内部的磁场强度的切线分量就等于样品内部的磁场强度，也就等于样品外表面空气中的磁场强度，如图所示。电气测试技术4.2 铁磁材料静态特性的测量00NSH电气测试技术4.2 铁磁材料静态特性的测量i00HHN S电气测试技术4.2 铁磁材料静态特性的测量2100()SSH0012)(HSSNi0210()HHN SS电气测试技术4.2 铁磁材料静态特性的测量4. 基本磁化曲线的测
21、量 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。 冲击法测量基本磁化曲线的电路如图所示。该电路由测量回路、磁化电路和磁通冲击常数测量回路三部分组成。电气测试技术4.2 铁磁材料静态特性的测量冲击法测量基本磁化曲线的电路电气测试技术4.2 铁磁材料静态特性的测量测量回路由测量线圈N2、互感器M的二次侧线圈、冲击电流计G和电阻R3、R4以及开关S5、S6组成，R3和R4用来调节检流计的工作状态和电路灵敏度，S6是阻
22、尼开关；磁化回路包括励磁线圈N1、换向开关S1、S2、S3、电流表、直流电源和可变电阻R2；互感器M用来测量磁通冲击常数。图中虚线连接部分是用来测量磁滞回线的辅助电路，测量基本磁化曲线时将S2合向“+”的位置，就可使这一部分脱开磁化电路不用。电气测试技术4.2 铁磁材料静态特性的测量lINH111电气测试技术4.2 铁磁材料静态特性的测量1m122CBN S电气测试技术4.2 铁磁材料静态特性的测量电气测试技术4.3 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。1. 交流磁化曲线
23、的测量 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Bm与磁场强度最大值Hm的关系曲线Bm=f(Hm)。测量交流磁化曲线的电路如图所示。电气测试技术4.3 铁磁材料动态磁性的测量1212ddeNt avm124EBfN S电气测试技术4.3 铁磁材料动态磁性的测量 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：1m1m1N IHl11ddieMt avm14EIfM电气测试技术4.3 铁磁材料动态磁性的测量然后再计算磁场强度的最大值。 至此，得到了磁化
24、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；电气测试技术4.3 铁磁材料动态磁性的测量 （3）要求测量过程中B和H都保证是正弦量是不可能的，因此一般要求保证B为正弦量，以便用统一标准评价测量结果。 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
25、求感抗与电阻的比值大于50。电气测试技术4.3 铁磁材料动态磁性的测量电气测试技术4.3 铁磁材料动态磁性的测量 当外加电压经调压器输入电路时，功率表测得的功率瞬时值为：式中：e1二次侧线圈中的感电动势； Rv后接的电压表和功率表电压线圈的并联等效电阻。 由于e1和e2与同一铁芯的磁通交链，因此有：代入上式有：122vv12ierRRiup1122eNNe11122vvieNNrRRp电气测试技术4.3 铁磁材料动态磁性的测量22221 1c2VV()uue iprRR2V2122cV2VV()(1)RrNruppR NRR22cVuppR电气测试技术4.3 铁磁材料动态磁性的测量取上式两边在
26、一周期内的积分，可得铁损的平均值为：3. 复数磁导率的测量 软磁材料大量被用来做成各种电感元件，这种材料均工作于起始磁化的弱磁场区，具有很宽的频率范围，在这样的条件下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。2222c0VV1()dTuUPptPTRR电气测试技术4.3 铁磁材料动态磁性的测量则磁感应强度与磁场强度之比被定义为复数磁导率，即：式中：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。 将被测样品线圈等效成下图的电路：.12.jBBejHH电气测试技术4.3 铁磁材料动态磁性的测量 图中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。 样品磁化电流与线圈磁场强度的关系为：线圈的感应电压与磁感应强度的关系为：则：可得： ，HNlIBNSUj)j(jjj1222lSNlSNHlNSBNIULRZxxxLSNl21xRSNl22电气测试技术
