CN104133184A - 一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试方法及装置，涉及永磁体磁性能的时间稳定性测试领域。本发明为了解决现有的永磁体的磁场强度的测试设备测试结果精度较差、被测的永磁体的体积和形状受限及不能同时保证测试的磁场强度的范围和测试精度的问题。该测试方法包括：确定感应线圈缠绕的形状；布置感应线圈、永磁体、导磁体的位置，使导磁体位于感应线圈的磁力线内，使感应线圈位于导磁体和永磁体的磁力线内；调节实验环境温度至设定值；永磁体在感应线圈的磁力线内重复做匀速运动或变速运动；采集感应线圈的感应电流的大小，根据磁场强度与感应电流的关系公式得到平均磁场强度。本发明还适用于测试永磁体的形状对其磁稳定性的影响。

Description

一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试方法及装置

技术领域

本发明涉及永磁体磁性能的时间稳定性测试领域。

背景技术

永磁材料目前已广泛应用于计算机、扬声器、家用电器、仪器仪表、磁力机械、各种电机、医疗器械等仪器设备中，尤其是应用于高精度仪器设备中时，永磁材料的可靠性至关重要。永磁材料的稳定性可以分为时间稳定型、温度稳定性、外磁场稳定性和化学稳定性。影响永磁材料稳定性的因素，可以归结为两大类。第一类是材料自身因素引起的，我们把材料自身因素随时间推移而发生的磁性变化程度，称之为时间稳定性。时间稳定性同材料的成分、组织结构、制造工艺以及材料形状尺寸有关系。第二类是外部环境因素引起的，如温度、外磁场、外电场(如直流场、交变场和杂乱场)、机械力(如振动、冲击和离心)、流质和放射线等。其中，最重要的外因是环境温度的影响。流质和放射线等也会对永磁材料的稳定性产生影响。永磁体的性能变化直接影响设备的测试精度，甚至功能表现，因此精确地知道永磁体随着时间或者服役条件的性能变化具有非常强的现实意义。

目前，永磁材料的磁性能测试可以分为闭路测试和开路测试。闭路测试的典型方法是冲击法，开路测试的方法较多，例如磁力法、霍尔效应法、磁阻效应法、电磁感应法、磁通门法、核磁共振法、超导效应法和磁光法等。利用这些方法制造的表征永磁体磁性能的设备也很多，例如使用冲击法测试永磁性能的中国计量科学研究院的NIM-2000HF永磁材料测量仪，使用电磁感应效应法的振动永磁体磁强计，使用霍尔效应法的霍尔探头等。

虽然永磁体的性能表征已经取得了长足的进步，但是仍然存在一定的局限性。具体表现在：1)对一些已带磁永磁体，充放磁会破坏目前的永磁体的磁状态，而使得测试结果准确度较差；2)即便允许对其重新磁化以作测量，亦可能由于其形状、体积或其它原因不便于进行。3)测试的磁场强度范围与测试精度不能共同保证。

在现有的测试方法里，研究者或者实验人员关注的焦点往往是材料的本征磁性或者与形状相关的材料表面或者外部空间的具体磁场大小和方向。这是现实需要导致的，但是在某些场合下，永磁体在空间激发磁场能力的大小如果不以具体位置的磁场变化来表征，而是用一定范围内的空间磁场的平均值来表征，会为永磁体的磁性能表征带来一种创造性的手段。

发明内容

本发明为了解决现有的永磁体的磁场强度的测试设备测试结果精度较差、被测的永磁体的体积和形状受限及不能同时保证测试的磁场强度的范围和测试精度的问题，提出了一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试方法及装置。

一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试方法，永磁体为被测对象，该测试方法包括：

步骤一、确定感应线圈缠绕的形状；

步骤二、布置感应线圈、永磁体、导磁体的位置，使感应线圈位于导磁体和永磁体的磁力线内；

步骤三、调节实验环境温度至设定值；

步骤四、永磁体在感应线圈的磁力线内重复做匀速运动或变速运动；

步骤五、采集感应线圈的感应电流的大小，根据磁场强度与感应电流的关系公式得到平均磁场强度。

一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试装置，永磁体为被测对象，它包括感应线圈、导磁体、电机、信号检测电路、信号存储及显示电路、运动轨道和传动机构；

运动轨道穿过感应线圈且位于所述感应线圈的中轴线上，导磁体固定在所述感应线圈的两侧，所述感应线圈的信号输出端连接信号检测电路的信号输入端；信号检测电路的信号输出端连接信号存储及显示电路的信号输出端；电机固定在所述运动轨道的一端，电机的中心转轴连接传动机构的一端，所述传动机构的另一端连接永磁体。

本发明还适用于永磁体的形状对其磁稳定性的测试。

本发明提供了一种通过表征一定范围内的空间磁场的统计性分布，来表征永磁体的磁稳定性的方法及装置。其优点主要表现在以下三个方面：1)所述的测试方法及测试装置不需要对永磁体进行充放磁，因而对永磁体的磁性状态损伤较小，测试方便；2)对永磁体的形状、体积无要求，实现了对形状复杂、体积较大的永磁体的磁稳定性进行表征；3)测试的磁场强度范围大且测试精度高。

附图说明

图1为本发明的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试装置的结构图。

具体实施方式

具体实施方式一、参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试方法，永磁体2为被测对象，该测试方法包括：

步骤一、确定感应线圈1缠绕的形状；

步骤二、布置感应线圈1、永磁体2、导磁体3的位置，使感应线圈1位于导磁体3和永磁体2的磁力线内；

步骤三、调节实验环境温度至设定值；

步骤四、永磁体2在感应线圈1的磁力线内重复做匀速运动或变速运动；

步骤五、采集感应线圈1的感应电流的大小，根据磁场强度与感应电流的关系公式得到平均磁场强度。

本实施方式中，当永磁体靠近感应线圈时，感应线圈中的感应电流或电压从零不断增大并达到最大值；当永磁体远离感应线圈时，感应电流或电压不断减小并达到最小值，随着两者的远离最终感应电流或电压为零。如果永磁体在其周围激发磁场的能力不发生变化，那么永磁体与感应线圈以相同速度到达相同的位置时，其感应电流或电压是不会发生变化的。但是如果永磁体在其周围激发磁场的能力发生了变化，那么永磁体与感应线圈以相同速度到达相同的位置时，其感应电流或电压也会相应地发生改变。这正是本发明测试永磁体激发磁场能力变化的理论依据。采集的感应线圈的感应电流的大小即反映了永磁体激发磁场的强度。

在所述的测试方法中，不需要对永磁体进行充放磁，因而对永磁体的磁性状态损伤较小；而且所述的测试方法对永磁体的形状、体积均没有要求，避免了现有的永磁体的磁场强度的测试装置因为永磁体的形状、体积等因素不能测量永磁体的磁场强度的问题。另外，所述的测试方法测试的磁场强度范围大、测试精度高且测试方便。

经过上述步骤一至步骤五后，过一段时间对某个样品重复步骤一至步骤五，比较平均磁场强度的变化率，即测得永磁体的时间稳定性。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试方法的进一步说明，本实施方式中，步骤一中所述感应线圈1缠绕的形状为圆柱形、纺锤形或哑铃型。

本实施方式中，感应线圈1缠绕为圆柱形、纺锤形或哑铃型是为了便于永磁体在感应线圈附近运动，从而保证良好的测试效果，有助于测试精度的提高，其中圆柱形的效果最好。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试方法的进一步说明，本实施方式中，步骤三中所述永磁体2在感应线圈1的磁力线内重复做匀速运动或变速运动的运动方式是由电机4带动永磁体2实现的。

除了本实施方式所述的通过电机4带动永磁体实现，还能够通过其他方式实现运动，例如通过重物的牵引进行自由落体运动，或者将永磁体放入斯托克斯粘性液体中进行自由运动实现。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试方法的进一步说明，本实施方式中，步骤四中所述的采集感应线圈1的感应电流的大小的采集方式为感应线圈1串接灵敏电流表或灵敏电压表。

本实施方式中，灵敏电流表及灵敏电压表的使用，保证了检测的感应线圈1的感应电流大小的精度，从而进一步提高了测试精度。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试方法的进一步说明，本实施方式中，导磁体3与永磁体2是相对静止或相对运动的。

导磁体的作用是调整磁力线在磁路中的分布，已调整永磁体在与感应线圈做相对运动时所感生出的电流。通过调整电流大小与时间的关系，可以改善装置的测试精度。

具体实施方式六、本实施方式所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试装置，永磁体2为被测对象，它包括感应线圈1、导磁体3、电机4、信号检测电路5、信号存储及显示电路6、运动轨道7和传动机构8；

运动轨道7穿过感应线圈1且位于所述感应线圈1的中轴线上，导磁体3固定在所述感应线圈1的磁力线内，所述感应线圈1的信号输出端连接信号检测电路5的信号输入端；信号检测电路5的信号输出端连接信号存储及显示电路6的信号输出端；电机4固定在所述运动轨道7的一端，电机4的中心转轴连接传动机构8的一端，所述传动机构8的另一端连接永磁体2。

本实施方式中，启动电机4以后，电机4带动传动机构8运动，也就带动了永磁体2沿运动轨道7做匀速运动或变速运动。此时永磁体2在感应线圈1的附近运动，感应线圈1产生感应电流，信号检测电路5表征所述感应电流的大小，并将其传送给信号存储及显示电路6。导磁体3固定在所述感应线圈1的磁力线内，可以在感应线圈1的外侧，也可以在感应线圈内部，具体位置不限定，只要导磁体3在感应线圈1附近即可。

导磁体指的是铁磁性材料构成的具有导磁作用的物体，铁磁性材料一般指软磁材料，如软磁合金、软磁铁氧体和软磁复合材料。

本实施方式中，永磁体沿着感应线圈的中轴线运动时，导磁体调整永磁体的磁场分布，从而调整了感应线圈的感应电流大小并使其易于检测。这些导磁体在永磁体与感应线圈的相对运动过程中，相对于永磁体既可以是静止的也可以是运动的。

具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式六所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试装置的进一步说明，本实施方式中，所述信号检测电路5为灵敏电流表或灵敏电压表。

具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式六所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试装置的进一步说明，它还包括屏蔽罩9，所述屏蔽罩9包围所述感应线圈1、导磁体3、永磁体2及运动轨道7。

测试中难免会受到环境磁场的影响，环境磁场包括地磁场、及周围其它设备发出的电磁场等。为了提高测试精度，需要尽量消除环境磁场的影响，因此需要将永磁体和感应线圈，及其运动空间进行电磁屏蔽。电磁屏蔽可以采用在防护空间外加屏蔽罩9来实现，而屏蔽罩9是利用了铁磁性材料对磁场分流的作用，从而实现电磁屏蔽的效果。

具体实施方式九、本实施方式是对具体实施方式六所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试装置的进一步说明，它还包括温度控制箱10，所述感应线圈1、导磁体3及永磁体2放置在温度控制箱10内部。

本实施方式中，温度控制箱10用于调节永磁体的磁场强度测试时的环境温度。因为永磁体的磁性能受温度的影响很大，因此测试过程中对系统的温度进行控制是非常必要的。所述的测试装置中，通过调节不同的温度，还能够观察温度对永磁体的磁性能的影响。

具体实施方式十、本实施方式是对具体实施方式六所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试装置的进一步说明，所述感应线圈1的材料为不导磁的导体。

本发明通过永磁体一定范围内的空间磁场的统计性分布来表征永磁体的磁场强度，为永磁体的磁性能表征带来一种创造性的手段。

测试原理：永磁体与感应线圈做相对运动。在相对运动过程中，根据法拉第电磁感应定律，会在感应线圈产生感应电动势。电动势的方向符合右手定则。

通过对测试原理的阐述可知，若要测试永磁体激励磁场的能力是否发生了变化，只需要永磁体保持相同的运动方式，通过检测信号的变化即可知道永磁体激励磁场能力的变化情况。

在采用所述的测试方法及测试装置测试永磁体的磁场强度分布时，首先采用标准样品的永磁体进行测试，标准样品既可以是性能稳定的永磁体，也可以是能够激发稳定磁场的电磁铁。

具体方法如下：调节温度在T₀，标准样品与感应线圈以速度v₀进行相对运动，将经过某种固定方式进行信号处理得到的数值标定为基准信号M₀。

本发明还能够测试在某一固定温度下，永磁体受其他因素影响的永磁体的磁场稳定性的变化情况。具体过程如下：

①将永磁体连接在一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试装置中的传动机构8的一端；②调节温度控制箱10的温度，使温度保持在T₀，电机转动，从而带动永磁体与感应线圈以速度v₀进行相对运动，通过信号检测电路5获得感应线圈中的感应电流的大小M₁；③取出永磁体，使永磁体经历外磁场、外电场(如直流场、交变场和杂乱场)、机械力(如振动、冲击和离心)、流质和放射线等因素的影响；④重复步骤①②，并记录此时的感应电流的大小M₂；⑤ΔM表示了永磁体经过这种因素影响过程的磁场稳定性，ΔM的定义如下式所示：

$\mathrm{\ΔM}=\frac{M_2-M_1}{M_1}$

本发明还能够测试在不同温度下，永磁体的磁场稳定性的变化情况。具体过程如下：

①将永磁体连接在一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试装置中的传动机构8的一端；②调节温度控制箱10的温度，使温度保持在T₀，电机转动，从而带动永磁体与感应线圈以速度v₀进行相对运动，通过信号检测电路5获得感应线圈中的感应电流的大小M₁；③调节温度控制箱10的温度，使温度保持在T₁，永磁体与感应线圈以速度v₀进行相对运动，记录此时信号检测电路5获得的感应线圈中的感应电流的大小M₂。④ΔM表示了样品随温度变化的磁场稳定性，ΔM的定义如上式所示。

原理：永磁体与感应线圈做相对运动。在相对运动过程中，根据法拉第电磁感应定律，会在感应线圈产生感应电动势。电动势的方向符合右手定则。电动势的大小，与每匝线圈的面积s_n成正比，如式(1)所示：

$e\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n{\left(\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}\right)}_n---\left(1\right)$

式中，e(t)——时间t时的感应电动势；

s_n——每匝线圈的面积；

B——线圈中的平均磁通密度；

t——时间。

由于线圈的感应电动势与感应电流成正比，即：

$I\left(t\right)=\frac{e\left(t\right)}{R}---\left(2\right)$

式中，I(t)——时间t时的感应电流；

R——感应线圈的电阻。

因此，式(1)可改写为式(3)：

$I\left(t\right)=\frac{1}{R}\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n{\left(\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}\right)}_n---\left(3\right)$

永磁体与感应线圈的相对速度v与相对位移l之间的关系如式(4)，

$v=\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

联合式(3)和(4)，可以得到感应电流与相对位移，以及相对位移处的磁通密度B之间的关系，如式(5)所示。

$I\left(l\right)=\frac{v}{R}\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n{\left(\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dl}}\right)}_n---\left(5\right)$

将式(5)变换成式(6)的形式，可以看到，当永磁体与感应线圈的相对位移到达l处时，每匝线圈的平均磁通密度与相对位移的瞬时变化率以每匝线圈的面积为权重的和，与线圈电阻、感应电流成正比，与相对运动速度成反比。

$\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n{\left(\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dl}}\right)}_n=\frac{\mathrm{RI}\left(l\right)}{v}---\left(6\right)$

重复永磁体与感应线圈的相对运动，如果每次运动的速度和初始位置都相同，那么平均磁通密度的变化就可以用感应线圈内的电流表征。因此实际上，每匝线圈的平均磁通密度与相对位移的瞬时变化率以每匝线圈的面积为权重的和，代表着一种线圈处的磁通密度的平均值。

Claims (10)

1.一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试方法，永磁体(2)为被测对象，其特征在于，该测试方法包括：

步骤一、确定感应线圈(1)缠绕的形状；

步骤二、布置感应线圈(1)、永磁体(2)、导磁体(3)的位置，使感应线圈(1)位于导磁体(3)和永磁体(2)的磁力线内；

步骤三、调节实验环境温度至设定值；

步骤四、永磁体(2)在感应线圈(1)的磁力线内重复做匀速运动或变速运动；

步骤五、采集感应线圈(1)的感应电流的大小，根据磁场强度与感应电流的关系公式得到平均磁场强度。

2.根据权利要求1所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试方法，其特征在于，步骤一中所述感应线圈(1)缠绕的形状为圆柱形、纺锤形或哑铃型。

3.根据权利要求1所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试方法，其特征在于，步骤三中所述永磁体(2)沿感应线圈(1)的中轴线重复做匀速运动或变速运动的运动方式是由电机(4)带动永磁体(2)实现的。

4.根据权利要求1所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试方法，其特征在于，步骤四中所述的采集感应线圈(1)的感应电流的大小的采集方式为感应线圈(1)串接灵敏电流表或灵敏电压表。

5.根据权利要求1所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试方法，其特征在于，导磁体(3)与永磁体(2)是相对静止或相对运动的。

6.一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试装置，永磁体(2)为被测对象，其特征在于，它包括感应线圈(1)、导磁体(3)、电机(4)、信号检测电路(5)、信号存储及显示电路(6)、运动轨道(7)和传动机构(8)；

运动轨道(7)穿过感应线圈(1)且位于所述感应线圈(1)的中轴线上，导磁体(3)固定在所述感应线圈(1)的磁力线内，所述感应线圈(1)的信号输出端连接信号检测电路(5)的信号输入端；信号检测电路(5)的信号输出端连接信号存储及显示电路(6)的信号输出端；电机(4)固定在所述运动轨道(7)的一端，电机(4)的中心转轴连接传动机构(8)的一端，所述传动机构(8)的另一端连接永磁体(2)。

7.根据权利要求6所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试装置，其特征在于，所述信号检测电路(5)为灵敏电流表或灵敏电压表。

8.根据权利要求6所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试装置，其特征在于，它还包括屏蔽罩(9)，所述屏蔽罩(9)包围所述感应线圈(1)、导磁体(3)、永磁体(2)及运动轨道(7)。

9.根据权利要求6所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试装置，其特征在于，它还包括温度控制箱(10)，所述感应线圈(1)、导磁体(3)及永磁体(2)放置在温度控制箱(10)内部。

10.根据权利要求6所述的一种永磁体的平均磁场强度的无损伤测试装置，其特征在于，所述感应线圈(1)的材料为不导磁的导体。