CN106950517B - 一种磁矩测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种磁矩测量仪，采用电阻应变片式力传感器测量磁体所受磁场力的力矩，利用一维亥姆霍兹线圈在磁体周围产生匀强磁场；逐级增加磁感应强度，利用磁感应强度与磁体所受力矩的比值的斜率，并参照标样斜率，求得磁体磁矩。本发明的磁矩测量仪可以直接、准确测量任意形状和1～10厘米尺度磁体的磁矩，具有突破性效果，解决了磁体形状多样化的磁矩测量问题。

Description

一种磁矩测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及磁矩测量领域，更具体地涉及一种测量任意自由形状磁体的磁矩的测量仪及其测量方法，可用于人造磁体、磁性岩石的磁矩测量。

背景技术

本文所称磁矩也称磁偶极矩，是衡量磁体整体磁化强度的宏观物理量。磁矩是磁性材料、岩石磁学中的必测项目。

(1)磁性材料领域的磁矩测量

磁性材料磁矩测量设备多采用“亥姆霍兹线圈+磁通计”法。其原理是小尺寸磁体可以视作一个磁偶极子，磁矩m等于磁化强度M乘以样品体积V。测量时，把磁体放在线圈的中心位置(亥姆霍兹线圈产生均匀磁场的区域)，调节磁通计零点，然后把磁体移出线圈至对读数无影响处。磁体的开路磁矩：

M＝C·Φ

式中：C——线圈常数；Φ——磁通计磁通读数。

该方法对设备和样品的要求如下：

1)要求磁通计控制漂移优于1uWb/min。

2)线圈标定：一维或者三位线圈标定，国内较高水平线圈常数准确度优于0.1％，三维线圈的正交度优于0.1°。

3)通过测试磁通，换算到磁矩过程主要由以上两个步骤保证，对于不同尺寸的样品导磁系数Pc(开路工作点)的计算成为采用亥姆霍兹线圈测试磁性材料磁特性参数Br/Hcb/Bhmax的重要难点。

4)一个空间放置的磁体，其磁力线分布是一定的，对线圈的感应是一定的，不同规格的磁体有着不同的磁力线分布形态。Pc代表的就是磁力线从N极出发回到S极的强弱情况，也就是磁体在空间的工作点。通过不断的进行测试拟合，优化Pc函数与样品尺寸的关联性，目前测量设备已经基本上掌握了方块、圆柱和圆环的Pc推导公式，能保证所计算的三参数准确度均达到2％以内的范围。

该方法的误差来源主要有：

1)测试样品存在磁偏角，采用一维线圈测试Mz替代磁矩M有一定偏差。

2)不同形状的和规格的稀土永磁材料，换算拟合导磁系数Pc存在偏差。方块、圆柱和圆环以外形状磁体磁矩测量准确度差，特别是对于自由形状的磁性岩石，几乎无法测量。

(2)岩石磁学领域的磁矩测量

岩石磁学领域主要通过测量岩石样品的剩余磁化强度再根据体积计算磁矩。磁化强度较弱，所用仪器有无定向磁力仪、旋转磁力仪和超导磁力仪。

无定向磁力仪的核心部件是一个磁系，它由两个几何形状相同、磁矩相等、极性相反的磁铁构成。这两个磁铁用轻质铝杆连接，固定在同一垂直面内，并用悬丝悬挂起来。这种磁系在外部均匀磁场中不发生偏转。测定时，标本置于其中一个磁铁的一侧，由于标本磁场的作用，磁系将发生偏转，从而测定标本的磁性。

旋转式磁力仪的原理是：把标本固定在仪器中连续旋转，在线圈内或磁通门系统中产生一定频率(约5周/秒)的感应电讯号，其振幅强度取决于与旋转轴相垂直的磁化分量强度，相位取决于这些磁化分量的方向，讯号经专用计算机处理，得到标本磁化强度矢量的数据。旋转部分和灵敏系统安装在多层磁屏中。这类仪器灵敏度最高者可达10-8CGSM单位，用于磁法勘探和古地磁研究等领域弱磁性标本的测量。测量前，必须标定仪器，空架补偿；对样品的大小和形状方面有严格要求，样品的剩磁各分量的测量要按六个位置进行，因而得出剩磁的三个分量，进而可以计算样品保留的地刺倾角和偏角信息。

(3)已有方法的局限性

“亥姆霍兹线圈+磁通计”、无定向磁力仪、旋转式磁力仪等测量方法共同的局限性是对样品形状有严格要求，否则会严重影响测量结果，因此无法测量不规则的特定磁体磁矩。

已有的磁矩测量方法的局限性突出体现在对“司南”的研究当中。有学者在上世纪20和40年代提出先秦至唐代文献记载的“司南”是最早的勺形天然磁石指向器，是现代指南针的起源。

天然磁石是具有显著剩余磁性的铁矿石，其剩磁的个体差异非常大。已有的复原实验最大难点即在于无法对1～10厘米尺度、不规则形状磁石的磁矩进行测量。造成各家司南复原品的磁矩无法测量，指向性能比较，也无法对切割过程中磁矩变化即切割工艺造成的退磁效果进行实时测量；由此形成了很多错误认识。

在此背景下，本发明突破了已有方法的局限性，可以对1～10厘米尺度、任意形状磁石的磁矩进行测量，特别是为指南针起源研究提供了行之有效的测量方法，从而具有很好的应用前景和重大的学术价值。

发明内容

基于现有磁矩测量技术的不足，本发明的目的在于提供一种磁体磁矩测量仪及其测量方法，可以不受被测磁体形状的限制，可以直接测量任意形状和1～10厘米尺度磁体磁矩。为具有此类特殊要求的磁矩测量提供了有效方法。

根据本发明的一个方面，本发明提出了一种用于测量任意形状磁体磁矩的磁矩测量仪，所述磁矩测量仪包括：

被测样品载物盘，载物盘下方中心设有第一突起细轴，第一突起细轴端部成尖状；

细长铜片，铜片质心套设于第一突起细轴中部；

两个细长力传感器，安装在磁矩测量仪的底盘上，相互平行且以第一突起细轴所在轴线为中心对称设置，铜片平行设于两个力传感器之间；

悬线，悬吊被测样品载物盘；

在一个实施例中，力传感器采用20g量程、0.001g精度的秤的传感器，使用原有秤的处理芯片和显示屏；

在一个实施例中，两个力传感器与铜片接触处分别安装触头，触头与力传感器及铜片表面垂直无间隙接触设置，从而使得在铜片不受水平力矩时，两个触头与铜片接触不受力，且在铜片受水平旋转力矩时，载物盘与悬线均不发生旋转，而将所有力矩传递到力传感器上，减少悬线中扭矩的影响；

在一个实施例中，铜片宽度为5mm；

在一个实施例中，力传感器为电阻应变片式力传感器；

在一个实施例中，底盘上方设有第二突起细轴，第二突起细轴端部成尖状，与载物盘下方的第一突起细轴正对；

在一个实施例中，利用一维方形亥姆霍兹线圈制造水平方向均匀磁场。

根据本发明的另一方面，本发明提出了一种用于使用上述磁矩测量仪测量任意形状磁体磁矩的测量方法，包括以下步骤：

(1)将载物盘通过悬线悬吊在微调滑台下方；

(2)调节载物盘上的调节螺栓，使得载物盘水平平衡；

(3)垂直调节微调滑台，使得载物盘下方的第一突起细轴位于底盘上方的第二突起细轴上方；

(4)水平调节微调滑台，使得载物盘下方的第一突起细轴与底盘上方的第二突起细轴正对；

(5)将被测样本放置于载物盘上，调整被测样品位置，直至载物盘水平平衡；

(6)将磁矩测量仪放置于一维方形亥姆霍兹线圈的水平均匀磁场中，其中亥姆霍兹线圈的线圈磁极方向与地磁场水平投影方向相同，被测磁体的磁极方向在水平面内且与地磁场水平投影方向及亥姆霍兹线圈电磁场方向垂直；

7)逐级改变线圈内磁感应强度B_i，读取所述两个力传感器的相应受力之和F_i，在平面坐标系中标出对应点(B_i，F_i)；选择多个数据点进行线性拟合，则被测样品的磁矩M＝M₀·k/k₀，其中M₀为标定所述磁矩测量仪的磁体的磁矩，k为被测样品的斜率，k₀为标定所述磁矩测量仪的磁体的斜率。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的磁矩测量仪100放置于一维亥姆霍兹线圈200的磁场中的正视图；

图2是本发明的磁矩测量仪100的正视图；

图3是本发明的磁矩测量仪100的侧视图；

图4是本发明的铜片110与力传感器120的俯视图；

图5是本发明的铜片110与力传感器120的侧视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

参照图1-5。本发明的磁矩测量仪100包括吊架101，载物盘104通过悬线103悬吊在微调滑台102下方，调节调平螺栓105使得在自然悬挂状态下，载物盘104水平平衡。

载物盘104下方中心向下突出第一突起细轴106，第一突起细轴106的端部成尖状，其中部套设有一个细长铜片110；在一个实施例中，铜片110的尺寸优选为5mm宽，15mm长，0.5mm厚。铜片110水平设置，使其处于两个力传感器120之间，与力传感器120平行，两个力传感器120以第一突起细轴106所在轴线Z为中心对称。载物盘104转动时，所受的力矩通过铜片110传递到力传感器120上。在一个实施例中，两个传感器120间隔优选为10mm，传感器120优选为电阻应变片式式力传感器。

两个力传感器120与铜片110接触处分别安装触头121，触头121与力传感器120及铜片110表面垂直设置，且在铜片110不受水平力矩时，两个触头121与铜片110接触不受力。这样，使得铜片110与触头121间无间隙，只要铜片110受到转矩即可全部作用于触头121上，由触头121测到受力，同时载物盘104不发生旋转，即载物盘悬线103中没有扭矩，减少微小磁矩测量时的误差。

另一方面，为了保证每次测量时磁体受到的力矩传递到力传感器120过程中力矩大小不发生改变，载物盘104的重心始终保持在两个力传感器121的中心对称轴线Z上，在力传感器120的中心对称轴线Z上，底盘108向上突出的第二突起细轴107，第二突起细轴107的端部也成尖状，便于与第一突起细轴106的尖状端部对准。

在一个实施例中，力传感器120采用20g量程、0.001g精度的秤的传感器，使用原有秤的处理芯片和显示屏。优选的，微调滑台102使用铝、铜等材料；载物盘104为有机玻璃材料，载物盘悬线103为弹性系数低的非金属材料，优选直径小于0.2mm。

在放置样品前调节微调滑台102，调节载物盘104重心垂线下方第一突起细轴106与底盘108上的第二突起细轴107对准。这要求微调滑台102在水平X、Y方向，竖直Z方向，及水平转动R方向都可以微动调节。放置样品后，由于样品不一定在载物盘104的重心位置，使得载物盘104悬线103受力不平衡，发生弹性形变也不等，而造成载物盘104倾斜。此时，不可再度调节微调滑台，而是移动样品在载物盘104上的位置，使得两个突起细轴106、107的尖端再度对准。

其中，由于样品受到的力矩等于样品磁矩、外磁场磁感强度、两者夹角余弦值三者乘积。要保证测量准确性，需要在每次测量时，样品磁矩都沿着与外磁场垂直方向放置。

再者，使用一维方形亥姆霍兹线圈200制造水平方向均匀磁场磁感应强度优选为3～6Gs，即地磁场水平分量的10～20倍左右。为了保证能够产生足够区域的均匀磁场，根据计算，亥姆霍兹线圈边长约为800mm。

用于使用上述磁矩测量仪100测量任意形状磁体磁矩的测量方法，包括以下步骤：

(1)将载物盘104通过悬线103悬吊在微调滑台102下方；

(2)调节载物盘104上的调节螺栓105，使得载物盘104水平平衡；

(3)垂直调节微调滑台102，使得载物盘104下方的第一突起细轴106位于底盘108上方的第二突起细轴107上方；

(4)水平调节微调滑台102，使得载物盘104下方的第一突起细轴106与底盘108上方的第二突起细轴107对准；

(5)将被测样本放置于载物盘104上，调整被测样品位置，直至载物盘104水平平衡；

(6)将磁矩测量仪100放置于一维方形亥姆霍兹线圈200的水平均匀磁场中，其中亥姆霍兹线圈200的线圈磁极方向与地磁场水平投影方向相同，被测磁体的磁极方向与地磁场水平投影方向及亥姆霍兹线圈电磁场方向垂直；

(7)读取两个力传感器120的受力之和，计算被测样品磁矩。

亥姆霍兹线圈200轴线沿着正南北方向放置，线圈磁极方向与地磁场相同；被测磁体的磁极方向沿东西方向放置，即与地磁场水平投影方向及亥姆霍兹线圈200电磁场方向垂直。这样使得被测磁体产生的感生磁矩与原生磁矩方向垂直，在东西方向分量为零，对力传感器没有影响。

本发明逐级改变线圈内磁感应强度B_i，读取所述两个力传感器120的相应受力之和F_i，在平面坐标系中标出对应点(B_i，F_i)；选择多个数据点进行线性拟合，则被测样品的磁矩M＝M₀·k/k₀，其中k为斜率，M₀为标定所述磁矩测量仪的磁体的磁矩，k₀为标定所述磁矩测量仪的磁体的斜率。例如，选择7个数据点进行线性拟合，得到斜率k。

其中，用斜率比值的方法更为接近真实值，且避免了由于调节不精，引发的转动铜片对传感器初始力有差异而造成的误差。

其中，由于力传感器120受力方向为水平方向，在此方向无法单纯利用重力进行标定，需要借助滑轮转换力的方向，必定造成力的损失。如果使用磁悬浮滑轮，会与被测磁体样品产生干扰，而且由于滑轮存在转动惯量，依然会造成里的损失。故此，唯一方法就是利用已知磁矩样品进行标定。该标样可以是规则形状，用旋转磁力计等设备测量。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (7)

1.一种用于测量任意形状磁体磁矩的磁矩测量仪，所述磁矩测量仪包括：

被测样品载物盘，载物盘下方中心设有第一突起细轴，所述第一突起细轴端部成尖状；

细长铜片，所述铜片质心套设于所述第一突起细轴中部；

两个细长力传感器，安装在磁矩测量仪的底盘上，相互平行且以第一突起细轴所在轴线为中心对称设置，所述铜片平行设于所述两个力传感器之间；

所述底盘上方设有第二突起细轴，所述第二突起细轴端部成尖状，与所述载物盘下方的所述第一突起细轴正对；

悬线，悬吊所述被测样品载物盘。

2.根据权利要求1所述的磁矩测量仪，所述力传感器采用20g量程、0.001g精度的秤的传感器，使用原有秤的处理芯片和显示屏。

3.根据权利要求1所述的磁矩测量仪，所述两个力传感器与所述铜片接触处分别安装触头，所述触头与所述力传感器及所述铜片表面垂直无间隙接触设置。

4.根据权利要求1-3之一所述的磁矩测量仪，所述铜片宽度为5mm。

5.根据权利要求1-3之一所述的磁矩测量仪，所述力传感器为电阻应变片式力传感器。

6.根据权利要求1-3之一所述的磁矩测量仪，利用一维方形亥姆霍兹线圈制造水平方向均匀磁场。

7.一种用于使用权利要求1-6之一的磁矩测量仪测量任意形状磁体磁矩的测量方法，包括以下步骤：

(1)将载物盘通过悬线悬吊在微调滑台下方；

(2)调节所述载物盘上的调节螺栓，使得所述载物盘水平平衡；

(3)垂直调节所述微调滑台，使得所述载物盘下方的第一突起细轴位于所述底盘上方的第二突起细轴上方；

(4)水平调节所述微调滑台，使得所述载物盘下方的第一突起细轴与所述底盘上方的所述第二突起细轴正对；

(5)将被测样本放置于所述载物盘上，调整被测样品位置，直至所述载物盘水平平衡；

(6)将所述磁矩测量仪放置于一维方形亥姆霍兹线圈的水平均匀磁场中，其中亥姆霍兹线圈的线圈磁极方向与地磁场在水平面的投影方向相同，被测磁体的磁极方向在水平面内且与地磁场水平投影方向及亥姆霍兹线圈电磁场方向垂直；

(7)逐级改变线圈内磁感应强度B_i，读取所述两个力传感器的相应受力之和F_i，在平面坐标系中标出对应点(B_i，F_i)；选择多个数据点进行线性拟合，则被测样品的磁矩M＝M₀·k/k₀，其中M₀为标定所述磁矩测量仪的磁体的磁矩，k为被测样品的斜率，k₀为标定所述磁矩测量仪的磁体的斜率。