CN107085191A - 用于磁导率测量的传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于磁导率测量的传感器，该传感器包括一四抽头的螺线管线圈，螺线管线圈自上而下依次引出四个抽头，四个抽头中第一抽头连接与地相连的激励电流源，第四抽头与激励信号源的地电位相连，形成电流回路，第二抽头、第三抽头连接仪表放大器的输入端获取差分电压，并与电压测量模块相连。还提供一种利用用于磁导率测量的传感器的测量方法。本发明的效果是四抽头螺线管传感器简单易行，可直接对颗粒/粉体材料磁导率进行测量，不须预先制备特定形状的磁芯；传感器的物理模型明确，可由解析公式可确定电感量与被测介质磁导率之间的关系式，便于结构优化和参数修正；由中部抽头进行测量，可避免螺线管两端边缘效应的影响，获得更加精确的测量结果。

Description

用于磁导率测量的传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于磁导率测量的传感器及测量方法，特别是用于颗粒/粉体材料磁导率的精确测量。

背景技术

磁导率参数是一种非常重要的电磁特性参数，其准确测量且有重要意义。现有的磁导率测量方法多是针对线圈磁芯材料的测量，被测试样预制为特定形状，如棒状、环形等，将其作为线圈的磁芯，进行自感/互感的测量；进而利用线圈感抗与磁芯材料磁导率的关系确定材料的磁导率。磁导率测量在很多领域都有应用，如金属结构件的电磁无损检测，采矿、冶金及化工行业的过程参数检测，建筑和桥梁内部金属结构完整性测试等。此外，电磁层析成像(Electromagnetic Tomography,EMT)是利用各种材料介质在电导率/磁导率上的差异，对各种工业过程进行断层扫描成像，同时正逐渐应用于医学监护，其优势包括对人体无害、无核素辐射、非接触、无创、可用于对病人的长期监护、成本相对较低。

现有的磁导率测量传感器和方法受试样加工和传感器制作的影响，磁导率的测量精度不高。首先，试样的加工和制备周期较长，且机械加工精度会传导至磁导率测量；其次，传感器多采用长螺线管和环形螺线管的线圈形式，其自感/互感计算过分依赖理想线圈的自感/互感计算公式，而这些公式仅适用于满足特定条件的线圈，未考虑有限长线圈两端电磁场边缘效应的影响，导致自感/互感的计算存在较大的系统误差，误差甚至可达到10％以上。

发明内容

本发明针对颗粒/粉体材料磁导率测量的需求，其目的是提出一种用于磁导率测量的传感器及测量方法。有限长螺线管与无限长螺线管理想模型的磁场分布有很大差别，通过建立电感计算公式可对磁导率测量数据进行修正，从而提高磁导率测量的精度。

为实现上述目的，本发明提供一种用于磁导率测量的传感器，其中：该传感器包括一四抽头的螺线管线圈，螺线管线圈自上而下依次引出四个抽头，四个抽头中第一抽头连接与地相连的激励电流源，第四抽头与激励信号源的地电位相连，形成电流回路，第二抽头、第三抽头连接仪表放大器的输入端获取差分电压，并与电压测量模块相连。

同时提供一种利用用于磁导率测量的传感器的测量方法。

本发明的效果是该带多个抽头的螺线管线圈的传感器简单易行，可直接对颗粒/粉体材料磁导率进行测量，不须预先制备特定形状的磁芯；传感器的物理模型明确，可由解析公式可确定电感量与被测介质磁导率之间的关系式，便于结构优化和参数修正；由中部抽头进行测量，可避免螺线管两端边缘效应的影响，获得更加精确的测量结果。磁导率的测量精度能够达到0.5％。

附图说明

图1为本发明的轴向磁场磁感应强度分布图(l＝10R)；

图2为本发明的螺线管传感器与测量电路系统图。

图中：

1、第一抽头 2、第二抽头 3、第三抽头 4、第四抽头

5、仪表放大器 6、电压测量模块 7、激励电流源 8、螺线管线圈

具体实施方式

结合附图及实施例对本发明的用于磁导率测量的传感器及测量方法加以说明。

本发明的用于磁导率测量的传感器的结构是：该传感器包括一四抽头的螺线管线圈8，螺线管线圈8自上而下依次引出四个抽头，四个抽头中第一抽头1连接激励电流源7，第四抽头4与地电位相连形成电流回路，第二抽头2、第三抽头3连接仪表放大器5的输入端获取差分电压，并与电压测量模块6相连。所述电压测量模块6为LCR表、数字万用表或具有交流电压测量功能的仪器之一种。

对于螺线管线圈8为无限长的情况，记其管径为R，绕有N匝线圈，当其内部均匀充满各向同性磁导率为μ的介质时，其电感量是由磁链Ψ_m与电流I的关系确定，即

显然，此处认为线圈内各处的磁感应强度B为常数，螺线管线圈8为无限长时的磁感应强度，即：

B＝μH＝μnI (2)

其中，n＝N/l为单位长度内线圈的匝数。进而得到以下关系：

然而，对于螺线管线圈8，其轴向磁感应强度实际应为：

如图1、2所示，图中给出B_z及B₀的对比图，其中横纵坐标分别为z/R及B_z/B₀。当螺线管线圈8为无限长时，其磁感应强度为常数；当螺线管线圈8为有限长时，存在非常明显的边缘效应。边缘效应使磁感应强度分布不再均匀，采用中部抽头在很大程度上避开边缘效应的影响。为此，本发明所述的磁导率测量方法是使激励电流流过整个螺线管线圈8，测量其在中部位置均匀电磁场对第二抽头2及第三抽头3之间的线圈所产生的感应电势，进而确定电感。假设第二抽头2与第三抽头3之间的距离为2kl，其中k≤1/2，则其电感可由下式确定：

通过上式，可以精确的确定某一对抽头之间的电感值，即：

进而，由电感L_m与其被测材料磁导率的关系，可确定其磁导率。通过比较B_z及B₀曲线的关系，可对测量结果做进一步的修正。与此同时，注意到当螺线管线圈8长度l远大于其半径R时，在螺线管线圈8中部位置的磁场分布非常接近均匀分布。

当设置多对抽头时，可由上述方法获得多个磁导率数值，通过取平均值等方法进一步数据的准确度。本发明的有益之处在于可使磁导率的相对测量误差达到0.5％以内。

如图2所示，螺旋管线圈8长度为l＝129mm，线圈半径为R＝12.9mm，线径为r＝0.71mm，匝数N＝150匝，截面积S＝πR²以线圈中心位置为中心，在水平上对称的取一对抽头，两抽头的间距为l_a＝48.4mm。依次记各端子为第一抽头1、第二抽头2、第三抽头3、第四抽头4。

本发明的用于磁导率测量的传感器的测量方法包括有以下步骤：

步骤1)，在所述传感器内填满被测介质后，由激励电流源7将交变电流注入第一抽头1；同时第四抽头4接地，在螺线管线圈8内构成电流回路，形成交变电磁场；

步骤2)，由仪表放大器5及电压测量模块6完成螺线管线圈8中间第二抽头2和第三抽头3之间差动电压U的测量；根据公式确定第二抽头2和第三抽头3之间的电感L；

步骤3)，根据公式建立的L与μ的关系式，确定被测介质的磁导率μ。式中，S为被测介质填充体的横截面积，n为单位长度线圈的匝数，2kl为第二抽头2与第三抽头3之间的距离(k≤1/2)，z为线圈的轴向坐标。

在本实施例中，测量空气的磁导率数值为12.498×10^-7H/m，与理论数值(4π×10^{- 7}H/m)的相对误差为0.49％。

Claims (3)

1.一种用于磁导率测量的传感器，其特征是：该传感器包括一四抽头的螺线管线圈(8)，螺线管线圈(8)自上而下依次引出四个抽头，四个抽头中第一抽头(1)连接与地相连的激励电流源(7)，第四抽头(4)与激励信号源(7)的地电位相连，形成电流回路，第二抽头(2)、第三抽头(3)连接仪表放大器(5)的输入端获取差分电压，并与电压测量模块(6)相连。

2.根据权利要求1所述用于磁导率测量的传感器，其特征是：所述电压测量模块(6)为LCR表、数字万用表或具有交流电压测量功能的仪器之一种。

3.利用权利要求1所述用于磁导率测量的传感器的测量方法，其特征是：该测量方法直接对针对被测介质的磁导率进行测量，而不须预先制备特定形状磁芯；该方法包括有以下步骤：

步骤1)，在所述传感器内填满被测介质后，由激励电流源(7)将交变电流注入第一抽头(1)；同时第四抽头(4)与激励信号源(7)的地电位相连，在螺线管线圈(8)内构成电流回路，形成交变电磁场；

步骤2)，由仪表放大器(5)及电压测量模块(6)完成螺线管线圈(8)中间第二抽头(2)和第三抽头(3)之间差动电压U的测量；根据公式确定第二抽头(2)和第三抽头(3)之间的电感L；

步骤3)，根据公式建立的L与μ的关系式，确定被测介质的磁导率μ；

式中，S为被测介质填充体的横截面积，n为单位长度线圈的匝数，2kl为第二抽头与第三抽头之间的距离(k≤1/2)，l为线圈的轴向长度，z为线圈的轴向坐标，R为线圈的半径。