CN107560975A - 一种用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法 - Google Patents

一种用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，包括：(1)配置介质溶液，所述介质溶液为顺磁性介质溶液；(2)将介质溶液置于设有两块方形磁铁的磁悬浮检测装置，所述两个方形磁铁尺寸相等，左右同轴布置，且同极相向设置；(3)将样品用柔性件悬挂固定于介质溶液中，且使样品置于方形磁铁中心线上，所述样品为抗磁性材料；(4)测量被测样品横向悬浮距离；(5)计算样品密度；与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所需求的装置操作简单，成本低廉，测量结果易于观测，测量范围广、精度高，易于实现自动化。

Description

一种用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法
技术领域
本发明涉及一种检测方法，具体涉及一种用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法。
背景技术
密度是物质最基本的重要物理特征之一，不同物质的密度一般不同。同时，不同的内部微观结构、物质构成在宏观上也会体现在密度的变化上。密度的测量在科研、生产过程和生活中均具有重要的意义。
密度的定义为单位体积内物质的质量，2200年前阿基米德发现的浮力原理是大部分现有密度测量的基础原理，不同的密度测量方法均基于密度的基础计算公式：ρ＝m/V。
常用的测量方法为浮力法，比重瓶法，密度计法和密度梯度法。浮力法主要用于测量固体或测量互不相容的液体。比重瓶法可以较精确地测量固体和液体的密度。密度计法主要用于液体密度的测量。密度梯度法通过两种密度不同且互溶的液体构造适当的密度梯度来检测小尺寸样品的密度。这些测量的方法主要都基于阿基米德原理，原理比较简单，但是缺点在于，较难取得较高的测量精度，或者若要取得较高精度的结果，成本比较昂贵。其中，前两种测量方法的精度取决于质量测量的精度，密度计法取决于密度计的制造精度。因此，前三种方法想要取得较精确的结果，就需要精度高但昂贵的设备。而密度梯度法受限于密度梯度的制造方法，因此测量的误差较大。
磁性也是物质所具有的基本物理特征之一，任何物质在磁场中均会被磁化。根据磁化产生的附加磁场方向，物质分为顺磁性物质与抗磁性物质。其中，顺磁性物质的附加磁场与激励磁场方向相同，反之，抗磁性物质产生的附加磁场与激励磁场相反。结合物质磁性以及阿基米德原理提出的磁-阿基米德悬浮，使物体在磁场中的悬浮条件不再苛刻，可以取得较多应用。
对于阿基米德原理及其衍生方法，其对密度的测量通常较难达到较高精度；现有的密度检测方法，若要达到高精度的测量，通常需要使用昂贵的测量设备。并且，基于阿基米德原理的测量方法通常对小尺寸样品灵敏度不高，容易造成较大的测量误差。而其他密度测量方法则应用到较新的技术方法，测量设备较为昂贵，并且操作和计算方法繁琐，对小尺寸样品的密度测量的应用发展比较局限。
现有的磁悬浮密度测量方法，其测量范围受到顺磁介质溶液密度的局限，因此很难超过2.3g/cm3。哈佛大学Mirica等[NEMIROSKI A,SOH S,KWOK S W,et al.Tiltedmagnetic levitation enables measurement of the complete range of densities ofmaterials with low magnetic permeability[J].Journal of the American ChemicalSociety,2016,138(4):1252-1257]提出利用倾斜装置来扩大密度测量范围的新方法，将测量范围从0.8～2.3g/cm3扩大到0.0～23.0g/cm3。然而，物质与容器壁间的摩擦力难以消除，对不同的检测物质，需要添加不同质量分数的葡萄聚糖以提高顺磁溶液粘度并反复旋转容器使物质与容器壁分离，该方法操作繁琐，且需要对溶液密度进行多次标定。
发明内容
本发明针对现有测量密度的方法存在的技术问题，提出了一种成本低、测量范围广、精度高、实施简便的用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法。
一种用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，包括如下步骤：
(1)配置介质溶液，所述介质溶液为顺磁性介质溶液；
(2)将介质溶液置于设有两块方形磁铁的磁悬浮检测装置，所述两个方形磁铁尺寸相等，左右同轴布置，且同极相向设置；
(3)将样品用柔性件悬挂固定于介质溶液中，且使样品置于方形磁铁中心线上，所述样品为抗磁性材料；
(4)测量被测样品横向悬浮距离；
(5)按式(I)计算样品密度；
所述式(I)为：
其中：H是柔性件的长度，ρs为被测样品密度，g/cm3；ρm为介质溶液密度，g/cm3；χm为介质溶液磁化率，无量纲；χs为被测样品的磁化率，无量纲；g为重力加速度，m/s2；μ0为真空磁导率，N/A2；a为方形磁铁的长度和宽度，mm；h为方形磁铁的高度，mm；l为样品在介质溶液中横向悬浮位移，即样品稳定时重心距离初始位置的横向位移，mm；d为两个磁铁之间的距离，mm；J为垂直于磁化方向的平面上的面电流密度，A/m2。
本发明中，上述的样品的“初始位置”是指在没有磁化作用前(或者假设没有磁化作用下)，样品受重力、介质溶液的浮力和柔性件拉力作用下在介质溶液中的初始位置，当受到两个磁铁磁化作用力后，样品会发生一定的位移，在磁化方向上产生的位移就是所述的“横向悬浮位移”。
本发明中，所述表面中心是指其中一块方形磁铁面向另外一个方形磁体的一侧表面的中心。
本发明中，所述的柔性件的长度一般是指从柔性件一端固定端到样品中心之间的距离。
本发明中，配制介质溶液时，介质溶液密度小于样品密度，保证样品在溶液中不会浮起。
本发明中，所述两个方形磁铁可以为完全相同的两个方形磁铁。可以是N极相向设置，也可以是S极相向设置。作为优选，两磁铁之间距离不大于70mm。本发明中，两个方形磁铁置于同一水平高度，两个方形磁体的中心连线水平设置。
一般情况下，介质溶液的磁化率可通过现有的方法简单快速的检测得到。本发明中，为方便介质溶液的快速配制，配制介质溶液前，可进行介质溶液的密度与磁化率的标定。选择此技术方案，在检测样品前，可预先估算样品的密度，进而确定介质溶液的密度，然后通过密度与磁化率的标定结果，确定合适的磁化率，最后按照要求配制适当的磁化率的介质溶液。
为进一步提高检测精度，作为优选，所述样品为中心对称结构。
作为进一步优选，所述样品为球形样品、椭圆球样品、扁球形样品、圆盘状样品、圆柱状样品、双圆锥样品、正方体样品、横截面为正方形的长方体样品。作为优选，所述样品为圆形样品，比如可以是球形样品、扁球形样品、圆盘状样品等。作为最优的选择，所述样品为球形样品。
作为优选，所述样品为最大尺寸不大于7mm。本发明尤其适合于尺寸较小的样品密度测量，检测精度较高。
本发明中，所述的介质溶液为顺磁性介质，可选的介质溶液包括以Mn、Fe、Gd元素为溶质的溶液。作为优选，所述介质溶液为MnCl2、FeCl3、GdCl3、Gd-DTPA溶液。所述的溶液可以为醇溶液或者水溶液，所述醇溶液可以是甲醇溶液、乙醇溶液或者异丙醇溶液。
作为进一步优选，所述介质溶液为MnCl2的水溶液或醇溶液。所述介质溶液为浓度为0.5～5mol/L的MnCl2水溶液或者0.5～5mol/L的MnCl2醇溶液。
作为进一步优选，所述样品为密度为2.3～23g/cm3的样品。作为优选，所述介质溶液为浓度为1～3mol/L的MnCl2水溶液或者0.8～1.5mol/L的MnCl2醇溶液。
作为优选，所述柔性件为长度为150mm-250mm的细线，一端固定在其中一块方形磁铁的表面中心正上方，另一端固定所述样品。初始状态下(假设此时没有磁化作用)，样品位于其中一块方形磁铁的表面中心处，样品竖直悬挂于柔性件上，此时的位置即为初始位置；在磁化作用下，样品发生一定的位移，达到平衡状态。作为进一步优选，所述柔性件为长度为190mm-200mm的细线。
本发明中，所述柔性件自身的重量可以忽略。样品移动前后，偏离中心线的距离可以忽略。
所述磁-阿基米德原理密度测量方法，其原理如下：
由于本文使用的是两块N极相对的方形磁铁，因此先计算单块方形磁铁的空间磁场强度。由磁介质的分子环流假设，根据毕奥-萨伐尔定理，由于空间磁场计算较为复杂，为方便计算，建立如图1所示坐标系，对尺寸为a*a*h的方形磁铁的一角为坐标原点建立坐标，长宽方向分别为x轴和y轴，高度h方向为z轴，则空间一点(x，y，z)的磁感应强度为：
式中，J为垂直于磁化方向平面上的面电流密度，μ0为真空磁导率，Ψ与Φ为函数记号，分别为：
z0是与z无关的参数；表示函数记号内z0＝h的值与z0＝0的值之差。
当磁铁给定尺寸与表面磁感应强度，则J的计算公式如下：
计算得到单块方形磁铁的空间磁场强度后，根据坐标变化，结合磁场叠加公式，可以得到对应的两块N极相对的方形磁铁的空间磁场强度。
当两块磁铁中间存在介质时，介质的受力满足：
式中：是磁场对样品产生的力，χm是介质溶液的磁化率，无量纲；V为被测样品体积，cm3；为向量梯度算子，为被测样品所在位置磁场的磁感应强度，T。
由于两块磁铁之间呈梯度变化，因此，两块磁铁之间介质每一点受力都不一样。若中间介质为顺磁溶液，则当溶液中放入被测样品，受磁场力影响，样品获得的附加浮力满足：
式中：是磁场产生的力，χs是被检测物体的磁化率，χm是介质溶液的磁化率，V为被测样品体积，为梯度算子。
结合本发明中图2，中心线上在垂直于中心线方向上分量为0。
在中心线上，的表达式简化为：
结合阿基米德原理以及受力平衡公式，样品最终的平衡时所受磁场力与浮力和重力的合力之比如下公式所示：
上述密度的磁悬浮测量方法，应当在检测前根据产品材料估测产品的密度，同时配制相应的介质溶液。如需要精确计算溶液磁化率，可以用古埃法测量溶液磁化率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种全新的检测物质密度的方法，所需求的装置操作简单，成本低廉，测量结果易于观测，测量精度高，易于实现自动化；同时扩大了可检测的样品范围。
附图说明
图1是本发明中单块磁铁建模坐标系示意图；
图2是本发明中介质检测样品密度时的磁悬浮装置原理图；
图3是本发明对长50mm*宽50mm*高25mm中心表面磁感应强度为0.425T磁铁，距离为45mm时，中心线上样品密度与横向悬浮位移l关系的曲线图。
具体实施方式
为使本发明被更清楚地理解，下面根据本发明的具体实例及附图，对本发明进行进一步的说明。
如图2所示，是本发明的磁悬浮装置原理图，包括细线1，介质溶液容器2，介质溶液3，样品4，方形磁铁5、方形磁铁6。容器2要求透明易于测量内部样品高度。磁铁5磁铁6之间距离为d。被测样品4在溶液中横向悬浮距离为l。
本实施例中，磁铁5、磁铁6均为长50mm*宽50mm*高25mm的方形磁铁，且中心表面磁感应强度均为0.425T，磁铁5、磁铁6距离45mm，且同极对置构成(图2中磁铁5、磁铁6的N极相互靠近设置)。
本发明对长50mm*宽50mm*高25mm中心表面磁感应强度为0.425T磁铁，距离为45mm时进行样品测试，得到的中心线上样品密度与横向悬浮位移l关系的曲线图如图3所示。
其中，测量方法如下：
一种用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，包括如下步骤：
(1)根据需要，配置一定浓度的介质溶液，保证介质溶液密度大于样品密度大，所述介质溶液为顺磁性介质溶液，样品为抗磁性样品；
(2)将样品用一定长度的细线悬挂于夹持装置上；
(3)将介质溶液置于设有两块方形磁铁的磁悬浮检测装置中，并使样品浸入介质溶液，所述两个方形磁铁尺寸相等，左右同轴布置，且同极相向设置；
(4)调节夹持装置位置使样品置于磁悬浮装置中左侧(或右侧)磁铁表面的中心处，细线的固定端位于左侧(或右侧)磁铁表面中心正上方；
(5)测量被测样品横向悬浮距离；
(6)计算样品密度；
采用本方法对直径为5mm的铜球(H62黄铜，理论密度值8.5g/cm3)、铝球(理论密度值2.7g/cm3)和玻璃球(理论密度值2.5g/cm3)进行密度测量，选用的介质溶液为3.0mol/L的MnCl2水溶液，不同浓度MnCl2水溶液所对应的密度和磁化率如表1所示：
表1不同浓度MnCl2水溶液所对应的密度和磁化率
浓度(mol/L) 密度(g/cm3) 磁化率
1 1.099 1.774×10-4
1.5 1.148 2.771×10-4
2 1.196 3.630×10-4
2.5 1.244 4.650×10-4
3 1.292 5.438×10-4
样品经过酒精清洗表面后，置于MnCl2水溶液中，用长度为200mm细线粘附，且悬挂点处于左侧磁铁右表面中心，放进装置中。静置10分钟，待样品位置稳定，用毫米尺测量横向悬浮位移。读数分别为5.7mm、14.4mm和15.1mm，经过计算可以得到样品的密度分别为8.9g/cm3、2.6g/cm3和2.4g/cm3。
上述密度的磁悬浮检测方法，其计算公式如下：
其中：ρs为被测样品密度，g/cm3；ρm为介质溶液密度，g/cm3；χm为介质溶液磁化率，无量纲，xs为介质溶液磁化率，无量纲，由于上述铜球、铝球和玻璃球的xs的值量级均为10-6，与xm相比小了两个数量级，为简化计算，均用-5*10-6代入；g为重力加速度，m/s2；μ0为真空磁导率，N/A2；a为方形磁铁的长度和宽度，mm；h为方形磁铁的高度，mm；l为样品在介质溶液中横向悬浮位移，mm；d为两个磁铁之间的距离，mm；J为垂直于磁化方向平面上的面电流密度，本实例中B0＝0.425T。
以上所述仅为本发明的部分应用实例，并非对适用被测样品范围的限定。可应用本发明测量的材料，这里无需也无法一一穷举，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)配置介质溶液，所述介质溶液为顺磁性介质溶液；
(2)将介质溶液置于设有两块方形磁铁的磁悬浮检测装置，所述两个方形磁铁尺寸相等，左右同轴布置，且同极相向设置；
(3)将样品用柔性件悬挂固定于介质溶液中，且使样品置于方形磁铁中心线上，所述样品为抗磁性材料；
(4)测量被测样品横向悬浮距离；
(5)按式(I)计算样品密度；
所述式(I)为：
其中：H是柔性件的长度，ρs为被测样品密度，g/cm3；ρm为介质溶液密度，g/cm3；χm为介质溶液磁化率，无量纲；χs为被测样品的磁化率，无量纲；g为重力加速度，m/s2；μ0为真空磁导率，N/A2；a为方形磁铁的长度和宽度，mm；h为方形磁铁的高度，mm；l为样品在介质溶液中横向悬浮位移，即样品稳定时重心距离初始位置的横向位移，mm；d为两个磁铁之间的距离，mm；J为垂直于磁化方向的平面上的面电流密度，A/m2。
2.根据权利要求1所述的用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，其特征在于，配制介质溶液时，介质溶液密度小于样品密度。
3.根据权利要求1或2所述的用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，其特征在于，配制介质溶液前，进行介质溶液的密度与磁化率的标定。
4.根据权利要求1所述的用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，其特征在于，所述样品为中心对称结构。
5.根据权利要求4所述的用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，其特征在于，所述样品为球形样品、椭圆球样品、扁球形样品、圆盘状样品、圆柱状样品、双圆锥样品、正方体样品、横截面为正方形的长方体样品。
6.根据权利要求1所述的用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，其特征在于，所述介质溶液为MnCl2、FeCl3、GdCl3、Gd-DTPA溶液。
7.根据权利要求1所述的用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，其特征在于，所述介质溶液为MnCl2的水溶液或醇溶液。
8.根据权利要求1所述的用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，其特征在于，所述样品为密度为2.3～23g/cm3的样品。
9.根据权利要求8所述的用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，其特征在于，所述介质溶液为浓度为1～3mol/L的MnCl2水溶液或者0.8～1.5mol/L的MnCl2醇溶液。
10.根据权利要求1所述的用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，其特征在于，所述柔性件为长度为150mm-250mm的细线，一端固定在其中一块方形磁铁的表面中心正上方，另一端固定所述样品。
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