CN108872007A - 一种用于检测密度的双块环形磁铁磁悬浮检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测密度的双块环形磁铁磁悬浮检测方法，包括如下步骤：(1)根据样品材料确定介质溶液，所述介质溶液为顺磁介质溶液；(2)将样品置于介质溶液中；(3)将介质溶液置于设有双块环形磁铁的磁悬浮检测装置中；(4)测量被测样品悬浮的高度；(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，测量精度高，易于实现自动化。

Description

一种用于检测密度的双块环形磁铁磁悬浮检测方法

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双块环形磁铁磁悬浮检测方法。

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。

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、精度高、实施简便的用于检测密度的双块环形磁铁磁悬浮检测方法。

一种用于检测密度的双块环形磁铁磁悬浮检测方法，包括如下步骤：

(1)根据样品材料确定介质溶液；

(2)将样品置于介质溶液中；

(3)将介质溶液置于设有双块环形磁铁的磁悬浮检测装置中；

(4)测量被测样品悬浮的距离；

(5)按式(I)计算样品密度；

所述式(I)如下：

其中：

ρ_s为被测样品密度，g/cm³；ρ_m为介质溶液密度，g/cm³；χ_s为被测样品的磁化率，无量纲；x_m为介质溶液磁化率，无量纲；g为重力加速度，m/s²；μ₀为真空磁导率，N/A²；σ为环形磁铁的表面磁极密度，T；z为样品在溶液中悬浮高度，mm；d为上下两块环形磁铁相对表面的间距，mm；r₁为环形磁铁内半径，mm，r₂为环形磁铁外半径，mm，h为环形磁铁的高度，mm。

本发明中，两个环形磁铁大小相同，上下同轴对称设置，两个环形磁铁同极相向设置。

作为优选，介质溶液为顺磁介质溶液，比如可是顺磁介质水溶液、顺磁介质醇溶液等。作为优选，所述顺磁介质溶液选自Mn盐、Fe盐、Gd盐的溶液等。比如，所述顺磁介质溶液可以为MnCl₂、FeCl₃、GdCl₃、Gd-DTPA的溶液。

作为优选，所述介质溶液为MnCl₂水溶液或者MnCl₂醇溶液，比如可以为MnCl₂甲醇溶液、MnCl₂乙醇溶液、MnCl₂异丙醇溶液等等。作为优选，所述介质溶液为浓度为0.5-5mol/L的MnCl₂水溶液或者浓度为0.5-5mol/L的MnCl₂醇溶液；作为进一步优选，所述介质溶液为浓度为2.5mol/L的MnCl₂水溶液或者0.8-1.5mol/L的MnCl₂醇溶液。作为优选，所述样品为密度为0.8～1.5g/cm³的样品，以进一步保证检测精度。

作为优选，配制介质溶液时，保证样品在溶液中悬浮，可通过调整介质溶液的密度进行控制。

作为优选，配制介质溶液时，介质溶液密度略小于或略小于样品密度，以保证待测样品能够在溶液中稳定悬浮，进一步提高检测精度。

作为优选，配制介质溶液前，进行介质溶液的密度与磁化率的标定。对于特定的介质溶液，通过标定，可以确定密度与磁化率之间的标准曲线，在实际使用时，直接通过检测介质溶液的磁化率，就可以知晓介质溶液的密度大小，选择适当密度的介质溶液即可，进一步方便了介质溶液的选择。

作为优选，所述的环形磁铁为外半径为30mm，内半径为20mm的磁铁；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。

作为优选，所述样品为中心对称结构。比如，所述样品可以是球形样品、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等等中心对称结构。

作为优选，所述样品为球形样品。

所述用于检测密度的双块环形磁铁磁悬浮检测方法，其原理如下：

根据磁荷模型，在外半径为r₂，内半径为r₁，高度为h的环形磁铁的中心为坐标原点建立柱坐标系，高度h方向为z轴(例如，以位于下方的环形磁铁顶面中心为原点，向上为z轴正向)，则空间一点(r,z)的径向磁感应强度和轴向磁感应强度分别为：

I：径向磁感应强度B_r(r,z)为：

其中，r为距离两个环形磁铁中心连线(即z轴)之间的距离；

式中，R选自r₂、r₁；H选自h、0；z为样品在溶液中悬浮时距离下方磁铁顶面的高度，mm；r₁为环形磁铁外半径，r₂为环形磁铁内半径，h为环形磁铁的高度，mm，σ为表面磁极密度，T。

II：轴向磁感应强度B_z(r,z)为：

B_z(r,z)＝B_z1(r,z)-B_z1(r,2h+d-z)

其中，

式中，H选自h、0；r_n(n＝1,2)为磁铁内外半径，∏(n,k)为第三类完全椭圆积分。

根据对磁场的模拟结果，磁铁中间区域，除中心线以外，大部分区域在周向平面分量沿与中心线连线方向向外发散。中心线在周向平面方向分量为0。

在垂直方向上，的表达式简化为：

根据对磁场的模拟结果，并结合应用实际，样品在介质溶液中的受力会将样品推向中心线，最终稳定在中心线上，结合阿基米德原理，样品最终的平衡状态方程为：

其中V为待检测样品的体积；

最终方程简化为密度与高度z的对应关系，通过测量样品在顺磁介质溶液中的高度即可计算出样品的密度。

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。

附图说明

图1是本发明中介质检测样品密度时的磁悬浮装置原理图；

图2是本发明对外半径为30mm，内半径为20mm，高度为20mm，中心磁感应强度为0.125T的两块环形磁铁，间隔30mm时，中心线的与高度z关系的曲线图；

图3是本发明采用本发明方法对不同已知标准密度的小球进行检测的结果图。

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1所示，是本发明的磁悬浮装置原理图，包括磁铁1、磁铁5，样品2，介质溶液3，介质溶液容器4。容器要求透明易于测量内部样品高度。被测样品2在溶液中悬浮高度为z。

磁铁1、磁铁5均为外半径为30mm，内半径为20mm，高度为20mm，中心磁感应强度为0.125T的环形磁铁，两个磁铁之间的间距为30mm。磁铁1、磁铁5上下同轴设置，均水平布置，且磁铁1、磁铁5的N极相互靠近设置。

本发明对外半径为30mm，内半径为20mm，高度为20mm，中心磁感应强度为0.125T的环形磁铁进行检测，其中心线与高度z关系的曲线图如图2所示，其中是磁场的梯度，为磁场强度，通过计算我们可以得到物质在磁场中受力的方向。

其中，测量方法如下：

一种用于检测密度的双块环形磁铁磁悬浮检测方法，包括如下步骤：

(1)根据样品材料估计样品密度。

在进行实验前，可事先对介质溶液的密度和磁化率进行标定，标定时，配制浓度为整数摩尔每升的溶液，然后进行密度与磁化率的标定，参见表1。

根据估算的样品密度值，配置介质溶液，配制介质溶液时，在合适的范围内，介质溶液密度略大于或略小于样品密度，保证待测样品的良好悬浮。

(2)将样品置于介质溶液中。

(3)将介质溶液置于磁悬浮检测装置中，即将介质溶液置置于两个环形磁铁之间，并位于中心线位置。

(4)测量被测样品浮起的高度；

(5)计算样品密度；

采用本方法对PLA(聚乳酸)原料(直径约4mm的球状颗粒)进行密度测量，选用的介质溶液为2.5mol/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，放进装置中。静置10分钟，待样品位置稳定，用毫米尺测量悬浮高度。高度读数为5.3mm，经过计算可以得到样品的密度为1.257g/cm³。

上述密度的磁悬浮检测方法，其计算公式如下：

ρ_s为被测样品密度，g/cm³；ρ_m为介质溶液密度，g/cm³；χ_s为被测样品的磁化率，无量纲；χ_m为介质溶液磁化率，无量纲；g为重力加速度，m/s²；μ₀为真空磁导率，N/A²；σ为环形磁铁的表面磁极密度，T；z为样品在溶液中悬浮高度，mm；d为上下两块环形磁铁相对表面的间距，mm；r₁为环形磁铁内半径，mm，r₂为环形磁铁外半径，mm，h为环形磁铁的高度(或者厚度)，mm。

为进一步验证本发明方法的精确度，本发明分别针对2.5mol/L的MnCl₂水溶液、2.0mol/L的MnCl₂水溶液，利用密度已知的标准密度的小球进行检测，标准密度的小球的直径约为5～6mm。标准密度的小球的密度分别为1.28g/cm³、1.27g/cm³、1.26g/cm³、1.25g/cm³、1.24g/cm³、1.23g/cm³、1.22g/cm³、1.21g/cm³、1.20g/cm³、1.19g/cm³、1.18g/cm³、1.17g/cm³、1.16g/cm³。结果如图3所示，图3中，曲线为由本发明方法得到的理论曲线。由图3可知，采用2.5mol/L的MnCl₂水溶液作为介质溶液时，检测精度更高。

此外，本文还使用该装置，并以1mol/L的MnCl₂甲醇溶液为介质溶液进行了检测试验，使用该溶液和装置检测了PE材料(直径约4mm的球状颗粒)，结果如下表2所示。

表2以1mol/L的MnCl₂甲醇溶液为介质溶液的测试结果

由上表可知，本检测方法对于MnCl₂甲醇溶液也同样适用，并不局限于水溶液。

上述实施例中采用Mncl₂溶液作为应用实例，但是，其他顺磁溶液如MnCl₂、FeCl₃、GdCl₃、Gd-DTPA溶液也同样可以作为本发明的介质溶液使用。使用这些介质溶液时，可以按照上述类似的方法进行标定。同样可采用上述类似方法进行密度测量。

以上所述仅为本发明的一个应用实例，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双块环形磁铁磁悬浮检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据样品材料确定介质溶液，所述介质溶液为顺磁性介质溶液；

(2)将样品置于介质溶液中；

(3)将介质溶液置于设有两个环形磁铁的磁悬浮检测装置中，所述两个环形磁铁尺寸相等，上下同轴布置，且同极相向设置；

(4)测量被测样品悬浮的高度；

(5)按式(I)计算样品密度；

所述式(I)为：

其中：ρ_s为被测样品的密度，g/cm³；ρ_m为介质溶液的密度，g/cm³；χ_s为被测样品的磁化率，无量纲；χ_m为介质溶液的磁化率，无量纲；g为重力加速度，m/s²；μ₀为真空磁导率，N/A²；σ为表面磁极密度，T；z为被测样品在介质溶液中的悬浮高度，mm；d为上下两块环形磁铁之间的间距，mm；r₁为环形磁铁的内半径，mm，r₂为环形磁铁的外半径，mm，h为环形磁铁的高度，mm。

2.根据权利要求1所述的用于检测密度的双块环形磁铁磁悬浮检测方法，其特征在于，首先估算被测样品的密度，配制介质溶液时，介质溶液密度略小于或略大于样品密度，保证样品在溶液中悬浮。

3.根据权利要求1或2所述的用于检测密度的双块环形磁铁磁悬浮检测方法，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双块环形磁铁磁悬浮检测方法，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双块环形磁铁磁悬浮检测方法，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双块环形磁铁磁悬浮检测方法，其特征在于，所述介质溶液为Mn盐、Fe盐、Gd盐的溶液。

7.根据权利要求1所述的用于检测密度的双块环形磁铁磁悬浮检测方法，其特征在于，介质溶液为Mn盐、Fe盐、Gd盐的水溶液，或者Mn盐、Fe盐、Gd盐的醇溶液。

8.根据权利要求7所述的用于检测密度的双块环形磁铁磁悬浮检测方法，其特征在于，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。

9.根据权利要求8所述的用于检测密度的双块环形磁铁磁悬浮检测方法，其特征在于，所述样品为密度为0.8～1.5g/cm³的样品。

10.根据权利要求9所述的用于检测密度的双块环形磁铁磁悬浮检测方法，其特征在于，所述介质溶液为浓度为2～2.5mol/L的MnCl₂水溶液或者0.8～1.5mol/L的MnCl₂醇溶液。