CN109407023A - 一种磁矩（磁通）测试仪的新型校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁矩（磁通）测试仪的新型校准方法，该方法主要包括六大步骤，分别为利用若干块充磁的永磁体构建稳定磁场组件，该磁场组件的磁场方向平行且分布均匀；将磁场组件固定在测试线圈中心，保证磁场方向与测试线圈的主轴方向一致；镍标准样品进行处理并放入均匀磁场内进行饱和磁化；磁通计数据调零，抽、拉镍标准样品到远处，记录磁通计读数；综合上述步骤计算测试线圈的常数和根据镍标准样品的不确定度及测试过程分析系统的不确定度，完成仪器的校准；这种磁矩（磁通）测试仪的新型校准方法具有测试准确、便捷，校准效率高等优点。

Description

一种磁矩（磁通）测试仪的新型校准方法

技术领域

本发明涉及一种新型校准方法，具体是指一种磁矩（磁通）测试仪的新型校准方法。

背景技术

磁矩全称“磁偶极矩”，是描述铁磁材料特别是永磁材料磁性强弱的重要参数。磁矩最常用的测试方法是根据国际电工委员会的标准IEC60404-14（抽拉或旋转法测试铁磁材料磁偶极矩）开展的。在生产与贸易过程中，人们有时也用磁通，实际为“开路磁通”测试结果来描述永磁体的磁性能，对于特定的测试装置，磁通与磁矩可以通过线圈常数进行换算。

按照IEC60404-14方法设计的磁矩（磁通）测试仪主要由磁通计与测试线圈组成，该仪器的校准是通过对磁通计与测试线圈分别校准开展的：

一、磁通计是测量磁通（量）的一种磁测量仪器，常用的有磁电式、电子式和数字积分式三种类型，主要通过互感法或伏秒法进行校准与溯源。

二、测试线圈最常见的是“亥姆赫兹线圈”（亥姆霍兹线圈是用两个半径和匝数完全相同的线圈，将其同轴排列并令间距等于半径，串接而成的线圈），另外螺线管、以及J.Lüdke等人提出的补偿型磁矩测试线圈也有类似功能。测试线圈的校准需要在零磁场环境下通入稳恒电流测试磁场大小，进而得到测试线圈的常数。

然而，全世界范围内真正零磁场实验室也屈指可数，所以测试线圈的校准难以在行业内推广，缺少了测试线圈的校准将直接影响测试的准确性与可靠性，进而可能带来诸多贸易纠纷。

虽然IEC60404-14提出了利用镍的饱和磁矩对系统进行校准，但此标准中要求将测试线圈放入稳恒磁场内部，而很多测试线圈的尺寸非常大，例如市场上的亥姆赫兹线圈有的直径达到一米以上，所以磁化装置需要更加庞大，这大大增加了操作难度与可行性。另外此标准也缺乏对镍标准样品的详细介绍。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷而提供一种准确、便捷，校准效率高的磁矩（磁通）测试仪校准方法。

本发明的技术问题通过以下技术方案实现：

一种磁矩（磁通）测试仪的新型校准方法，包括如下步骤：

步骤一，利用若干块充磁的永磁体构建稳定磁场组件，该磁场组件的磁场方向平行且分布均匀；

步骤二、将永磁体构建的磁场组件固定在测试线圈中心，磁场方向与测试线圈的主轴方向一致；

步骤三、选取尺寸与测试样品相近的镍标准样品，该镍标准样品先在酒精与丙酮中超声清洗，然后将镍标准样品放入干燥氢气下在1220K温度炉内退火2h，使镍标准样品的微观粒度尺寸在100μm左右，最后将镍标准样品放入磁场组件产生的均匀磁场内进行饱和磁化；

步骤四、将磁通计数据调零，抽、拉镍标准样品到远处，记录磁通计读数；

步骤五、根据镍标准样品已知磁矩值与测得的磁通计读数，利用公式j=Δϕ/k_H算出测试线圈的常数k_H，其中，j为磁矩值大小，Δϕ为测得的磁通变化量，k_H为测试线圈的常数；

步骤六、根据镍标准样品的不确定度及测试过程分析系统的不确定度，完成仪器的校准。

所述的步骤一中，磁场方向的一致性需通过磁强计空间扫描方式或其它方式来确认；另外，永磁体本身的磁性能需满足如下条件：

①永磁体剩磁需要足够大且几何结构合理，以将镍标准样品完全磁化，磁场组件的气隙磁场Hg>J_s，其中，Hg为磁场组件的气隙磁场，J_s为镍的饱和极化强度，数值为0.61T；

②为了确保永磁体不受抽拉镍标准样品时的退磁影响，永磁体的矫顽力H_i>J_s，其中，H_i为永磁体的矫顽力，J_s为镍的饱和极化强度，数值为0.61T。

所述的磁场组件是两块永磁体平行放置且充磁方向相同，中间狭缝提供平行磁场，或八块永磁体搭配在一起形成Halbach永磁阵列，该Halbach永磁阵列的内部产生均匀平行磁场。

所述的镍标准样品采用99.99%以上纯度的高纯镍材料制作，镍标准样品的形状由任意多边形沿法线方向拉伸而成，包括圆柱形或长方体或六面体。

所述的测试线圈为亥姆赫兹线圈或螺线管或其它具有相类似功能的磁矩测试线圈。

与现有技术相比，本发明主要提供了一种磁矩（磁通）测试仪的新型校准方法，该方法主要包括六大步骤，分别为利用若干块充磁的永磁体构建稳定磁场组件，该磁场组件的磁场方向平行且分布均匀；将磁场组件固定在测试线圈中心，保证磁场方向与测试线圈的主轴方向一致；镍标准样品进行处理并放入均匀磁场内进行饱和磁化；磁通计数据调零，抽、拉镍标准样品到远处，记录磁通计读数；综合上述步骤计算测试线圈的常数和根据镍标准样品的不确定度及测试过程分析系统的不确定度，完成仪器的校准；这种磁矩（磁通）测试仪的新型校准方法具有测试准确、便捷，校准效率高等优点。

附图说明

图1为本发明的校准系统截面图。

图2为两块永磁体产生的平行磁场磁力线分布图。

图3为Halbach永磁阵列产生的平行磁场磁力线分布图。

具体实施方式

下面将按上述附图对本发明实施例再作详细说明。

如图1~图3所示，1.测试线圈、2.永磁体、3.镍标准样品。

一种磁矩（磁通）测试仪的新型校准方法，其包括如下步骤：

步骤一，利用若干块充磁的永磁体2构建稳定磁场组件，该磁场组件的磁场方向平行且分布均匀；

其中，提供均匀平行磁场的永磁体磁场组件，具体是指由多块永磁体2通过不同组合排列构建的均匀平行磁场组件。常见的有两种，第一种如图2所示结构相对简单，主要是由两块永磁体组成，并将两块永磁体平行放置且充磁方向相同，中间狭缝可提供平行磁场；第二种如图3所示，将八块永磁体搭配在一起而形成的Halbach永磁阵列，该Halbach永磁阵列的内部可以产生均匀平行磁场。

同时，磁场方向的一致性需通过磁强计空间扫描方式或其它方式来确认。

另外，永磁体本身的磁性能需满足如下条件：

①永磁体剩磁需要足够大且几何结构合理，这样可以将镍标准样品完全磁化；因而，磁场组件的气隙磁场Hg>J_s，其中，Hg为磁场组件的气隙磁场，J_s为镍的饱和极化强度，数值约为0.61T；

②为了确保永磁体不受抽拉镍标准样品时的退磁影响，永磁体2的矫顽力H_i>J_s，其中，H_i为永磁体的矫顽力，J_s为镍的饱和极化强度，数值约为0.61T；

步骤二、将永磁体构建的磁场组件固定在测试线圈1中心，磁场方向与测试线圈的主轴方向一致；而测试线圈1通常为亥姆赫兹线圈或螺线管或其它具有相类似功能的磁矩测试线圈；

步骤三、选取尺寸与测试样品相近的镍标准样品3，该镍标准样品先在酒精与丙酮中超声清洗，然后将镍标准样品放入干燥氢气下在1220K温度炉内退火2h，使镍标准样品的微观粒度尺寸大约在100μm左右，材料处理工艺参照美国NIST对镍球标准样品（证书编号SRM772a）的处理过程），最后将镍标准样品放入磁场组件产生的均匀磁场内进行饱和磁化；

本发明选用的镍标准样品3采用99.99%以上纯度的高纯镍材料制作并开展校准，这是由于镍材料本身的可靠性与稳定性，在一定温度下纯镍的饱和极化强度Js大小是确定的，约为0.61T。纯镍因此被国际公认为最适合做校准磁测设备的“标准材料”，可参照IEC60404-14以及美国NIST官网。例如：美国NIST提供了标准镍球（99.999%纯度）的饱和磁矩“标准材料”（证书编号SRM 772a)，镍球标样已被用来校准振动样品磁强计等磁性测试设备。

镍标准样品3的形状由任意多边形沿法线方向拉伸而成，包括圆柱形、长方体、六面体等。

步骤四、将磁通计数据调零，抽、拉镍标准样品到远处，记录磁通计读数；

步骤五、根据镍标准样品已知磁矩值与测得的磁通计读数，利用公式j=Δϕ/k_H算出测试线圈的常数k_H，其中，j为磁矩值大小，Δϕ为测得的磁通变化量，k_H为测试线圈的常数；

其中，镍标准样品3的已知磁矩值是通过理论结算或国家实验室赋值；

步骤六、根据镍标准样品的不确定度及测试过程分析系统的不确定度，完成仪器的校准。

为了进一步说明该校准方法的操作步骤，本发明列举一个如图1所示的具体实施例作详细描述。

实施例

利用镍圆柱的饱和磁矩校准由一维亥姆赫兹线圈与磁通计构成的磁矩测试仪；

步骤一、如图1所示取两块D=32mm，h=20mm的柱状烧结钕铁硼进行平行充磁，通过永磁体磁偏角测试对每块永磁体进行测试，即测试永磁体X轴、Y轴、Z轴三个方向的磁通，确保磁场方向与理论磁化方向一致。

利用非导磁支架将两块钕铁硼永磁体隔开。理论上当两块永磁体的距离越近，磁场的平行度会越高。本实施例取气隙大小为d=10mm。理论计算可得：在此区域内，磁力线主要沿h方向，而垂直h方向的磁场强度小于h方向磁场强度的0.1%，磁力线的平行度，即平行方向磁场与垂直方向磁场的比值可以达到99.9%以上。通过磁路计算可知，两个钕铁硼永磁体样品中心的磁场为Hg=0.54Br，Br为钕铁硼的剩磁，对于大多数钕铁硼Br很容易达到1.2T，所以两个钕铁硼永磁体的磁性能能够满足条件①和②。

步骤二、将两个钕铁硼永磁体放入一维亥姆赫兹线圈的中心区，两个钕铁硼永磁体的空隙在一维亥姆赫兹线圈中心均匀区内，磁场方向与一维亥姆赫兹线圈主轴向方向一致。

步骤三、将Φ8mm*10mm的镍圆柱放入两块钕铁硼永磁体的中心区，也是一维亥姆赫兹线圈的中心区进行饱和磁化。

步骤四、磁通表读数调零，抽、拉镍圆柱到远处，记录磁通计读数。

步骤五、根据镍圆柱已知磁矩值与磁通计读数利用公式j=Δϕ/k_H算出一维亥姆赫兹线圈的常数k_H；根据测得的磁通值或k_H以及测试过程进行不确定度评定，完成校准。

以上所述仅是本发明的具体实施例，本领域技术人员应该理解，任何与该实施例等同的结构设计，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种磁矩（磁通）测试仪的新型校准方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤一，利用若干块充磁的永磁体（2）构建稳定磁场组件，该磁场组件的磁场方向平行且分布均匀；

步骤二、将永磁体（2）构建的磁场组件固定在测试线圈（1）中心，磁场方向与测试线圈（1）的主轴方向一致；

步骤三、选取尺寸与测试样品相近的镍标准样品（3），该镍标准样品先在酒精与丙酮中超声清洗，然后将镍标准样品（3）放入干燥氢气下在1220K温度炉内退火2h，使镍标准样品（3）的微观粒度尺寸在100μm左右，最后将镍标准样品（3）放入磁场组件产生的均匀磁场内进行饱和磁化；

步骤四、将磁通计数据调零，抽、拉镍标准样品（3）到远处，记录磁通计读数；

步骤五、根据镍标准样品（3）已知磁矩值与测得的磁通计读数，利用公式j=Δϕ/k_H算出测试线圈（1）的常数k_H，其中，j为磁矩值大小，Δϕ为测得的磁通变化量，k_H为测试线圈（1）的常数；

步骤六、根据镍标准样品（3）的不确定度及测试过程分析系统的不确定度，完成仪器的校准。

2.根据权利要求1所述的一种磁矩（磁通）测试仪的新型校准方法，其特征在于所述的步骤一中，磁场方向的一致性需通过磁强计空间扫描方式或其它方式来确认；另外，永磁体（2）本身的磁性能需满足如下条件：

①永磁体（2）剩磁需要足够大且几何结构合理，以将镍标准样品（3）完全磁化，磁场组件的气隙磁场Hg>J_s，其中，Hg为磁场组件的气隙磁场，J_s为镍的饱和极化强度，数值为0.61T；

②为了确保永磁体（2）不受抽拉镍标准样品（3）时的退磁影响，永磁体（2）的矫顽力H_i>J_s，其中，H_i为永磁体的矫顽力，J_s为镍的饱和极化强度，数值为0.61T。

3.根据权利要求1所述的一种磁矩（磁通）测试仪的新型校准方法，其特征在于所述的磁场组件是两块永磁体（2）平行放置且充磁方向相同，中间狭缝提供平行磁场，或八块永磁体（2）搭配在一起形成Halbach永磁阵列，该Halbach永磁阵列的内部产生均匀平行磁场。

4.根据权利要求1所述的一种磁矩（磁通）测试仪的新型校准方法，其特征在于所述的镍标准样品（3）采用99.99%以上纯度的高纯镍材料制作，镍标准样品（3）的形状由任意多边形沿法线方向拉伸而成，包括圆柱形或长方体或六面体。

5.根据权利要求1所述的一种磁矩（磁通）测试仪的新型校准方法，其特征在于所述的测试线圈（1）为亥姆赫兹线圈或螺线管或其它具有相类似功能的磁矩测试线圈。