CN110261800A - 一种针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量装置及方法 - Google Patents

一种针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量装置及方法，是一种尤其适用于铁氧体低频复数磁导率测试领域使用的高精度测量装置及方法。本发明针对铁氧体磁性材料的低频复数磁导率测量过程中受外界磁场、温度波动、样品磁化状态以及电阻测量的影响，导致其精度不高，将绕有线圈的铁氧体测试样环放置在磁屏蔽桶内进行测试，使用恒温箱保持温度恒定，样环上增加消磁线圈，测量前对样环进行消磁操作，计算复数磁导率时，对串联电阻与测量频率进行线性拟合获得线圈直流电阻，以减小电阻测量引入的误差。该装置及方法，减小了外界磁场及温度波动对测量的影响，减小了电阻测量误差，提高了低频复数磁导率的测量精度。

Description

一种针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量装置及方法，属于磁导率测量技术领域，特别适用于对铁氧体磁性材料低频复数磁导率的测量。
背景技术
对于磁性材料而言，磁导率是一个很重要的参数，它表征着磁性材料导磁性能等。而目前，超高灵敏原子磁强计、原子陀螺仪等量子精密测量领域高度依赖测量所处磁场环境，需要低噪声的磁屏蔽桶，因此提出了使用铁氧体磁性材料制作磁屏蔽桶，由于其高电阻率的性质，铁氧体磁屏蔽桶拥有比常用磁屏蔽桶更低的磁噪声，而其低频磁噪声主要由磁滞损耗磁噪声决定，而磁滞损耗磁噪声可根据低频复数磁导率得出，因此，为了评估铁氧体的磁噪声水平，需要对铁氧体低频复数磁导率进行精确测量。常用的测量复数磁导率的方法有线圈法、同轴线法以及传输法等，其都是在开放环境中进行测量的，外界磁场波动、测量过程中样品温度的波动以及样品的自身的磁化状态均会对测量结果造成影响，从而影响测量精度。常用的线圈法测量复数磁导率，是使用阻抗分析仪或者LCR表测量待测样品环上绕制的测量线圈的串联电阻和串联电感，根据串联电阻和串联电感与磁芯复数磁导率之间的关系便可计算得出样环的复数磁导率，而对于低频段的测量，线圈自身的直流电阻将会引入较大的误差，因此在低频段测量时需要剔除掉测得串联电阻中线圈自身直流电阻部分，而由于线圈自身直流电阻较小，使用电阻表测量误差较大，并且更换测量仪器也会引入由于测量接线等带来的误差。综上所述，传统的复数磁导率测量装置及方法已无法满足对铁氧体低频复数磁导率的高精度测量。
目前与磁导率测量相关的专利有：一种交流磁导率测量装置及其方法(专利号：201110128899.1)；用于磁导率测量的传感器及测量方法(专利号：201710258105.0)；一种薄片材料复磁导率测量方法和装置(专利号：201910236333.7)等。其中一种交流磁导率测量装置及其方法与用于磁导率测量的传感器及测量方法为使用两组线圈或者四抽头线圈进行测量的方法，而一种薄片材料复磁导率测量方法和装置针对的是薄片材料，不适用于本发明针对的铁氧体材料。现有文献报道提出的方法及装置，未提出同时使用磁屏蔽桶、恒温箱对外界磁场干扰和温度干扰进行屏蔽，也未在测量前进行消磁操作，本发明的优点在于使用磁屏蔽桶和恒温箱，并在样品上缠绕消磁线圈测量前进行消磁操作，同时避免了外界磁场干扰、温度干扰以及材料磁化带来的干扰。
发明内容
本发明解决的问题是：克服现有方法在开放环境中由于外界地磁场、温度波动以及样品磁化状态对测量结果带来的影响，消除由于直接测量线圈自身电阻引入的误差，提供一种针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量装置及方法，从而提高对铁氧体低频复数磁导率测量的精度和准确度。
本发明一种针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量装置，该装置包括：铁氧体样环1、磁屏蔽桶2、恒温箱3、温度传感器探头4、温度传感器表头5、阻抗分析仪6、测量线圈7和消磁线圈8；所述铁氧体样环1放置在磁屏蔽桶2内，磁屏蔽桶2整个放置在恒温箱3内，温度传感器探头4粘贴在铁氧体样环上，通过导线穿过磁屏蔽桶2和恒温箱3与温度传感器表头5连接，铁氧体样环1上绕制有一组测量线圈7和一组消磁线圈8，测量线圈7穿过磁屏蔽桶2和恒温箱3连接阻抗分析仪6的两个测量端口。
本发明一种针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量方法，采用上述的装置进行铁氧体的高精度低频复数磁导率测量，测量过程包括：测量开始前，使用消磁线圈8对铁氧体样环1进行交流退磁，使铁氧体样环1处于磁中性状态；使用恒温箱3保证铁氧体样环1温度在测量过程中保持稳定，通过温度传感器探头4和温度传感器表头5可以监测铁氧体样环1的实时温度；使用阻抗分析仪6在低频段不同频率下测量测量线圈7的串联电阻和串联电感，根据测得的串联电阻和串联电感可以计算得到铁氧体低频复数磁导率。(低频0.1Hz至1kHz的范围)
所述铁氧体样环1放置在磁屏蔽桶2内，磁屏蔽桶2需保证其内部剩余磁场低于10nT。
所述磁屏蔽桶2及铁氧体样环1整体放置在恒温箱3内，恒温箱3需保持内部温度恒定在室温至200℃，温度波动小于0.1℃，铁氧体样环1的温度由温度传感器探头4和温度传感器表头5监测，其测量精度需优于0.1℃。
铁氧体样环1在每次测量前需使用消磁线圈8进行交流退磁，使得测量时的铁氧体样环1处于磁中性状态。
在计算得到复数磁导率时，对不同频率下测得的串联电阻进行线性拟合得到线圈直流电阻，再在测得的串联电阻中减去线圈直流电阻后再计算得到复数磁导率虚部，使用串联电感计算得到复数磁导率实部。
该方法适用于0.1Hz至1kHz的频率范围。
本发明技术方案的原理是：
在铁氧体待测样环上绕线圈，可得铁氧体复数磁导率与线圈串联电感和串联电阻的关系如下所示：
式中，μ＇和μ＂分别是复数磁导率的实部和虚部，Ls和Rs分别是线圈的串联电感和串联电阻，N是线圈的匝数，le是磁路的等效长度，Ae是铁氧体磁环的等效截面积，ω＝2πf是测量信号的角频率，μ0是真空磁导率，R0是线圈自身的直流电阻。因此，测得线圈的串联电感和串联电阻便可计算得到复数磁导率。
而当频率范围较小的时候，复数磁导率几乎保持不变，因此，在小范围改变测量频率的时候，有测得串联电阻Rs与频率f及线圈直流电阻R0的关系式如下：
Rs＝A·f+R0，
式中的A＝2πμ0AeN2μ″/le，在小频率范围内可看做常数，因此通过对串联电阻Rs与频率f进行线性拟合可以得到线圈直流电阻R0。
本发明与现有技术相比的优点在于：常规的磁导率测量装置是在一个开放的环境中进行的，外界磁场以及测试过程中的温度波动均会对测量结果带来影响，并且测试样环得磁化状态也会影响复数磁导率的测量结果。在常规的测量方法中，在针对线圈自身的直流电阻时采用的是使用直流电阻表进行测量，一方面，由于线圈电阻较小，因此测量得到的线圈直流电阻误差较大，另一方面，由于更换测量装置，测量装置的测试线等，非原位的测量，也会对线圈直流电阻测量引入误差。本发明涉及的针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量装置及方法是针对铁氧体低频复数磁导率的测量，使用磁屏蔽桶隔绝外界磁场的干扰，并使用恒温箱进行温度的控制和监测，从而减小了外界磁场和温度波动对测量结果造成的影响，每次测量前使用交流退磁方法对测试样环进行退磁操作，使其保持磁中性状态，并且在测量方法中，使用线性拟合的方法在不使用电阻表的情况下就可获得线圈的直流电阻，避免了直接测量线圈之路电阻引入误差。相比常规方法，本发明同时使用了磁屏蔽桶、恒温箱减小了外界磁场以及温度带来的干扰，并在测量前进行消磁，避免了材料磁化带来的影响，并在电阻测量时消除了电阻测量的误差。
附图说明
图1为本发明的针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量装置的结构示意图图。
图中：1、铁氧体样环；2、磁屏蔽桶；3、恒温箱；4、温度传感器探头；5、温度传感器表头；6、阻抗分析仪；7、测量线圈；8、消磁线圈。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明一种针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量装置，包括：铁氧体样环1、磁屏蔽桶2、恒温箱3、温度传感器探头4、温度传感器表头5、阻抗分析仪6、测量线圈7和消磁线圈8；所述铁氧体样环1放置在磁屏蔽桶2内，磁屏蔽桶2整个放置在恒温箱3内，温度传感器探头4粘贴在铁氧体样环上，通过导线穿过磁屏蔽桶2和恒温箱3与温度传感器表头5连接，铁氧体样环1上绕制有一组测量线圈7和一组消磁线圈8，测量线圈7穿过磁屏蔽桶2和恒温箱3连接阻抗分析仪6的两个测量端口。
本发明一种针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量方法，采用上述的装置进行铁氧体的高精度低频复数磁导率测量，测量过程包括：测量开始前，使用消磁线圈8对铁氧体样环1进行交流退磁，使铁氧体样环1处于磁中性状态；使用恒温箱3保证铁氧体样环1温度在测量过程中保持稳定，通过温度传感器探头4和温度传感器表头5可以监测铁氧体样环1的实时温度；使用阻抗分析仪6在不同频率下测量测量线圈7的串联电阻和串联电感，根据测得的串联电阻和串联电感可以计算得到铁氧体低频复数磁导率。
所述铁氧体样环1放置在磁屏蔽桶2内，磁屏蔽桶2需保证其内部剩余磁场低于10nT。
所述磁屏蔽桶2及铁氧体样环1整体放置在恒温箱3内，恒温箱3需保持内部温度恒定在室温至200℃，温度波动小于0.1℃，铁氧体样环1的温度由温度传感器探头4和温度传感器表头5监测，其测量精度需优于0.1℃。
铁氧体样环1在每次测量前需使用消磁线圈8进行交流退磁，使得测量时的铁氧体样环1处于磁中性状态。
在计算得到复数磁导率时，对不同频率下测得的串联电阻进行线性拟合得到线圈直流电阻，再在测得的串联电阻中减去线圈直流电阻后再计算得到复数磁导率虚部，使用串联电感计算得到复数磁导率实部。计算公式如下：
式中，μ＇和μ＂分别是复数磁导率的实部和虚部，Ls和Rs分别是线圈的串联电感和串联电阻，N是线圈的匝数，le是磁路的等效长度，Ae是铁氧体磁环的等效截面积，ω＝2πf是测量信号的角频率，μ0是真空磁导率，R0是线圈自身的直流电阻。
总之，本发明是一种尤其适用于铁氧体低频复数磁导率测量领域使用的高精度低频复数磁导率测量装置及方法。本发明针对铁氧体磁性材料的低频复数磁导率测量，将绕有线圈的铁氧体测试样环放置在磁屏蔽桶内，降低外界磁场对测量的影响，将整个磁屏蔽桶放置在恒温箱内，保证测量过程中铁氧体温度恒定，降低温度波动对测量的影响，使用阻抗分析仪测量低频下线圈的串联电感和串联电阻，计算复数磁导率时，对串联电阻与测量频率进行线性拟合获得线圈直流电阻，减小电阻测量引入的误差。该装置及方法，降低了外界磁场及温度波动对测量的影响，减小了电阻测量引入的误差。
本发明说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量装置，其特征在于，包括：铁氧体样环(1)、磁屏蔽桶(2)、恒温箱(3)、温度传感器探头(4)、温度传感器表头(5)、阻抗分析仪(6)、测量线圈(7)和消磁线圈(8)；所述铁氧体样环(1)放置在磁屏蔽桶(2)内，磁屏蔽桶(2)整个放置在恒温箱(3)内，温度传感器探头(4)粘贴在铁氧体样环上，通过导线穿过磁屏蔽桶(2)和恒温箱(3)与温度传感器表头(5)连接，铁氧体样环(1)上绕制有一组测量线圈(7)和一组消磁线圈(8)，测量线圈(7)穿过磁屏蔽桶(2)和恒温箱(3)连接阻抗分析仪(6)的两个测量端口。
2.根据权利要求1所述的一种针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量装置，其特征在于：所述铁氧体样环(1)放置在磁屏蔽桶(2)内时，磁屏蔽桶(2)需保证其内部剩余磁场低于10nT。
3.根据权利要求1所述的一种针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量装置，其特征在于：所述磁屏蔽桶(2)及铁氧体样环(1)整体放置在恒温箱(3)内时，恒温箱(3)需保持内部温度恒定在室温至200℃，温度波动小于0.1℃，铁氧体样环(1)的温度由温度传感器探头(4)和温度传感器表头(5)监测，其测量精度需优于0.1℃。
4.一种采用权利要求1所述的针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量装置进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：测量开始前，使用消磁线圈(8)对铁氧体样环(1)进行交流退磁，使铁氧体样环(1)处于磁中性状态；使用恒温箱(3)保证铁氧体样环(1)温度在测量过程中保持稳定，通过温度传感器探头(4)和温度传感器表头(5)监测铁氧体样环(1)的实时温度；使用阻抗分析仪(6)在低频段不同频率下测量测量线圈(7)的串联电阻和串联电感，根据测得的串联电阻和串联电感计算得到铁氧体低频复数磁导率。
5.根据权利要求4所述的一种针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量方法，其特征在于：铁氧体样环(1)在每次测量前需使用消磁线圈(8)进行交流退磁，使得测量时的铁氧体样环(1)处于磁中性状态。
6.根据权利要求4所述的一种针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量方法，其特征在于：在计算得到复数磁导率时，对不同频率下测得的串联电阻进行线性拟合得到线圈直流电阻，再在测得的串联电阻中减去线圈直流电阻后再计算得到复数磁导率虚部，使用串联电感计算得到复数磁导率实部，计算公式如下：
式中，μ＇和μ＂分别是复数磁导率的实部和虚部，Ls和Rs分别是线圈的串联电感和串联电阻，N是线圈的匝数，le是磁路的等效长度，Ae是铁氧体磁环的等效截面积，ω＝2πf是测量信号的角频率，μ0是真空磁导率，R0是线圈自身的直流电阻。
7.根据权利要求4所述的一种针对铁氧体的高精度低频复数磁导率测量方法，其特征在于：所述方法适用于0.1Hz至1kHz的频率范围。
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Application publication date: 20190920

Assignee: Hangzhou nuochi Life Science Co.,Ltd.

Assignor: Hangzhou Deqi Medical Technology Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021980008736

Denomination of invention: A high-precision low-frequency complex permeability measuring device and method for ferrite

Granted publication date: 20200728

License type: Exclusive License

Record date: 20210902