CN110286059B - 海尔贝克阵列式磁悬浮密度测量的方法及装置 - Google Patents

海尔贝克阵列式磁悬浮密度测量的方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种海尔贝克阵列式磁悬浮密度测量的方法，将待测物质置于盛有顺磁性溶液的容器内且保证待测物质表面无气泡，再将容器置于活动磁场中，通过调节磁场的间距使待测物质稳定悬浮于容器中，确定悬浮位置距磁场下底面的垂直高度并换算得到待测物质的密度，在不改变顺磁性溶液的浓度下多次重复测量以验证结果。本发明采用海尔贝克阵列，提升磁场梯度的同时，可增大近线性磁场区间，从而扩大待检测对象的密度范围；测量装置灵活可调，能够多次测量以提高结果的准确性与可靠性。

Description

海尔贝克阵列式磁悬浮密度测量的方法及装置
技术领域
本发明涉及的是一种测量计量领域的技术，具体是一种海尔贝克阵列式磁悬浮密度测量的方法及装置。
背景技术
准确测量密度对物理、化学变化过程的表征、材料性能的评估，以及生物疾病检测等领域都有重要的意义。现有密度测量装置多数针对特定的固态或液态物质进行密度测量，对于液体密度的测量大多采用天平称量、比重计或密度瓶法，这些方法需要人工操作完成，耗费人力和时间成本，而且测量结果存在人为因素的影响；对于固体密度的测量主要采用密度梯度计法、微通道谐振法或微波技术测量法，这些方法操作复杂繁琐，测量响应时间久，测量效率低；对于软体或易变形的物质及生物材料，需要采用非接触的方式以避免受损或污染，从而造成了测量的困难。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种海尔贝克阵列式磁悬浮密度测量的方法及装置，能够同时满足响应快速、高精度、低成本且以非接触方式测量的测量要求。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明将待测物质置于盛有顺磁性溶液的容器内且保证待测物质表面无气泡，再将容器置于活动磁场中，通过调节磁场的间距使待测物质稳定悬浮于容器中，确定悬浮位置距磁场下底面的垂直高度并换算得到待测物质的密度，在不改变顺磁性溶液的浓度下多次重复测量以验证结果。
所述的容器与磁场的中心线重合。
所述的待测物质包括：固态物质或不溶于水的液态物质，其中：液态物质采用胶头滴管滴加的方式加入容器。
所述的磁场分别通过三枚永磁铁实现，其中：第一磁场组件从上至下的磁化方向为顺时针，第二磁场组件从上至下的磁化方向为逆时针，第一磁场组件的中位磁铁与第二磁场组件的中位磁铁同名磁极相对。
所述的待测物质的密度，根据待测物质在磁场和重力场共同作用下实现稳定悬浮的原理，得到关系式：Fm+Ff-Fg＝0，其中：Fm为磁场力且
Figure BDA0002097590280000011
Ff为液体浮力且Ff＝ρmgV，Fg为重力且Fg＝ρsgV，上述公式中的χs为待测物质的磁化率，χm为顺磁性溶液的磁化率，B为磁场组件产生磁场的磁通密度，▽为梯度算子且
Figure BDA0002097590280000021
μ0为真空磁导率且μ0＝4π×10-7(N·A-2)，V为待检测物质的体积，ρs为待测物质的密度，ρm为顺磁性溶液的密度，g为重力加速度；经过化简得到待测物质的密度与悬浮位置距磁场组件下底面的垂直高度之间的关系满足：
Figure BDA0002097590280000022
本发明涉及一种实现上述方法的装置，包括：固定设置于滑动组件上的磁场组件和一个盛放顺磁性溶液的容器，其中：容器的中线与磁场组件的中线重合。
所述的滑动组件包括：活动设置于基座上的滑台，以及锁紧旋钮，其中：锁紧旋钮调节滑台运动或锁紧。
所述的磁场组件各自包括三枚无缝堆叠的永磁铁并采用海尔贝克阵列式排列。
所述的磁场组件的上方进一步设有压紧组件以将其固定，该压紧组件包括：顶板、压紧螺杆、压紧板和导轨，其中：导轨贯穿锁紧块，顶板与导轨通过螺纹固定连接，压紧螺杆设置于顶板和压紧板之间并穿过顶板以在竖直方向上运动。
所述的容器设有固定架将其固定并调节其高度。
技术效果
与现有技术相比，本发明能够将弱磁性固态或液态待检测对象在磁场和重力场作用下稳定悬浮，实现待测对象密度的快速测量；采用海尔贝克阵列，在提升磁场梯度的同时，有助于增大近线性磁场区间，从而扩大待检测对象的密度范围；测量装置灵活可调，在不改变顺磁性溶液浓度的前提下，能够通过改变磁场组件的间距实现多组测量结果互相验证，提高测量的准确性与可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为滑动组件的结构示意图；
图3为磁场构造的示意图；
图4为磁场组件和压紧组件的结构示意图；
图5为试管和固定架的结构示意图；
图中：滑动组件1、第一磁场组件2、试管3、基座4、滑台5、锁紧旋钮6、调节按钮7、夹具8、锁紧块9、第二磁场组件10、压紧组件11、顶板12、压紧螺杆13、压紧板14、导轨15、固定架16、试管夹17、立柱18、固定台19、固定安装板20、固定底板21、第一磁场组件2的上位永磁铁A1、第一磁场组件2的中位永磁铁A2、第一磁场组件2的下位永磁铁A3、第二磁场组件10的上位永磁铁B1、第二磁场组件10的中位永磁铁B2、第二磁场组件10的下位永磁铁B3。
具体实施方式
如图1所示，本实施例涉及一种海尔贝克阵列式磁悬浮密度测量的装置，包括：滑动组件1、固定设置于滑动组件1上的第一磁场组件2和第二磁场组件10，以及一个盛放顺磁性溶液的试管3，其中：试管3的中线与第一磁场组件2和第二磁场组件10的中线重合。
如图2所示，所述的滑动组件1包括：活动设置于基座4上的滑台5，以及锁紧旋钮6和调节按钮7，其中：锁紧旋钮6调节滑台5运动或锁紧，调节按钮7调节滑台5与基座4的相对位置。
所述的基座4固定设置于固定底板21上。
所述的活动设置具体通过滚珠和丝杆配合实现。
如图3所示，所述的第一磁场组件2和第二磁场组件10均各自包括三枚无缝堆叠的截面为正方形的永磁铁A1～A3和B1～B3，其中：第一磁场组件2的永磁铁A1～A3从上至下的磁化方向为逆时针，第二磁场组件10的永磁铁B1～B3从上至下的磁化方向为顺时针，第一磁场组件2的中位永磁铁A2和第二磁场组件10的中位永磁铁B2的同名磁极相对。
所述的永磁铁A1～A3和B1～B3采用规格为25mm×25mm×50mm，磁性牌号为N35的稀土钕铁硼永磁铁。
所述的第一磁场组件2的永磁铁A1～A3和第二磁场组件10的永磁铁B1～B3的三个侧面设有夹具8和锁紧块9以配合安装，其中：夹具8设置于两个对侧面，锁紧块9设置于夹具8相邻的一侧。
如图4所示，所述的磁场组件2和10的上方进一步设有压紧组件11且下方设有固定安装板20以将其固定，该固定安装板20与滑台5固定连接。
所述的压紧组件11包括：顶板12、压紧螺杆13、压紧板14和导轨15，其中：导轨15贯穿锁紧块9，顶板12与导轨15通过螺纹配合连接，压紧螺杆13设置于顶板12和压紧板14之间并穿过顶板12以在竖直方向上运动。
如图5所示，所述的试管3设有固定架16将其固定并调节其高度。
所述的固定架16包括：试管夹17、立柱18和固定台19，其中：试管夹17将试管3与立柱18连接以调节试管3的高度，立柱18固定设置于固定台19上。
本实施例涉及一种运用上述装置实现海尔贝克阵列式磁悬浮密度测量的方法，将待测物质置于盛有顺磁性溶液的试管3内且保证待测物质表面无气泡，再将试管3置于活动磁场组件2和10中且使试管3与磁场组件2和10的中心线重合，通过调节磁场组件2和10的间距使待测物质稳定悬浮于试管3中，当待测物质仍不能稳定悬浮，则改变顺磁性溶液的浓度重新将待测物质加入，直至待测物质稳定悬浮，再运用图像采集设备确定悬浮位置距固定安装板20上表面的垂直高度，根据获取的垂直高度与待测物质的密度进行数值转换，得到待测物质的密度，最后在不改变顺磁性溶液的浓度下，调节磁场组件2和10的间距进行多次测量以互相验证来确保得到准确的测量结果。
所述的顺磁性溶液注入试管3总体高度的2/3处。
所述的待测物质包括：固态物质或不溶于水的液态物质，其中：不溶于水的液态物质采用胶头滴管滴入盛有氯化钆水溶液的试管3中。
所述的数值转换具体包括以下计算步骤：
1)根据待测物质在磁场和重力场共同作用下实现稳定悬浮得到关系式：Fm+Ff-Fg＝0，其中：Fm为磁场力且
Figure BDA0002097590280000041
Ff为液体浮力且Ff＝ρmgV，Fg为重力且Fg＝ρsgV，上述公式中的χs为待测物质的磁化率，χm为顺磁性溶液的磁化率，B为磁场组件产生磁场的磁通密度，▽为梯度算子且
Figure BDA0002097590280000042
μ0为真空磁导率且μ0＝4π×10-7(N·A-2)，V为待检测物质的体积，ρs为待测物质的密度，ρm为顺磁性溶液的密度，g为重力加速度；
2)确定待测物质的磁化率：当已知待测物质的组成或磁化率，则通过化学分析手段得到待测物质的磁化率；当未知待测物质的磁化率但已知其为抗磁性材料，则磁化率为χs＝-5×10-6；
3)根据顺磁性溶液的摩尔浓度计算其密度和磁化率：顺磁性溶液的密度为：
Figure BDA0002097590280000043
其中：M为相对分子质量，a为溶质质量百分数，c为其摩尔浓度；顺磁性溶液的磁化率：χm＝χpc-9×10-6，其中：χp为其溶质的摩尔磁化率，c为其摩尔浓度；
4)确定试管3中线位置处的磁通密度与固定安装板20上表面的垂直高度的函数关系：设磁场组件2和10的间距为d，永磁铁A1～A3和B1～B3的长为a、宽为b、高为h，计算每枚永磁铁A1～A3和B1～B3的磁通密度与空间位置的函数关系如下：第一磁场组件2的上位永磁铁A1的磁通密度与x轴方向的关系满足：
Figure BDA0002097590280000044
，与y轴方向的关系满足：
Figure BDA0002097590280000051
，与z轴方向的关系满足：
BA1z＝-K(-Ψz(b-y,a-(x-d/2),z-h/2)-Ψz(y,a-(x-d/2),z-h/2)-Ψz(a-(x-d/2),b-y,z-h/2)-Ψz(x-d/2,b-y,z-h/2-Ψz(b-y,x-d/2,z-h/2)-Ψz(y,x-d/2,z-h/2)-Ψz(a-(x-d/2),y,z-h/2)-Ψz(x-d/2,y,z-h/2))，其中：
Figure BDA0002097590280000052
Figure BDA0002097590280000053
第一磁场组件2的中位永磁铁A2的磁通密度与x轴方向的关系满足：
BA2x＝-K(-Ψx(x-d/2,b-y,a-(z+h/2))-Ψx(x-d/2,b-y,z+h/2)-Ψx(x-d/2,a-(z+h/2),b-y)-Ψx(x-d/2,a-(z+h/2),y)-Ψx(x-d/2,y,a-(z+h/2))-Ψx(x-d/2,y,z+h/2)-Ψx(x-d/2,z+h/2,b-y)-Ψx(x-d/2,z+h/2,y))，与y轴方向的关系满足：
Figure BDA0002097590280000054
，与Z轴方向的关系满足：
Figure BDA0002097590280000055
，其中：
Figure BDA0002097590280000056
Figure BDA0002097590280000057
第一磁场组件2的下位永磁铁A3的磁通密度与x轴方向的关系满足：
Figure BDA0002097590280000058
，与y轴方向的关系满足：
Figure BDA0002097590280000059
，与z轴方向的关系满足：
BA3z＝K(-Ψz(b-y,a-(x-d/2),z+3/2*h)-Ψz(y,a-(x-d/2),z+3/2*h)-Ψz(a-(x-d/2),b-y,z+3/2*h)-Ψz((x-d/2),b-y,z+3/2*h)-Ψz(b-y,(x-d/2),z+3/2*h)-Ψz(y,(x-d/2),z+3/2*h)-Ψz(a-(x-d/2),y,z+3/2*h)-Ψz((x-d/2),y,z+3/2*h))，其中：
Figure BDA0002097590280000061
Figure BDA0002097590280000062
第二磁场组件10的上位永磁铁B1的磁通密度与x轴方向的关系满足：
Figure BDA0002097590280000063
，与y轴方向的关系满足：
Figure BDA0002097590280000064
，与z轴方向的关系满足：
BB1z＝-K(-Ψz(b-y,a-(x+(a+d/2)),z-h/2)-Ψz(y,a-(x+a+d/2),z-h/2)-Ψz(a-(x+a+d/2),b-y,z-h/2)-Ψz(x+a+d/2,b-y,z-h/2)-Ψz(b-y,x+a+d/2,z-h/2)-Ψz(y,x+a+d/2,z-h/2)-Ψz(a-(x+a+d/2),y,z-h/2)-Ψz(x+a+d/2,y,z-h/2))-Ψz(b-y,x-d/2,z-h/2)-Ψz(y,x-d/2,z-h/2)-Ψz(a-(x-d/2),y,z-h/2)-Ψz(x-d/2,y,z-h/2))，其中：
Figure BDA0002097590280000065
Figure BDA0002097590280000066
第二磁场组件10的中位永磁铁B2的磁通密度与x轴方向的关系满足：
BB2x＝K(-Ψx(x+(a+d/2),b-y,a-(z+h/2))-Ψx(x+(a+d/2),b-y,z+h/2)-Ψx(x+(a+d/2),a-(z+h/2),b-y)-Ψx(x+(a+d/2),a-(z+h/2),y)-Ψx(x+(a+d/2),y,a-(z+h/2))-Ψx(x+(a+d/2),y,z+h/2)-Ψx(x+(a+d/2),z+h/2,b-y)-Ψx(x+(a+d/2),z+h/2,y))，与y轴方向的关系满足：
Figure BDA0002097590280000067
，与z轴方向的关系满足：
Figure BDA0002097590280000068
，其中：
Figure BDA0002097590280000069
Figure BDA00020975902800000610
第二磁场组件10的下位永磁铁B3的磁通密度与x轴方向的关系满足：
Figure BDA0002097590280000071
，与y轴方向的关系满足：
Figure BDA0002097590280000072
，与z轴方向的关系满足：
BB3z＝K(-Ψz(b-y,a-(x+a+d/2),z+3/2*h)-Ψz(y,a-(x+a+d/2),z+3/2*h)-Ψz(a-(x+a+d/2),b-y,z+3/2*h)-Ψz((x+a+d/2),b-y,z+3/2*h)-Ψz(b-y,(x+a+d/2),z+3/2*h)-Ψz(y,(x+a+d/2),z+3/2*h)-Ψz(a-(x+a+d/2),y,z+3/2*h)-Ψz((x+a+d/2),y,z+3/2*h))，其中：
Figure BDA0002097590280000073
Figure BDA0002097590280000074
综上得到：Bx＝BA1x+BA2x+BA3x+BB1x+BB2x+BB3x，By＝BA1y+BA2y+BA3y+BB1y+BB2y+BB3y，Bz＝BA1z+BA2z+BA3z+BB1z+BB2z+BB3z；
5)根据步骤1)化简得到待测物质的密度与固定安装板20上表面的垂直高度之间的关系满足：
Figure BDA0002097590280000075
则
Figure BDA0002097590280000076
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种海尔贝克阵列式磁悬浮密度测量的方法，其特征在于，将待测物质置于盛有顺磁性溶液的容器内且保证待测物质表面无气泡，再将容器置于活动磁场中，通过调节磁场的间距使待测物质稳定悬浮于容器中，确定悬浮位置距磁场下底面的垂直高度并换算得到待测物质的密度，在不改变顺磁性溶液的浓度下多次重复测量以验证结果；
所述的磁场分别通过三枚永磁铁实现，其中：第一磁场从上至下的磁化方向为逆时针，第二磁场从上至下的磁化方向为顺时针，第一磁场的中位磁铁与第二磁场的中位磁铁同名磁极相对；
所述的待测物质的密度，根据待测物质在磁场和重力场共同作用下实现稳定悬浮的原理，得到关系式：Fm+Ff-Fg＝0，其中：Fm为磁场力且
Figure FDA0003068412610000011
Ff为液体浮力且Ff＝ρmgV，Fg为重力且Fg＝ρsgV，上述公式中的χs为待测物质的磁化率，χm为顺磁性溶液的磁化率，B为磁场组件产生磁场的磁通密度，
Figure FDA0003068412610000012
为梯度算子且
Figure FDA0003068412610000013
μ0为真空磁导率且μ0＝4π×10-7N·A-2，V为待检测物质的体积，ρs为待测物质的密度，ρm为顺磁性溶液的密度，g为重力加速度；经过化简得到待测物质的密度与悬浮位置距磁场组件下底面的垂直高度之间的关系满足：
Figure FDA0003068412610000014
其中：
Bz＝BA1z+BA2z+BA3z+BB1z+BB2z+BB3z，BA1z为第一磁场组件的上位永磁铁的磁通密度，BA2z为第一磁场组件的中位永磁铁的磁通密度，BA3z为第一磁场组件的下位永磁铁的磁通密度，BB1z为第二磁场组件的上位永磁铁的磁通密度，BB2z为第二磁场组件的中位永磁铁的磁通密度，BB3z为第二磁场组件的下位永磁铁的磁通密度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的待测物质包括：固态物质或不溶于水的液态物质，其中：液态物质采用胶头滴管滴加的方式加入容器。
3.一种实现权利要求1或2所述方法的海尔贝克阵列式磁悬浮密度测量装置，其特征在于，包括：固定设置于滑动组件上的磁场组件和一个盛放顺磁性溶液的容器，其中：容器的中线与磁场组件的中线重合；
所述的磁场组件各自包括三枚无缝堆叠的永磁铁并采用海尔贝克阵列式排列。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征是，所述的滑动组件包括：活动设置于基座上的滑台，以及锁紧旋钮，其中：锁紧旋钮调节滑台运动或锁紧。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征是，所述的永磁铁的三个侧面设有夹具和锁紧块以配合安装，其中：夹具设置于两个对侧，锁紧块设置于夹具的相邻一侧。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征是，所述的磁场组件的上方进一步设有压紧组件以将其固定，该压紧组件包括：顶板、压紧螺杆、压紧板和导轨，其中：导轨贯穿锁紧块，顶板与导轨通过螺纹固定连接，压紧螺杆设置于顶板和压紧板之间并穿过顶板以在竖直方向上运动。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征是，所述的容器设有固定架以将其固定，该固定架包括：容器夹具和立柱，其中：容器通过容器夹具与立柱连接以调节容器的高度。
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