CN111579428A - 基于轴向充磁式双环磁悬浮结构的密度测量与分离方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于轴向充磁式双环磁悬浮结构的密度测量与分离方法，属于非标记磁操控领域。包括以下步骤：调整轴向充磁式双环磁悬浮结构的两个环形磁体间距，并获取密度‑高度测量特性曲线，直至所述密度‑高度测量特性曲线出现五个单调区间；将装有顺磁性溶液的容器固定，并放入待测样品；利用位于所述五个单调区间中心的一个单调区间进行所述待测样品的密度测量与分离。本发明具有高灵敏度的优点，并具有较宽的工作区间，弥补了轴向充磁式双环磁悬浮结构的传统功能区的缺陷。

Description

基于轴向充磁式双环磁悬浮结构的密度测量与分离方法
技术领域
本发明属于非标记磁操控领域，更具体地，涉及一种基于轴向充磁式双环磁悬浮结构的密度测量与分离方法。
背景技术
磁泳是指溶液中的物质在梯度磁场作用下发生的一种迁移行为，根据物质与周围溶液在磁场下的磁化差异性不同，分为正磁泳和负磁泳。其中，当非磁性或者抗磁性物质置于磁性溶液和外加梯度磁场中时，因物质本身的磁化强度小于磁性溶液的磁化强度而产生梯度磁场力，促使其远离磁场源方向运动，这一现象通常被称为负磁泳。基于负磁泳的磁悬浮技术解除了传统正磁泳操控模式要求被操控物质需具有磁性的限制，因其经济性、无标记且操控灵活等优势成为重要的物质操控方法之一，在物质分离、密度测量、无损探伤与非接触操纵等方面有着重要的应用前景。
在负磁泳式磁悬浮研究领域，开发高效、便捷的磁场产生方法及装置对于提升磁悬浮系统的应用效率和拓展其应用范围具有重要作用，是目前的研究重点之一。在已有研究中，永磁体因具有结构简单、不发热和易产生高磁场梯度等优点而被应用最为广泛，并根据实际需要形成了多种磁体结构，包括对极式方形磁体、轴向充磁式单环磁体以及轴向充磁式双环磁体等。其中，对极式方形磁体应用最为广泛，是标准的磁悬浮装置。最新开发的轴向充磁式单/双环形磁体结构，在添加、移除顺磁性介质以及观察样品方面更具优势，发展和应用潜力大。然而，该类磁体结构存在以下几个问题：1)其实际工作区间较狭窄，在相近密度的待测样品间由于硬接触和体积间的相互排斥而均难以到达平衡高度，从而无法进行分离；2)尚未开发出超高灵敏度测量功能，难以获取被测物品的精确密度。而且，目前的对极式磁悬浮装置中通过增加分离距离提高灵敏度的方法，对灵敏度的提升极为有限，而且会使密度-高度曲线由线性向非线性转换。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于轴向充磁式双环磁悬浮结构的高灵敏度密度测量与分离方法，利用在轴向充磁式双环磁悬浮结构中首次发现的新功能区间，以解决现有的轴向充磁式双环磁悬浮结构中工作区间有限、无法实施高灵敏度测量与分离的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于轴向充磁式双环磁悬浮结构的密度测量与分离方法，包括以下步骤：
调整轴向充磁式双环磁悬浮结构的两个环形磁体间距，并获取密度-高度测量特性曲线，直至所述密度-高度测量特性曲线出现五个单调区间；
将装有顺磁性溶液的容器固定，并放入待测样品；
利用位于所述五个单调区间中心的一个单调区间进行所述待测样品的密度测量与分离。
进一步地，放入所述待测样品后，等待所述待测样品在重力与磁浮力平衡而达到稳定悬浮后，根据受力方程计算所述待测样品的密度。
进一步地，待测样品的密度为：
Figure BDA0002513948030000021
其中，χs和χm分别代表待测样品和顺磁性溶液的磁化率，V是待测样品的体积，μ0是真空中的磁导率(4π×10-7N/A2)，B代表磁通密度，
Figure BDA0002513948030000022
是哈密顿算子，ρm表示顺磁性溶液的密度大小
进一步地，放入所述待测样品后，等待所述待测样品在重力与磁浮力平衡而达到稳定悬浮后，进行相近密度的待测样品的分离。
进一步地，所述顺磁性溶液的密度根据所述待测样品密度进行配置。
进一步地，固定所述容器时，使所述容器与所述两个环形磁体的中心轴重合。
进一步地，所述容器采用透明非导磁容器。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明具有高灵敏度的优点，弥补了轴向充磁式双环磁悬浮结构的传统功能区的缺陷。尤其在不改变磁体结构的情况下，为轴向充磁式双环磁悬浮装置灵敏度超过100倍的提升提供了解决方案，且在高灵敏度测量中同时具有线性/非线性的特征。
(2)本发明具有较宽的工作区间，在实际应用拓展上具有更大潜力。
附图说明
图1是本发明实施例基于轴向充磁式双环磁悬浮结构的高灵敏度密度测量和分离方法示意图；
图2是本发明实施例基于轴向充磁式双环磁悬浮结构的高灵敏度密度测量和分离装置示意图；
图3是本发明实施例新功能区的区间定义示意图；
图4是本发明实施例中线性功能区、非线性功能区和过非线性功能区内，高灵敏度测量功能区内待测样品密度与悬浮高度h的关系曲线图；
图5(a)是轴向磁悬浮系统的传统测量区内线性功能区、非线性功能区和过非线性功能区内，高灵敏度测量功能区内灵敏度和高度h的关系曲线图；
图5(b)是本发明实施例中，轴向磁悬浮系统的高灵敏度测量区内线性功能区、非线性功能区和过非线性功能区内，高灵敏度测量功能区内灵敏度和高度h的关系曲线图；
附图标记：1-顶盖，2-上底座，3-上环形磁体，4-下底座，5-非导磁透明容器，6-待测样品，7-螺帽，8-螺杆，9-下环形磁体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于轴向充磁式双环磁悬浮结构的密度测量与分离方法，如图1，包括以下步骤：
调整轴向充磁式双环磁悬浮结构的两个环形磁体间距，并获取密度-高度测量特性曲线，直至所述密度-高度测量特性曲线出现五个单调区间；其中所述五个单调区间中心的一个单调区间可用于实施高灵敏度测量。
将装有顺磁性溶液的容器固定，并放入待测样品。
等待所述待测样品在重力与磁浮力平衡而达到稳定悬浮后，利用位于所述五个单调区间中心的一个单调区间进行所述待测样品的密度测量与分离。
优选地，所述容器采用透明非导磁容器。
优选地，顺磁性溶液的密度的大小应与待测样品密度有合适差异范围，为能顺利进行相应的高灵敏度测量或分离，其值应精确到小数点后第四位。
优选地，非导磁容器与两个磁体的中心轴重合。
优选地，测量或分离的灵敏度能通过增大分离距离而进一步增加，同时具有线性测量功能区和非线性测量功能区。
优选地，非导磁支架应能灵活地调整两块环形磁体间的间距。
位于所述五个单调区间中心的一个单调区间，即高灵敏度测量区间，是利用基于两个相同的对极式环形磁体的轴向充磁式双环磁悬浮结构，将分离距离进一步拉开后所出现的新功能区间，其灵敏度较轴向磁悬浮的传统功能区提升了100倍以上。在轴向充磁式双环磁悬浮结构已有的传统功能区内，磁体间区域内的测量曲线呈单调性变化；而随着分离距离的增加，其密度随高度变化的测量曲线出现了非单调性的变化，新测量区间位于非单调变化曲线中间的单调变化部分，且同时具有线性测量模式与非线性测量模式，标志着这一新功能区并不是传统功能区的延伸，而是一个具有高灵敏度测量功能的崭新区间。
如图2所示，本发明方法所采用的装置示意图包括顶盖1，上底座2，上环形磁体3，下底座4，非导磁透明容器5，待测样品6，螺帽7，螺杆8，下环形磁体9。
环形磁体3和9为完全相同的内直径、外直径、高分别为40mm，60mm和20mm的钕铁硼永磁体，剩磁大小为1.23T。使用的顺磁性溶液为2.0M的MnCl2溶液，其密度和磁化率大小分别为ρs＝1.196g/cm3，χs＝3.63×10-4，待测材料的磁化率统一认为是χbd＝-5×10-6。
螺杆与螺帽的作用是为了便利的调节环形磁体3和9之间的距离，顶盖的作用为固定受到环形磁体9的排斥力的环形磁体3的位置。装置的上底座有两条正交的长方体贯穿孔，在上底座的正侧面形成了4个观测口，以使待测样品在非导磁透明容器中的观察不受阻挡。为使得整个系统能够实施相应的测量功能，系统内所有部件(除环形磁体3和9外)均由非导磁材料制成。
环形磁体3和9之间的间距为分离距离d，呈同轴对极放置，被测样品在容器中的悬浮高度为h(以下环形磁体9的表面为起点)。
(1)调整两个磁体间的间距，使该装置处于高灵敏度测量模式；
在轴向磁悬浮装置中，高灵敏度测量区间是将传统测量区间的分离间距进一步增加后出现的。根据COMSOL二维轴对称模型中对径向力的仿真结果，当分离距离增加到某一数值后，径向力的方向从偏离中心轴回到了全部朝向中心轴的情况，使得待测样品在该分离距离下可稳定于中心轴上，为实施密度测量奠定了基础。并且由于环形磁体的磁场分布不呈单调性变化，随着分离距离的进一步增加，上下两个环形磁体所叠加出的磁场分布出现了新的单调区间，其测量特性曲线也根据磁场分布单调性及正负性的节点划分为5个单调区间，其中中间段这一区间具有宽工作区间及高灵敏度，即为新功能区间，这一特点是其他磁悬浮测量装置如“传统磁悬浮”装置，“旋转式磁悬浮”装置等不具备的。
本实施例中，当分离距离大于55mm时径向的磁场力均朝向非导磁容器的中心轴，使得待测样品6能够悬浮在中心轴上。上底座下方的四个螺帽是为了承托以及固定上底座的位置，同时调整四个螺帽至同一高度可以使上下底座之间的距离灵活地变化。进一步增加并优化磁体之间的分离距离，测量曲线中间段区域的长度也随之增加，并成为所需的高灵敏度新功能区间。
(2)根据待测样品6的密度，配置顺磁性溶液的密度；
背景介质溶液可以选择DyCl3、MnCl2或GdCl3等顺磁性盐溶液。所配制的盐溶液浓度不同，溶液的密度和磁化率也会随之变化。为了样品能够在背景溶液中稳定悬浮，所选用的背景溶液密度需与样品密度有合适差异范围，背景溶液为MnCl2溶液的磁化率及密度随浓度变化而变化，结合液体密度仪，可根据所需背景溶液的密度精准配制相应浓度的溶液。在实验过程中，应注意温度等外界条件对溶液及待测样品密度的影响，排除待测样品上的气泡等因素对测量结果的影响，本实施例中，使用2.0M的MnCl2溶液(ρs＝1.196g/cm3，χs＝3.63×10-4)。分离距离在105mm时所得到的测量曲线如图3。该测量区间被划分为5个部分，其中处于中间段的第III部分即为高灵敏度测量区，该区域具有较大的工作区间(约50mm)以及较高的灵敏度；如果进一步增加分离距离，区间III会从线性特征变成非线性特征，此时灵敏度进一步增加且工作区间进一步扩大。但这种增加也受到径向力方向的限制，当增加到某一距离后，径向力再次开始由全部朝向中心的情况变化为部分朝向壁面，使得样品不能在完整的测量区间内稳定于中心轴上。
(3)将样品放入容器内，观察待测样品6在容器5内的分布，待测样品6在磁浮力以及重力(已进行浮力修正)的共同作用下，处于稳定悬浮状态；根据不同待测样品6的密度及磁化率不同，待测样品6在容器内的高度分布也不同，从而进行基于密度的测量或分离。待测样品在顺磁性溶液中稳定悬浮时，轴向磁悬浮可简化为一个二维的轴对称模型，磁场力Fmag在径向(r方向)和轴向(z方向)分量可以分别表示为：
Figure BDA0002513948030000071
Figure BDA0002513948030000072
轴向力Fmagz与径向力Fmagr共同决定了待测样品的位置，其中轴向力决定待测样品的悬浮高度，而径向力决定了样品能否悬浮于中心轴上。
磁场力Fmag和浮力修正后的重力Fg的表达式分别为：
Figure BDA0002513948030000073
Fg＝(ρs-ρm)Vg
通过稳定悬浮的平衡方程Fmag＝Fg，可得到待测样品的密度ρs为：
Figure BDA0002513948030000074
其中，χs和χm分别代表待测样品和顺磁性溶液的磁化率，V是待测样品的体积，μ0是真空中的磁导率(4π×10-7N/A2)，B代表磁通密度，
Figure BDA0002513948030000075
是哈密顿算子，ρx表示顺磁性溶液的密度大小；
根据上述方程，在轴向磁悬浮系统中，以2.0M的MnCl2溶液为背景介质溶液进行密度测量的仿真，其高灵敏度测量功能区内，不同分离距离下悬浮高度h与密度的关系曲线如图4所示。分离距离d＝105mm时为线性测量，该情况下的密度分布具有线性的特征；分离距离d＝135mm时为非线性测量，该情况工作区间和灵敏度都进一步增加；d＝150mm时为过非线性测量，虽然工作区间和灵敏度仍在增加，但此时径向力不再均朝向容器的中心轴，因此待测样品无法稳定于中心轴上，可以进行进一步分离操作但不能用于密度测量。因此对于轴向磁悬浮的高灵敏度测量区，可根据不同的功能需求来调整分离距离从而具备不同的测量功能。
为了进一步说明本装置的优势，定义测量灵敏度Sh(mm/[g/cm3])作为分析指标来说明该新测量区间在灵敏度上的提升，Sh的计算公式为：
Figure BDA0002513948030000081
在图5(a)和图5(b)中对比在轴向磁悬浮系统中分别使用传统测量功能区和本发明提供的高灵敏度测量功能区实施密度测量的灵敏度。其中，图5(a)是轴向磁悬浮系统的传统测量区内线性功能区、非线性功能区和过非线性功能区内，高灵敏度测量功能区内灵敏度Sh和高度h的关系曲线图；图5(b)是本发明中，轴向磁悬浮系统的高灵敏度测量区内线性功能区、非线性功能区和过非线性功能区内，高灵敏度测量功能区内灵敏度Sh和高度h的关系曲线图。
对比灵敏度曲线在中心点处的峰值发现，同样为线性测量区间，本发明中的高灵敏度测量区d＝105mm(～27800mm/[g/cm3])在中心点处的灵敏度比传统测量功能区d＝20mm(～198mm/[g/cm3])在中心点处的灵敏度提高了约140倍；同样为非线性测量区间，本发明中本发明中的高灵敏度测量区d＝135mm(～87500mm/[g/cm3])在中心点处的灵敏度比传统测量功能区d＝30mm(～947mm/[g/cm3])在中心点处的灵敏度提高了约92倍。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于轴向充磁式双环磁悬浮结构的密度测量与分离方法，其特征在于，包括以下步骤：
调整轴向充磁式双环磁悬浮结构的两个环形磁体间距，并获取密度-高度测量特性曲线，直至所述密度-高度测量特性曲线出现五个单调区间；
将装有顺磁性溶液的容器固定，并放入待测样品；
利用位于所述五个单调区间中心的一个单调区间进行所述待测样品的密度测量与分离。
2.根据权利要求1所述的密度测量与分离方法，其特征在于，放入所述待测样品后，等待所述待测样品在重力与磁浮力平衡而达到稳定悬浮后，根据受力方程计算所述待测样品的密度。
3.根据权利要求2所述的密度测量与分离方法，其特征在于，待测样品的密度为：
Figure FDA0002513948020000011
其中，χs和χm分别代表待测样品和顺磁性溶液的磁化率，V是待测样品的体积，μ0是真空中的磁导率(4π×10-7N/A2)，B代表磁通密度，
Figure FDA0002513948020000012
是哈密顿算子，ρm表示顺磁性溶液的密度大小。
4.根据权利要求1所述的密度测量与分离方法，其特征在于，放入所述待测样品后，等待所述待测样品在重力与磁浮力平衡而达到稳定悬浮后，进行相近密度的待测样品的分离。
5.根据权利要求1-4任一项所述的密度测量与分离方法，其特征在于，所述顺磁性溶液的密度根据所述待测样品密度进行配置。
6.根据权利要求1-4任一项所述的密度测量与分离方法，其特征在于，固定所述容器时，使所述容器与所述两个环形磁体的中心轴重合。
7.根据权利要求6所述的密度测量与分离方法，其特征在于，所述容器采用透明非导磁容器。
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