CN112684388A - 一种基于涡流效应的中高频交变磁场强度的测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于涡流效应的中高频交变磁场强度的测量方法，属于交变磁场的测量领域。本发明基于金属导体在交变磁场的作用下会通过涡流效应而产生热量的原理，通过测量金属导体在交变磁场作用下的产热量来计算交变磁场的强度。本发明选用的材料简单且非常常见，交变磁场测量探头制作工艺简单，测量方法经济方便，显著降低了中高频交变磁场的测量成本。

Description

一种基于涡流效应的中高频交变磁场强度的测量方法
技术领域
本发明属于磁场强度的测量领域，涉及到交变磁场强度的测量，特别涉及到一种中高频交变磁场强度的测量方法。
背景技术
随着科技的发展，中高频交变磁场的应用越来越广泛，例如生物医疗、军事科学、磁感应加热等。为了提高应用性能，必然要求对交变磁场的强度进行精确的测量。目前交变磁场测量方法主要为霍尔效应法和电磁感应法。
霍尔效应是指一种固体材料中的载流子在外加磁场中运动时因为受到洛伦兹力而使得运动轨迹发生偏移从而在材料两侧产生一个稳定电势差(霍尔电压) 的现象。霍尔电压与磁场强度之间存在一个比例关系，霍尔效应法就是通过检测霍尔电压值来确定待测磁场的强度。但由于涡流效应，霍尔传感器在中高频强磁场中会有发热现象从而影响测量结果。由于涡流损耗与交变磁场的频率和场强的平方正相关，所以霍尔传感器可测量的交变磁场强度会随着磁场频率的提高而大幅度减小。因此，霍尔传感器通常适用于低频高场或高频低场的交变磁场强度的测量，对于中高频(≥10kHz)的高强交变磁场则不适用。电磁感应法是一种建立在法拉第电磁感应定律基础上的测量方法，是一种最简单实用的交变磁场测量方法，它是通过将一个由金属导线(一般是铜导线)绕制而成的感应线圈置于待测交变磁场中，通过测量感应线圈中的感应电动势并通过法拉第电磁感应定律来计算得到待测交变磁场的场强。这种方法对低频低场的交变磁场的响应较差，但对中高频交变磁场却有很好的响应，是目前中高频交变磁场强度测量的首选方法。但根据楞次定律可知，感应线圈中的感应电流产生的磁场会阻碍原线圈中磁通量的变化。即，感应线圈中的感应电流产生的磁场与原来的交变磁场的方向相反。也即是说，电磁感应法测量得到的磁场强度理论上会小于实际的磁场强度。此外，由于涡流效应的影响，绕制感应线圈的金属导线的温度会逐渐升高，从而对测量结果的准确度产生较大影响。
由于金属导体在交变磁场中通过涡流效应而产热升温的产热效率与交变磁场的强度正相关。基于此，本发明提出了一种基于涡流效应的测量中高频交变磁场强度的新方法。相对于电磁感应法，本发明所提出的涡流效应法不需要设计复杂的电感线圈，更为简单方便。
发明内容
本发明的目的是提供过一种基于涡流效应测量中高频交变磁场强度的方法，该方法利用一个形状规则的金属导体(例如圆柱形、球形或薄板形等)在交变磁场中的温度变化即可以得到交变磁场的强度。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于涡流效应的中高频交变磁场强度的测量方法，包括以下步骤：
第一步，制作交变磁场测量探头
选择电阻率为ρ、密度为D的金属导体加工成形状规则的物体，作为磁场测量的探头元件，所以探头元件为金属导体；将制作好的探头元件与不受交变磁场影响的温度传感器连接后封装起来，作为磁场热量探头。
第二步，热量测量
将第一步得到的磁场热量探头(如图1所示)置于交变磁场中，打开交变磁场，金属导体在交变磁场中会由于涡流效应而产热升温利用测温计测量并记录金属探头元件在一定时间内(例如30秒)的温度变化量ΔT。热量的准确测量是准确测量磁场强度的关键，温度变化是热量变化的外在表现，因此，本发明主要是通过测量温度的变化来测量金属导体在交变磁场作用下的热量变化。
第三步，金属导体在交变磁场中只通过涡流损耗产热，将第二步中通过测量金属导体在交变磁场作用下温度的变化ΔT转变为热量变化，通过热量变化得到金属导体的损耗功率，进而通过损耗功率得到磁场强度。
优选的，所述的金属导体的形状优选为圆柱体结构，数据处理过程具体如下为：
3.1)将金属导体的物理参数和第二步中得到的温度变化量ΔT带入公式(1) 中计算出金属导体在Δt时间内产热的热量Q为：
Q＝CmMmΔT (1)
其中，Cm是金属导体的比热容；Mm为金属导体的质量。
3.2)圆柱形金属导体在交变磁场中的涡流损耗功率如公式(2)所示：
Figure RE-GDA0002961562960000031
其中，R是金属导体的半径，ρ是金属导体的电阻率，D是金属导体的密度，f 是交变磁场的频率，B是待测交变磁场的强度。由于金属导体在交变磁场中只通过涡流损耗产热，所以，通过测量金属导体在交变磁场作用下温度的变化得到金属导体的损耗功率后利用公式(2)即可计算得到磁场强度。
将金属导体质量Mm和时间Δt带入到公式(2)中，可得内金属导体在Δt时间内的产热量Q为：
Figure RE-GDA0002961562960000032
3.3)令公式(1)与公式(3)相等，即可得到待测磁场的磁场强度为：
Figure RE-GDA0002961562960000033
进一步的，本发明的基本原理是金属导体在交变磁场的作用下会由于涡流效应而产生热量，其产热效率与金属导体的电阻率成反比。为了提高测量精度，选用的金属导体的产热效率应当尽可能的高，即要求第一步中选择电阻率低的金属导体，例如银、铜、金等，但不限于这些金属。为了使得计算结果尽可能的准确，所述的金属导体的规则形状可以是球形、圆柱体、空心圆管等，但不限于这些形状，优选为圆柱体结构。此外，为了测量结果尽可能的准确，应当选用不受交变磁场影响的测温计。
进一步的，第一步中所述的探头元件形状优选为圆柱体结构，其半径为R，质量为Mm。考虑涡流的趋肤效应，金属导体的半径R不易超过1.5mm；为了提高测量精度，金属导体的半径R也不易小于0.2mm。
进一步的，第一步中所述的测温计应当不受交变磁场的影响，所述的测温计不受交变磁场影响，包括光纤温度传感器、红外测温计等。但不限于这些测温度计。
本发明的有益效果为：
本发明的主要目的是测量中高频交变磁场的强度，采用的是涡流效应法，该方法探头设计简单，所需参数少，且仪器制作简单，降低了交变磁场强度的测量成本。
附图说明
图1为本发明测量装置示意图；
图2为测量点示意图；
图3为磁场强度测量值。
图中：①金属探头元件；②光纤温度计；③光纤温度计位置固定器；④封装外壳；⑤交变磁场线圈。数字1-9分别对应于9个测量点。
具体实施方式
以下将结合技术实现方案和附图说明中的图2详细介绍本发明的具体实施方式。
实施例1
第一步，交变磁场测量探头的制作：将一根光纤温度计②与金属探头元件①圆柱体形状的银棒连接在一起，二者通过光纤温度计位置固定器③固定后，封装在封装外壳④内，作为磁场热量探头，其中，金属探头元件①为电阻率为1.65 ×10-8Ω·m，质量为0.028g、半径为0.95mm的圆柱形银棒，如图1所示；
第二步，热量测量：在频率为100kHz的交变磁场线圈⑤(交变磁场线圈⑤如图2所示，线圈高度为20cm)中从上到下均匀标记9个点(如图2所示，第一个测量点与交变磁场线圈⑤顶面齐平且处于正中心，最后一个测量点与交变磁场线圈底面⑤齐平且处于正中心，每个测量点间隔2.5cm且都处于相应横切面的正中心)，将步骤(1)制作好的磁场热量探头依次放置在这9个点上，分别记录Δt时间内的磁场热量探头在不同位置的温度变化量。
第三步，数据处理：前Δt秒内的温度变化量为ΔT，带入公式(1)和(4)中计算可得交变磁场的磁场强度。具体如下：
3.1)以第一个测量点为例，前Δt＝30秒内的温度变化量ΔT＝13.3℃。将金属导体的物理参数和第二步中得到的温度变化量ΔT＝13.3℃带入公式(1)中计算出金属导体在Δt时间内产热的热量Q为：
Q＝CmMmΔT＝0.24×0.028×13.3＝0.0894J (5)
其中，Cm＝0.24J/g·℃是金属银的比热容；Mm＝0.028g是金属银的质量。
3.2)将公式(5)计算得到的热量Q＝0.0894J，金属银的质量Mm＝0.028g和时间间隔Δt＝30s带入公式(4)中即可计算出测量点1的磁场强度B为：
Figure RE-GDA0002961562960000051
其中，ρ＝1.65×10-8Ω·m是金属银的电阻率；D＝10.5×103kg/m3是金属银的密度； R＝0.95mm是银棒的半径；f＝100kHz是交变磁场的频率。
其他测量点的数据处理过程与测量点1的数据处理过程相同，九个测量点的结果如图3所示。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于涡流效应的中高频交变磁场强度的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，制作交变磁场测量探头
将金属导体加工成形状规则的物体，作为磁场测量的探头元件；将探头元件与不受交变磁场影响的温度传感器连接后封装起来，作为磁场热量探头；
第二步，热量测量
将第一步得到的磁场热量探头置于交变磁场中，打开交变磁场，金属导体在交变磁场中会由于涡流效应而产热升温，通过温度传感器测量并记录金属探头元件在一定时间内的温度变化量ΔT；
第三步，金属导体在交变磁场中只通过涡流损耗产热，将第二步中通过测量金属导体在交变磁场作用下温度的变化ΔT转变为热量变化，通过热量变化得到金属导体的损耗功率，进而通过损耗功率得到磁场强度。
2.根据权利要求1所述的一种基于涡流效应的中高频交变磁场强度的测量方法，其特征在于，第一步所述的探头元件的形状优选为圆柱体结构，其半径为R不超过1.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于涡流效应的中高频交变磁场强度的测量方法，其特征在于，所述的金属导体的形状为圆柱体结构时，第三步的数据处理过程为：
3.1)将金属导体的物理参数和第二步中得到的温度变化量ΔT带入公式(1)中计算出金属导体在Δt时间内产热的热量Q为：
Q＝CmMmΔT (1)
其中，Cm是金属导体的比热容；Mm为金属导体的质量；
3.2)圆柱形金属导体在交变磁场中的涡流损耗功率如公式(2)所示：
Figure FDA0002828552620000011
其中，R是金属导体的半径，ρ是金属导体的电阻率，D是金属导体的密度，f是交变磁场的频率，B是待测交变磁场的强度；
将金属导体质量Mm和时间Δt带入到公式(2)中，可得内金属导体在Δt时间内的产热量Q为：
Figure FDA0002828552620000021
3.3)令公式(1)与公式(3)相等，即可得到待测磁场的磁场强度为：
Figure FDA0002828552620000022
4.根据权利要求1所述的一种基于涡流效应的中高频交变磁场强度的测量方法，其特征在于，第一步所述的探头元件的材质包括金、银、铜。
5.根据权利要求1所述的一种基于涡流效应的中高频交变磁场强度的测量方法，其特征在于，第一步所述的温度传感器包括光线测温度、红外测温计。
6.根据权利要求1所述的一种基于涡流效应的中高频交变磁场强度的测量方法，其特征在于，第三步中所述的磁场强度计算，可以将温度变化转变为热量的变化，也可以将温度变化转为热功率。
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