CN114217251A - 一种磁导率测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁导率测量方法与装置，属于电磁场和测量领域。方法包括：步骤1、理论计算磁力与磁导率之间的映射关系；步骤2、测量永磁体和待测材料之间的磁力；步骤3、基于磁力与磁导率之间的映射关系以及步骤2中测得的磁力，得到待测材料的磁导率。装置包括：无底中空腔体的装置限位器，磁力传感器设置在所述装置限位器内部顶端；所述永磁体设置在磁力传感器上；所述信号处理模块与所述磁力传感器电连接，用于接收磁力传感器测量到的永磁体与待测材料之间的磁力，并根据磁力与磁导率之间的映射关系得到待测材料的磁导率。本发明通过测量永磁体与待测材料之间的磁力以及磁力与磁导率之间的映射关系，测得待测材料的磁导率，且精度高。

Description

一种磁导率测量方法与装置

技术领域

本发明属于电磁场和测量领域，更具体地，涉及一种磁导率测量方法与装置。

背景技术

磁场常常用两个物理量表征，磁场强度H和磁感应强度B。二者之间的关系可以表示为：

B＝μH，

式中，μ＝μ_rμ₀即为材料的磁导率,μ₀是真空中的磁导率，μ_r为材料的相对磁导率。

磁导率是材料的一个重要电磁学参数。磁导率是材料的特性参数，表征了材料的导磁性能，与材料的种类相关。非铁磁材料的相对磁导率接近于1，铁磁材料的相对磁导率远大于1。铁磁材料的磁导率会随着磁场强度的变化而产生非线性变化。

磁导率在许多领域都有应用，如电磁场建模和计算、磁性传感器设计、磁性探伤、材料研究、机械设计、加工制造等领域，在这些领域中，常常需要知道材料的磁导率大小，方便进行分析、设计、制造。在一些带电粒子束相关的精密电磁仪器中，常常对关键材料磁导率性能有非常严格的要求。因此，磁导率测量在电磁场领域中十分重要。磁导率测量方法多种多样，目前市场上缺少可以便捷并且高精度测量磁导率的仪器装置。

在电路中，一些电感器是将线圈绕在芯上构成的，芯的材料多种多样，常常用铁磁材料制成，芯的磁导率影响着电感器的电感大小，因此，通过测量电感的方法来测量磁导率是一种常用的方法，但是该方法需要将材料制成铁芯，对材料的限制较大，且测量不便捷。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种磁导率测量方法与装置，其目的在于通过测量永磁体与待测材料之间的磁力以及磁力与磁导率之间的映射关系，测得待测材料的磁导率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种磁导率测量方法，包括如下步骤：

步骤1、理论计算磁力与磁导率之间的映射关系；

步骤2、测量永磁体和待测材料之间的磁力；

步骤3、基于步骤1中的磁力与磁导率之间的映射关系以及步骤2中测得的磁力，得到待测材料的磁导率。

进一步地，步骤1中的理论计算方法为有限元分析法、解析计算法或实验测量法。

进一步地通过所述有限元分析法计算磁力与磁导率之间映射关系的步骤如下：

S1、建立有限元模型；

S2、基于有限元模型计算F-μ_r曲线，包括：

从相对磁导率μ_r＝0开始，以增量Δμ_r逐次改变待测材料的相对磁导率，基于有限元模型得到该相对磁导率对应的磁力，形成待测材料的磁力F与相对磁导率μ_r之间的映射关系，直到待测材料的磁力F与相对磁导率μ_r之间的映射关系形成的F-μ_r曲线趋于饱和为止；

S3、通过试验校正，修正S2中的映射关系；

S4、将所述F-μ_r曲线变为μ_r-F曲线，并对所述μ_r-F曲线进行拟合。

进一步地，将所述μ_r-F曲线拟合为指数函数或多项式函数。

按照本发明的另一方面，提供了一种磁导率测量装置，包括：装置限位器、永磁体、磁力传感器和信号处理模块；

所述装置限位器为无底中空腔体，所述磁力传感器设置在所述装置限位器内部顶端；所述永磁体设置在磁力传感器上；所述信号处理模块与所述磁力传感器电连接，用于接收磁力传感器测量到的永磁体与待测材料之间的磁力，并根据磁力与磁导率之间的映射关系得到待测材料的磁导率。

进一步地，所述装置限位器为非导磁材料；所述永磁体为钕铁硼永磁体或钐钴永磁体。

进一步地，所述磁力传感器为S型磁力传感器、电阻应变片测量电路或电容式磁力传感器。

进一步地，所述信号处理模块是单片机、微机或微处理器。

进一步地，还包括显示模块，所述显示模块与所述信号处理模块相连，用于显示所述信号处理模块测量到的待测材料磁导率。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明的方法及装置，通过预先理论计算磁力与磁导率之间的映射关系，再通过测量装置测得永磁体对材料的作用力，基于该映射关系间接测量材料磁导率。本发明无需将待测材料制成铁芯，只需将装置放置在待测材料上，即可测量得到待测材料磁导率，简便易行，受材料和使用条件限制小。

(2)作为优选，永磁体为钕铁硼永磁体、钐钴永磁体等剩磁较大、磁力较强、磁化曲线较为平直、线性度好的材料，使得永磁体与待测材料之间产生的磁力大，测量的精度高。

总而言之，本发明的装置及方法，通过测量永磁体与待测材料之间的磁力以及磁力与磁导率之间的映射关系，测得待测材料的磁导率，且精度高，对待测材料要求较低，简便易行。

附图说明

图1为本发明实施例的装置示意图。

图2(a)为本发明实施例得到的F-μ_r曲线示意图，其中，横轴为线性坐标轴。

图2(b)为本发明实施例得到的F-μ_r曲线示意图，其中，横轴为对数坐标轴。

图3(a)为本发明实施例得到的μ_r-F曲线及其拟合曲线示意图，其中，横轴为线性坐标轴。

图3(b)为本发明实施例得到的μ_r-F曲线及其拟合曲线示意图，其中，横轴为对数坐标轴。

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。

根据电磁场理论，磁体对材料会产生作用力。对于磁导率大的材料，如铁、钴、镍等铁磁材料，磁体的作用力大；反之，对于磁导率小的材料，如铝、铜等非铁磁材料，磁体的作用力小。磁力大小和磁体参数(如永磁体尺寸、剩磁大小)，永磁体与待测材料的间距、相对位置等以及待测材料的磁导率相关，因此可以固定除磁力大小和待测材料的磁导以外的其它参量，通过理论分析计算和实验校正，可以得到永磁体对待测材料的磁力大小与待测材料磁导率之间的函数关系，根据该函数关系，根据永磁体对待测材料的磁力大小得到待测材料的磁导率。

如图1所示，本实施例提供了一种磁导率测量装置，主要包括：装置限位器、永磁体、磁力传感器、信号处理模块。

装置限位器，为非导磁材料制成的无底中空腔体，测量时放置在待测材料上，作为整个装置的支撑外壳。磁力传感器设置在该装置限位器内部的顶端，用于测量永磁体受到的作用力，即永磁体与待测材料之间的磁力。永磁体设置在磁力传感器上，并与待测材料有间距，即永磁体底部与装置限位器存在一定距离，用于使测量待测材料与永磁体之间产生作用力，即磁力。信号处理模块，通过信号线与磁力传感器相连，用于接收磁力传感器测量到的永磁体与待测材料之间的磁力，并根据磁力与磁导率之间的映射关系分析得到待测材料的磁导率，并能显示出得到的磁导率。

需要说明的是，磁力传感器只要固定在装置限位器上能够满足测量要求即可。

进一步的，为了便于显示，本装置还包括显示模块，该显示模块与信号处理模块相连，接收信号处理模块的测量结果，并显示其的处理结果，即测量到的待测材料的磁导率。

其中，永磁体材料优选剩磁较大、磁力较强、磁化曲线较为平直、线性度好的材料，如钕铁硼永磁体、钐钴永磁体。

为保证测量精度，待测材料要求表面平坦、光洁，尺寸优选大于测量装置半径2-3倍。

其中，磁力传感器可以是市面上已有的磁力传感器，如S型磁力传感器，也可以是另行设计的传感器，如电阻应变片测量电路、电容式磁力传感器等。本实施例中，采用S型磁力传感器进行测量，该传感器具有使用方便、精度高、不易受到磁场影响等优点。在其它实施例中，可以根据实际需求选用合适的磁力传感器量程与精度，以满足测量需求。

其中，装置限位器可以是圆柱体、长方体、正方体等形状，材料选用不导磁且不易变形的材料，如塑料、铝合金等。

其中，信号处理模块可以是单片机、微机、微处理器等，使用的程序语言不限。

根据装置的参数(永磁体的磁化方向、剩磁、矫顽力、B-H曲线，永磁体的几何尺寸，永磁体与待测材料间距)，通过理论分析计算和实验校正，预先得到永磁体与待测材料之间的磁力与待测材料磁导率之间的函数映射关系。测量时，永磁体与待测材料作用产生作用力，磁力传感器测量得到永磁体受到的作用力，即永磁体与待测材料之间的作用力(磁力)。根据预先得到的函数映射关系，在信号处理模块中进行分析处理，通过测得的磁力得到材料的磁导率，并通过显示模块进行显示。

具体的，包括如下步骤：

步骤1、理论计算磁力与磁导率之间的映射关系，并将其保存在上述装置中的信号处理模块中。

具体的，通过有限元分析法、解析计算法、实验测量法得到永磁体和待测材料之间的磁力和磁导率之间的映射关系。

步骤2、通过上述装置中的磁力传感器，测量永磁体和待测材料之间的磁力。

作为优选，磁力的测量分辨率小于0.1g。

步骤3、上述装置中的信号处理模块根据步骤2中测得的永磁体与待测材料之间的磁力，基于磁力与磁导率之间的映射关系，分析得到待测材料的磁导率。

作为优选，步骤3之后，还包括步骤：将得到待测材料的磁导率输出与显示。

具体的，本实施例优选采用有限元分析法获得永磁体和待测材料之间的磁力和磁导率之间的映射关系，步骤如下：

(1)建立有限元模型：

根据装置参数建立电磁场计算有限元模型。具体的，所需参数包括：装置的结构、材料、尺寸，永磁体的物理参数(磁化方向、剩磁、矫顽力、B-H曲线)和几何尺寸，永磁体与待测材料间距，待测材料的几何尺寸。

(2)基于有限元模型计算F-μ_r曲线：

在有限元模型中，从相对磁导率μ_r＝0开始，以增量Δμ_r(如Δμ_r＝0.1)逐次增加待测材料的相对磁导率μ_r，通过有限元计算每个μ_r对应的磁力F，得到待测材料的磁力与相对磁导率之间的映射关系，即F-μ_r曲线。直到曲线趋于饱和为止，此时，不再增加待测材料的相对磁导率μ_r，得到最终形成的F-μ_r曲线。最终所得的F-μ_r曲线如图2(a)、图2(b)所示。

(3)通过试验校正，修正该映射关系，以保证测量的精确性。

具体的，用所述装置对相对磁导率μ_r精确已知的材料进行测量，用所得的磁力F验证有限元计算的结果。如不符合精度要求，则需仔细核查相关参数，改进有限元计算模型，直到精度符合要求为止。

(4)将映射关系改为以μ_r为因变量、以F为自变量，即μ_r＝f(F)，对曲线进行拟合，以便由F获得μ_r。

曲线拟合可以采用多项式拟合或者指数函数拟合。指数函数的全局逼近能力要比多项式强大得多，因此优先推荐使用指数函数拟合。指数拟合可采用如下形式的拟合表达式：

式中，a₀，a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃为拟合系数，是与永磁体的物理参数、形状、尺寸、待测材料的形状、尺寸以及永磁体与待测材料间距等参数相关的确定值。

由于μ_r＝f(F)函数曲线比较复杂，推荐分段拟合，以获得更好的拟合精度。

本实施例中，选择永磁体为钕铁硼材料，剩磁大小为1.1T，形状为直径22.6mm的圆柱体，高度为30mm，与待测材料间距为2mm。待测材料为平板状，厚度5mm。根据上述参数建立有限元模型，待测材料相对磁导率从μ_r＝0开始，进行有限元计算，按照一定增量逐次改变待测材料磁导率，得到磁力与磁导率的映射曲线如图2(a)、图2(b)所示。

将映射关系改为以F为自变量，即μ_r＝f(F)，对曲线进行拟合。为保证精度，分(0＜μ_r≤10)和(10＜μ_r≤60)两段进行，采用前述的指数拟合公式，得到拟合系数为：

表1分段拟合得到的拟合系数

拟合系数	a<sub>0</sub>	a<sub>1</sub>	a<sub>2</sub>	a<sub>3</sub>	b<sub>1</sub>	b<sub>2</sub>	b<sub>3</sub>
								0＜μ<sub>r</sub>≤10	-0.09429	0.94942	0.14765	0.000380685	0.0272921	0.0551756	0.142849
10＜μ<sub>r</sub>≤60	-0.28634	1.38257	0.000223188	3.33723e-17	0.0308105	0.154433	0.529824

映射关系μ_r＝f(F)及其拟合曲线如图3(a)、图3(b)所示。指数拟合的效果非常好。根据测量得到的磁力F，由拟合曲线很容易计算出材料的相对磁导率μ_r。

如果采用多项式拟合，则需要分更多的段数才能得到较理想的结果。

图3(a)和图3(b)表明，映射关系μ_r＝f(F)不是线性的，各段的分辨能力有很大差别。当μ_r＜5时，单位相对磁导率变化引起的磁力变化

磁力的变化非常显著，可以得到很高的相对磁导率分辨能力。当μ_r＝10时，单位相对磁导率变化引起的磁力变化下降到

当μ_r＝60时，单位相对磁导率变化引起的磁力变化下降到

磁力的变化对材料不再敏感，分辨能力下降。大部分非铁磁性材料的相对磁导率μ_r都在10以下，因此本发明能够满足这些材料的磁性检测。由于铁磁材料通常是非线性的，其相对磁导率不能用一个常数参数来表示，不在本发明的应用之列。

最后需要指出，上述具体数据是针对本实施例的计算结果。每套具体的装置要根据它的实际参数进行理论计算。

在其它实施例中，也可以通过解析计算、实验测量等理论计算得到永磁体和待测材料之间的磁力和磁导率之间的函数关系。解析计算法是将永磁体等效为螺线管或磁荷模型，通过电磁场原理进行解析计算，在实验校正后，从而得到磁力与磁导率之间的关系；实验测量法是使用已有的磁导率测量装置或方法，对不同磁导率的材料进行测量，得到系列数据点，经过插值或拟合得到磁力与磁导率的函数关系，但由于难以找到某些特定磁导率的材料，因此，实验测量法更多用于校正通过有限元分析法、解析计算法等理论计算得到的函数关系。

为确保装置的测量精度，在装置使用之前，应选择高精度的仪器对通过上述方式得到的曲线进行校准。校准完成后，将得到的永磁体和待测材料之间的磁力和磁导率之间的映射关系保存固化在信号处理模块中。测量时，通过上述方法得到待测材料的相对磁导率。

本发明可以较为便捷地测得材料磁导率，对材料的形状要求、测量条件要求均较低，且可以达到较高的精度。

本发明实施例提供了一种磁导率测量方法，包括如下步骤：

步骤1、理论计算磁力与磁导率之间的映射关系。

具体的，理论计算方法为有限元分析法、解析计算法或实验测量法。

作为优选，理论计算磁力与磁导率之间的映射关系后还包括用函数拟合法拟合所述映射关系。

作为优选，通过函数拟合法得到的函数形式为指数函数或多项式函数。

步骤2、测量永磁体和待测材料之间的磁力。

步骤3、基于步骤1中的磁力与磁导率之间的映射关系以及步骤2中测得的磁力，得到待测材料的磁导率。

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 (9)

1.一种磁导率测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、理论计算磁力与磁导率之间的映射关系；

步骤2、测量永磁体和待测材料之间的磁力；

步骤3、基于步骤1中的磁力与磁导率之间的映射关系以及步骤2中测得的磁力，得到待测材料的磁导率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中的理论计算方法为有限元分析法、解析计算法或实验测量法。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过所述有限元分析法计算磁力与磁导率之间映射关系的步骤如下：

S1、建立有限元模型；

S2、基于有限元模型计算F-μ_r曲线，包括：

从相对磁导率μ_r＝0开始，以增量Δμ_r逐次增加待测材料的相对磁导率，基于有限元模型得到该相对磁导率对应的磁力，形成待测材料的磁力F与相对磁导率μ_r之间的映射关系；直到待测材料的磁力F与相对磁导率μ_r之间的映射关系形成的F-μ_r曲线趋于饱和为止；

S3、通过试验校正，修正S2中的映射关系；

S4、将所述F-μ_r曲线变为μ_r-F曲线，并对所述μ_r-F曲线进行拟合。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述μ_r-F曲线拟合为指数函数或多项式函数。

5.一种磁导率测量装置，其特征在于，包括：装置限位器、永磁体、磁力传感器和信号处理模块；

所述装置限位器为无底中空腔体，所述磁力传感器设置在所述装置限位器内部顶端；所述永磁体设置在磁力传感器上；所述信号处理模块与所述磁力传感器电连接，用于接收磁力传感器测量到的永磁体与待测材料之间的磁力，并根据磁力与磁导率之间的映射关系得到待测材料的磁导率。

6.根据权利要求5所述的磁导率测量装置，其特征在于，所述装置限位器为非导磁材料；所述永磁体为钕铁硼永磁体或钐钴永磁体。

7.根据权利要求5所述的磁导率测量装置，其特征在于，所述磁力传感器为S型磁力传感器、电阻应变片测量电路或电容式磁力传感器。

8.根据权利要求5所述的磁导率测量装置，其特征在于，所述信号处理模块是单片机、微机或微处理器。

9.根据权利要求5-8任意一项所述的磁导率测量装置，其特征在于，还包括显示模块，所述显示模块与所述信号处理模块相连，用于显示所述信号处理模块测量到的待测材料磁导率。

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