CN116413646B - 一种磁屏蔽设备磁导率的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁屏蔽设备磁导率的测量装置，包括亥姆霍兹线圈；磁力仪探头用于测量亥姆霍兹线圈通入电流前后其对称中心处的磁场Br和B1；数据处理机构用于计算自由空间中的亥姆霍兹线圈在其对称中心处产生的磁场B0，确定B1相比于B0的增强倍数κ0；再对磁屏蔽设备和亥姆霍兹线圈进行建模，得到自由空间中的亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B2，计算磁屏蔽设备磁导率μ取不同值时，磁屏蔽设备中亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B3相比于磁场B2的增强倍数κ；最后将κ相对于μ的变化数据进行插值拟合，根据拟合曲线提取κ＝κ0时μ的值，从而完成对磁屏蔽设备磁导率的测量。本发明能实现对磁屏蔽设备磁导率的高精度测量。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域，更具体地，涉及一种磁屏蔽设备磁导率的测量装置。
背景技术
在许多重要的应用领域，如电子电路、医学检测以及原子物理等，为抑制地磁场以及其它一些干扰磁场的影响，通常会将核心器件放置在磁屏蔽设备内。磁屏蔽设备一般由高磁导率的材料(如坡莫合金)制成，其可以改变地磁场以及其它一些干扰磁场的方向，使这些磁场偏离磁屏蔽空间。而磁屏蔽设备对干扰磁场的屏蔽效果，则直接由磁屏蔽设备的结构以及磁屏蔽设备的磁导率决定。另外，虽然磁屏蔽设备能抑制外部磁场的干扰，但是其会对内部的磁场环境产生影响，而影响的程度同样直接由磁屏蔽设备的结构以及磁屏蔽设备的磁导率决定。因此，为衡量磁屏蔽设备的屏蔽效果，以及评估磁屏蔽设备对内部磁场的影响，前提是能够实现对磁屏蔽设备磁导率的测量。
对于高磁导率材料的磁导率测量，常用的方法是将材料制作成一个环形磁芯，并在环形磁芯上绕制感应线圈与激励线圈。通过测量激励电流与感应电压之间的关系，确定高磁导率材料的磁感应强度B与磁场强度H之间的关系曲线，进而拟合得到材料的磁导率。这种方法虽能够测量磁屏蔽设备所用材料的磁导率，然而，当这些材料加工成磁屏蔽设备时，由于撞击、焊接等因素，材料的磁导率会发生改变。另外，磁屏蔽设备放置在外界环境中时，会受到外界环境的影响而发生磁化，进而导致磁导率的变化。由于上述原因，磁屏蔽设备的磁导率并不等于所使用材料的磁导率。因此，实现一种磁屏蔽设备磁导率的测量装置及方法具有重要的应用价值。
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磁屏蔽设备磁导率的测量装置，能实现对磁屏蔽设备的磁导率进行准确测量。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种磁屏蔽设备磁导率的测量装置，包括：
亥姆霍兹线圈，设置在待测磁屏蔽设备的中心，用于在其中通入电流后产生恒定磁场；
磁力仪探头，用于测量亥姆霍兹线圈在未通入电流和通入合适电流后，亥姆霍兹线圈对称中心处的磁场Br和B1，B1＞100Br；
数据处理机构，用于执行如下步骤：(1)采集所述亥姆霍兹线圈对称中心处的磁场B1，并计算自由空间中的亥姆霍兹线圈在其对称中心处产生的磁场B0，然后计算得到磁场B1相比于磁场B0的增强倍数κ0；(2)采用电磁场仿真软件对磁屏蔽设备和亥姆霍兹线圈进行建模，并将磁屏蔽设备的参数设定为与空气一致，得到自由空间中的亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B2，然后通过所述电磁场仿真软件，计算磁屏蔽设备磁导率μ取不同值时，磁屏蔽设备中亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B3相比于磁场B2的增强倍数κ；(3)将步骤(2)中得到的κ相对于μ的变化数据进行插值拟合，根据拟合曲线提取κ＝κ0时μ的值，从而完成对磁屏蔽设备磁导率的测量。
本发明提供的磁屏蔽设备磁导率的测量装置，利用磁屏蔽设备对屏蔽空间内磁场的影响，通过比较磁屏蔽设备对亥姆霍兹线圈产生磁场的增强倍数的实验测量值与理论仿真值，可实现磁屏蔽设备磁导率的高精度测量；且本发明提供测量装置简单易搭建，测量方法巧妙，可有效解决传统难以测量成形的磁屏蔽设备磁导率的问题。因而，本发明实现的一种磁屏蔽设备磁导率的测量装置具有重要的应用价值。
在其中一个实施例中，在数据处理机构中，步骤(1)中磁场B0的计算公式为：
式中，μ0表示真空磁导率；nc表示亥姆霍兹线圈匝数，Ic表示亥姆霍兹线圈中通入的电流；Rc表示亥姆霍兹线圈半径。
在其中一个实施例中，所述磁屏蔽设备的外部设有电流驱动器，所述电流驱动器通过双绞铜线用于向所述亥姆霍兹线圈通入电流。
在其中一个实施例中，所述亥姆霍兹线圈采用铜线绕制，所述亥姆霍兹线圈中骨架的材料采用环氧树脂；所述磁力仪探头采用原子磁力仪探头。
在其中一个实施例中，所述测量装置还包括采用环氧树脂制成的支撑台，所述支撑台用于将亥姆霍兹线圈固定在磁屏蔽设备的中心，并用于将磁力仪探头固定在亥姆霍兹线圈的对称中心。
在其中一个实施例中，所述数据处理机构包括磁力仪显控设备和计算机。
第二方面，本发明提供了一种基于上述所述的磁屏蔽设备磁导率的测量装置的测量方法，包括如下步骤：
(a)测量待测磁屏蔽设备的几何结构数据，根据磁屏蔽设备的内部尺寸制作合适的亥姆霍兹线圈和支撑台，将亥姆霍兹线圈通过支撑台置于磁屏蔽设备的中心，将磁力仪探头通过支撑台置于亥姆霍兹线圈的对称中心；
(b)利用磁力仪探头探测亥姆霍兹线圈对称中心处的剩磁，数据处理机构中的磁力仪显控设备采集磁力仪探头测量的亥姆霍兹线圈的对称中心处的剩磁；
(c)依据步骤(b)测量得到的剩磁，电流驱动器通过双绞铜线向亥姆霍兹线圈中通入合适的电流，使得亥姆霍兹线圈在磁屏蔽设备中心处产生大于100倍的剩磁磁场；同时，利用数据处理机构中的磁力仪显控设备测量亥姆霍兹线圈的对称中心处的磁场B1，并将测量结果传送给数据处理机构中的计算机；
(d)数据处理机构中的计算机计算自由空间中的亥姆霍兹线圈在其对称中心产生的磁场B0，进而得到磁场B1相比于磁场B0的增强倍数κ0；
(e)利用计算机中的磁场仿真软件对磁屏蔽设备和亥姆霍兹线圈进行建模，将磁屏蔽设备的参数设定为与空气一致，数据处理机构中的计算机通过磁场仿真软件计算自由空间中的亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B2；
(f)数据处理机构中的计算机通过磁场仿真软件，计算磁屏蔽设备磁导率μ取不同值时，磁屏蔽设备中亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B3相比于自由空间中的亥姆霍兹线圈在其对称中心产生的磁场B2的增强倍数κ；
(g)数据处理机构中的计算机对步骤(f)仿真得到的κ相对于μ的变化数据进行插值拟合，根据拟合曲线提取κ＝κ0时μ的值，从而完成对磁屏蔽设备磁导率的测量。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的磁屏蔽设备磁导率的测量装置的结构示意图；
图2是本发明一实施例将亥姆霍兹线圈置于磁屏蔽设备的中心时，用原子磁力仪测得的亥姆霍兹线圈对称中心的磁场；
图3是图2用到的磁屏蔽设备和亥姆霍兹线圈的仿真模型；
图4是图3的仿真计算结果；其中，图4中的点为图3中的磁屏蔽设备的磁导率取不同值时，磁屏蔽设备中亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B3相比于自由空间中的亥姆霍兹线圈在其对称中心产生的磁场B2的增强倍数；图4中的实线为对图4中的点进行插值拟合的结果，而图4中的虚线为实验测量的磁屏蔽设备中亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B1相比于自由空间中的亥姆霍兹线圈在其对称中心产生的磁场B0的增强倍数。
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。
为准确测量磁屏蔽设备的磁导率，本发明提供了一种磁屏蔽设备磁导率的测量装置，利用磁屏蔽设备对屏蔽空间内磁场的影响，通过比较此影响的实验测量值与理论仿真值，实现对磁屏蔽设备磁导率的高精度测量。
本发明基于以下原理：对于处于自由空间中的亥姆霍兹线圈，由毕奥-萨伐尔定律可以计算得，其在对称中心产生的磁场B0满足如下公式：
其中，μ0为真空磁导率，nc为亥姆霍兹线圈匝数，Ic为亥姆霍兹线圈中通入的电流，Rc为亥姆霍兹线圈半径。当nc＝10、Ic＝84mA、Rc＝89.4mm时，由式(1)可以计算得B0＝8.45×103nT。
当将亥姆霍兹线圈置于磁屏蔽设备中时，磁屏蔽设备会对亥姆霍兹线圈产生的磁场造成影响。图2是将一亥姆霍兹线圈置于一磁屏蔽设备的中心时，用原子磁力仪测得的亥姆霍兹线圈对称中心的磁场。对于图2中用到的亥姆霍兹线圈，其nc＝10、Rc＝89.4mm，线圈中通入的电流Ic＝84mA；对于磁屏蔽设备内部中心的剩磁，通常可以忽略其影响，例如图2中用到的磁屏蔽设备，其内部中心的剩磁小于5nT。对图2中的测量结果进行时间平均可得，此亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B1为9.13×103nT，相比于亥姆霍兹线圈在对称中心产生的磁场增大约10％，说明磁屏蔽设备会增大亥姆霍兹线圈在对称中心产生的磁场。
当利用电磁场仿真软件对磁屏蔽设备和亥姆霍兹线圈进行理论建模时，即可理论计算亥姆霍兹线圈在自由空间或磁屏蔽设备中心时其对称中心的磁场，进而得到磁屏蔽设备对亥姆霍兹线圈在对称中心产生磁场的影响。图3为图2用到的磁屏蔽设备和亥姆霍兹线圈的仿真模型，对于图3中的亥姆霍兹线圈，其nc＝1、Ic＝840mA、Rc＝89.4mm。当将磁屏蔽设备的参数设定为与空气一致时，即可计算自由空间中的亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B2。对于图3中的亥姆霍兹线圈，计算得B2＝8.47×103nT，与理论值十分接近，差异主要由于用软件仿真时所取的计算单元有限所致。当将磁屏蔽设备的磁导率设定为不同值时，即可计算附图3中亥姆霍兹线圈在磁屏蔽设备中心时其对称中心的磁场。
图4中的点为图3中的磁屏蔽设备的磁导率取不同值时，磁屏蔽设备中亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B3相比于自由空间中的亥姆霍兹线圈在其对称中心产生的磁场B2的增强倍数κ。图4中的横坐标为相对磁导率，其为磁导率与μ0的比值。图4中的实线为对图4中的点进行插值拟合的结果，而图4中的虚线为实验测量的磁屏蔽设备中亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B1相比于自由空间中的亥姆霍兹线圈在其对称中心产生的磁场B0的增强倍数。图4中的实线与虚线的焦点对应的横坐标即为磁屏蔽设备的磁导率。例如，对于图2用到的磁屏蔽设备，测得其磁导率为2178μ0。
对此，本发明提供了一种磁屏蔽设备磁导率的测量装置，包括亥姆霍兹线圈、磁力仪探头和数据处理机构。
其中，亥姆霍兹线圈，设置在待测磁屏蔽设备的中心，用于在其中通入电流后产生恒定磁场。
磁力仪探头，用于测量亥姆霍兹线圈在未通入电流和通入合适电流后，亥姆霍兹线圈对称中心处的磁场Br和B1，B1＞100Br。
数据处理机构，用于执行如下步骤：(1)采集亥姆霍兹线圈对称中心处的磁场B1，并计算自由空间中的亥姆霍兹线圈在其对称中心处产生的磁场B0，然后计算得到磁场B1相比于磁场B0的增强倍数κ0；(2)采用电磁场仿真软件对磁屏蔽设备和亥姆霍兹线圈进行建模，并将磁屏蔽设备的参数设定为与空气一致，得到自由空间中的亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B2，然后通过所述电磁场仿真软件，计算磁屏蔽设备磁导率μ取不同值时，磁屏蔽设备中亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B3相比于磁场B2的增强倍数κ；(3)将步骤(2)中得到的κ相对于μ的变化数据进行插值拟合，根据拟合曲线提取κ＝κ0时μ的值，从而完成对磁屏蔽设备磁导率的测量。
本实施例提供的磁屏蔽设备磁导率的测量装置，利用磁屏蔽设备对屏蔽空间内磁场的影响，通过比较磁屏蔽设备对亥姆霍兹线圈产生磁场的增强倍数的实验测量值与理论仿真值，可实现磁屏蔽设备磁导率的高精度测量；且本实施例提供测量装置简单易搭建，测量方法巧妙，可有效解决传统难以测量成形的磁屏蔽设备磁导率的问题。因而，本实施例实现的一种磁屏蔽设备磁导率的测量装置具有重要的应用价值。
以下结合具体实施例对本发明进行详细说明：
参见图1，本实施例提供了一种磁屏蔽设备磁导率的测量装置，包含电流驱动器1、导线2、亥姆霍兹线圈3、支撑台4、磁力仪探头5、数据处理机构6。
其中，电流驱动器1用于产生电流，并通过导线2将电流通入到亥姆霍兹线圈3中。
导线2为双绞铜线，用于将电流驱动器1产生的电流通入亥姆霍兹线圈3中，同时避免导线产生的磁场对测量的影响。
亥姆霍兹线圈3用于产生恒定磁场，由铜线绕制，骨架使用无磁材料，如环氧树脂。
支撑台4用于将亥姆霍兹线圈3固定在磁屏蔽设备的中心，同时将磁力仪探头5固定在亥姆霍兹线圈3的对称中心。支撑台4使用无磁材料，如环氧树脂。
磁力仪探头5为高精度磁力仪探头，如原子磁力仪探头，用于测量亥姆霍兹线圈3对称中心处的磁场。
数据处理机构6包含磁力仪显控设备与计算机，磁力仪显控设备用于采集磁力仪探头5探测到的亥姆霍兹线圈3对称中心处的磁场，同时将数据传送给计算机，计算机用于对磁屏蔽设备和亥姆霍兹线圈3进行建模，通过理论计算并结合实测数据得到磁屏蔽设备的磁导率。
本实施例提供的磁屏蔽设备磁导率的测量装置的测量原理为：
电流驱动器1通过导线2向亥姆霍兹线圈3中通入电流，使得亥姆霍兹线圈3在磁屏蔽设备中心处产生至少百倍于剩磁磁场；磁力仪探头5探测亥姆霍兹线圈3对称中心处的磁场B1，并通过数据处理机构6中的磁力仪显控设备将磁场探测数据传送给数据处理机构6中的计算机；数据处理机构6中的计算机一方面计算自由空间中的亥姆霍兹线圈3在其对称中心产生的磁场B0，进而得到B1相比于B0的增强倍数，另一方面通过电磁场仿真软件对亥姆霍兹线圈3和磁屏蔽设备进行建模，计算磁屏蔽设备磁导率取不同值时，磁屏蔽设备中亥姆霍兹线圈3对称中心的磁场B3相比于自由空间中的亥姆霍兹线圈3在其对称中心产生的磁场B2的增强倍数，最后通过比较理论计算数据与实测数据得到磁屏蔽设备的磁导率。
本实施例还提供一种上述装置的测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，测量磁屏蔽设备的几何结构数据，根据磁屏蔽设备的内部尺寸制作合适的亥姆霍兹线圈3和支撑台4，将亥姆霍兹线圈3通过支撑台4置于磁屏蔽设备的中心，将磁力仪探头5通过支撑台4置于亥姆霍兹线圈3的对称中心。
步骤二，磁力仪探头5探测亥姆霍兹线圈3对称中心处的磁场，数据处理机构6中的磁力仪显控设备采集磁力仪探头5测量的亥姆霍兹线圈3的对称中心处的剩磁。
步骤三，依据步骤二测量得到的剩磁，电流驱动器1通过导线2向亥姆霍兹线圈3中通入合适的电流，使得亥姆霍兹线圈3在磁屏蔽设备中心处产生至少百倍于剩磁的磁场。同时，利用数据处理机构6中的磁力仪显控设备测量亥姆霍兹线圈3的对称中心处的磁场B1，并将测量结果传送给数据处理机构6中的计算机。
步骤四，数据处理机构6中的计算机计算自由空间中的亥姆霍兹线圈3在其对称中心产生的磁场B0，进而得到B1相比于B0的增强倍数κ0。
步骤五，利用计算机中的电磁场仿真软件对磁屏蔽设备和亥姆霍兹线圈3进行建模。将磁屏蔽设备的参数设定为与空气一致，数据处理机构6中的计算机通过电磁场仿真软件计算自由空间中的亥姆霍兹线圈3对称中心的磁场B2。
步骤六，数据处理机构6中的计算机通过磁场仿真软件，计算磁屏蔽设备磁导率μ取不同值时，磁屏蔽设备中亥姆霍兹线圈3对称中心的磁场B3相比于自由空间中的亥姆霍兹线圈3在其对称中心产生的磁场B2的增强倍数κ。
步骤七，数据处理机构6中的计算机对步骤六仿真得到的κ相对于μ的变化数据进行插值拟合，根据拟合曲线提取κ＝κ0时μ的值，完成对磁屏蔽设备磁导率的测量。
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)
1.一种磁屏蔽设备磁导率的测量装置，其特征在于，包括：
亥姆霍兹线圈，设置在待测磁屏蔽设备的中心，用于在其中通入电流后产生恒定磁场；
磁力仪探头，用于测量亥姆霍兹线圈在未通入电流和通入合适电流后，亥姆霍兹线圈对称中心处的磁场B r和B 1，B 1＞100B r，B r为亥姆霍兹线圈在未通入电流时对称中心处的磁场；
数据处理机构，用于执行如下步骤：（1）采集所述亥姆霍兹线圈对称中心处的磁场B 1，并计算自由空间中的亥姆霍兹线圈在其对称中心处产生的磁场B 0，然后计算得到磁场B 1相比于磁场B 0的增强倍数κ 0；（2）采用电磁场仿真软件对磁屏蔽设备和亥姆霍兹线圈进行建模，并将磁屏蔽设备的参数设定为与空气一致，得到自由空间中的亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B 2，然后通过所述电磁场仿真软件，计算磁屏蔽设备磁导率μ取不同值时，磁屏蔽设备中亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B 3相比于磁场B 2的增强倍数κ；（3）将步骤（2）中得到的κ相对于μ的变化数据进行插值拟合，根据拟合曲线提取κ = κ 0时μ的值，从而完成对磁屏蔽设备磁导率的测量。
2.根据权利要求1所述的磁屏蔽设备磁导率的测量装置，其特征在于，在数据处理机构中，步骤（1）中磁场B 0的计算公式为：
式中，μ 0表示真空磁导率；n c表示亥姆霍兹线圈匝数，I c表示亥姆霍兹线圈中通入的电流；R c表示亥姆霍兹线圈半径。
3.根据权利要求2所述的磁屏蔽设备磁导率的测量装置，其特征在于，所述磁屏蔽设备的外部设有电流驱动器，所述电流驱动器通过双绞铜线用于向所述亥姆霍兹线圈通入电流。
4.根据权利要求3所述的磁屏蔽设备磁导率的测量装置，其特征在于，所述亥姆霍兹线圈采用铜线绕制，所述亥姆霍兹线圈中骨架的材料采用环氧树脂；所述磁力仪探头采用原子磁力仪探头。
5.根据权利要求4所述的磁屏蔽设备磁导率的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括采用环氧树脂制成的支撑台，所述支撑台用于将亥姆霍兹线圈固定在磁屏蔽设备的中心，并用于将磁力仪探头固定在亥姆霍兹线圈的对称中心。
6.根据权利要求5所述的磁屏蔽设备磁导率的测量装置，其特征在于，所述数据处理机构包括磁力仪显控设备和计算机。
7.一种基于权利要求6所述的磁屏蔽设备磁导率的测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
（a）测量待测磁屏蔽设备的几何结构数据，根据磁屏蔽设备的内部尺寸制作合适的亥姆霍兹线圈和支撑台，将亥姆霍兹线圈通过支撑台置于磁屏蔽设备的中心，将磁力仪探头通过支撑台置于亥姆霍兹线圈的对称中心；
（b）利用磁力仪探头探测亥姆霍兹线圈对称中心处的剩磁，数据处理机构中的磁力仪显控设备采集磁力仪探头测量的亥姆霍兹线圈的对称中心处的剩磁；
（c）依据步骤（b）测量得到的剩磁，电流驱动器通过双绞铜线向亥姆霍兹线圈中通入合适的电流，使得亥姆霍兹线圈在磁屏蔽设备中心处产生大于100倍的剩磁磁场；同时，利用数据处理机构中的磁力仪显控设备测量亥姆霍兹线圈的对称中心处的磁场B 1，并将测量结果传送给数据处理机构中的计算机；
（d）数据处理机构中的计算机计算自由空间中的亥姆霍兹线圈在其对称中心产生的磁场B 0，进而得到磁场B 1相比于磁场B 0的增强倍数κ 0；
（e）利用计算机中的磁场仿真软件对磁屏蔽设备和亥姆霍兹线圈进行建模，将磁屏蔽设备的参数设定为与空气一致，数据处理机构中的计算机通过磁场仿真软件计算自由空间中的亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B 2；
（f）数据处理机构中的计算机通过磁场仿真软件，计算磁屏蔽设备磁导率μ取不同值时，磁屏蔽设备中亥姆霍兹线圈对称中心的磁场B 3相比于自由空间中的亥姆霍兹线圈在其对称中心产生的磁场B 2的增强倍数κ；
（g）数据处理机构中的计算机对步骤（f）仿真得到的κ相对于μ的变化数据进行插值拟合，根据拟合曲线提取κ = κ 0时μ的值，从而完成对磁屏蔽设备磁导率的测量。
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Non-Patent Citations (2)
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| Three-Axis Atomic Magnetometer Employing Longitudinal Field Modulation;Zhichao Ding 等;《IEEE Photonics Journal 》;全文 * |
| 利用亥姆霍兹线圈测量真空磁导率;刘竹琴 等;《大学物理》;第第34卷卷(第第4期期);全文 * |
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