CN117907692A - 一种脉冲强磁场下的电容测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁特性测量领域，具体涉及一种脉冲强磁场下的电容测量装置及测量方法，以解决现有的电容测量装置不适用在脉冲强磁场狭窄的磁体环境中进行电容测量的问题，其包括壳体，电容部件，电容部件包括固定电容极板、活动电容极板和调节件，活动电容极板与固定电容极板相平行，调节件用于驱动活动电容极板靠近或远离固定电容极板；温控部件，用于使待测样品的测试环境升温或降温；磁场部件，用于为待测样品提供高强磁场并进行监测磁场强度的变化；数据处理部件，数据处理部件包括用于测量固定电容极板和活动电容极板之间电容变化的电容桥。本发明具有能够在脉冲强磁场狭窄的磁体环境中下测量电容变化，进而能够测得磁性材料的磁特性的效果。
Description
技术领域
本发明属于磁特性测量领域，更具体地，涉及一种脉冲强磁场下的电容测量装置及测量方法。
背景技术
随着科技的发展，磁性材料广泛应用于各个领域，且在设备中起着至关重要的作用，磁性材料的磁特性会影响其使用性能。脉冲强磁场下的磁致伸缩测量是一种常见的磁特性测量实验，用于凝聚态物理科学研究。电容测量装置是磁致伸缩测量的一种实现方法，电容测量的精度对磁致伸缩测量有着重要的影响。
目前商用的电容测量装置因为尺寸较大，通常只能适用于稳态磁场环境中，对于在脉冲强磁场狭窄的磁体环境中，则不适用进行电容测量，从而难以准确测量出磁性材料的磁特性。
发明内容
为了实现在脉冲强磁场狭窄的磁体环境中进行电容测量，从而测出磁性材料的磁特性，本发明提供一种脉冲强磁场下的电容测量装置及测量方法。
本发明提供的一种脉冲强磁场下的电容测量装置采用如下的技术方案：
一种脉冲强磁场下的电容测量装置，包括壳体，
电容部件，所述电容部件包括固定电容极板、活动电容极板和调节件，所述固定电容极板设置于壳体上并且待测样品位于固定电容极板和壳体之间，所述活动电容极板活动连接于壳体上且与所述固定电容极板相平行，所述调节件用于驱动活动电容极板靠近或远离固定电容极板；
温控部件，用于使待测样品的测试环境升温或降温；
磁场部件，用于为待测样品提供强磁场并进行监测磁场强度的变化；
数据处理部件，所述数据处理部件包括用于测量固定电容极板和活动电容极板之间电容变化的电容桥，所述电容桥与所述固定电容极板、活动电容极板连接。
通过采用上述技术方案，该装置使用时，将待测样品、固定电容极板、活动电容极板安装于壳体上，并通过调节件调节固定电容极板和活动电容极板之间的距离，通过温控部件和磁场部件提供合适的检测环境温度和磁场强度，并对磁场强度进行监测，电容桥与固定电容极板和活动电容极板连接形成通路，磁场发生变化时，待测样品会发生形变，使得固定电容极板位置发生变化，固定电容极板和活动电容极板之间的距离发生变化，从而通路内的电压发生变化，进而测出固定电容极板和活动电容极板的电容变化，以测量出待测样品的磁致伸缩变化。
作为进一步优选的，所述壳体的外壁开设有测试槽，所述固定电容极板和活动电容极板均设于所述测试槽内且与壳体位于同一轴线上，待测样品固定连接于所述固定电容极板和测试槽的内壁之间。
通过采用上述技术方案，固定电容极板和活动电容极板均位于测试槽内，对固定电容极板和活动电容极板起到一定的保护效果，且固定电容极板和活动电容极板运动时更加稳定。
作为进一步优选的，所述调节件为螺杆，所述壳体的一端沿轴线方向开设有螺孔，所述螺孔与所述测试槽连通，所述螺杆贯穿螺孔并且与螺孔螺纹连接，所述活动电容极板与所述螺杆同轴固定连接。
通过采用上述技术方案，通过转动螺杆调节其在螺孔中的位置，从而能够带动活动电容极板运动，便于调节活动电容极板的位置，结构简单，调节方便。
作为进一步优选的，所述磁场部件包括探测线圈和测量仪，所述探测线圈和测量仪连接，所述壳体外壁靠近所述测试槽的位置开设有第一环形槽，所述探测线圈绕设于第一环形槽中。
通过采用上述技术方案，探测线圈绕设于壳体的外部，通过测量仪能够实时检测磁场的变化，进而能够测量出磁场变化和磁性材料的形变关系，以测量出磁性材料的磁特性。
作为进一步优选的，所述温控部件包括液氦恒温器、电热丝、温度计和温控仪，所述温控仪与电热丝、温度计连接，其中，所述壳体设于所述液氦恒温器的真空腔内并向真空腔内导入液氦；所述电热丝设置于所述壳体上，所述温控仪通过控制电热丝调节对待测样品的加热温度，同时对温度计和电热丝进行PID反馈控制，控制待测样品所在环境的温度。
通过采用上述技术方案，将壳体放入液氦恒温器的真空腔内并向真空腔内导入液氦，使待测样品处于低温环境中，通过温度计检测环境温度，并通过温控仪控制电热丝通电产生热量，从而使待测样品处于合适的温度中进行检测。
作为进一步优选的，所述壳体两端的外周壁均开设有第二环形槽，所述电热丝对称绕设于两个第二环形槽中。
通过采用上述技术方案，电热丝稳定设置于两个第二环形槽中，且在壳体上设置的范围较大，从而能够为待测样品提供较为稳定的温度环境。
作为进一步优选的，所述固定电容极板和活动电容极板结构相同且表面均设有金属层，所述固定电容极板和活动电容极板相互靠近一侧的金属层上均设有缝隙。
通过采用上述技术方案，镀膜使固定电容极板和活动电容极板上的金属部分尽量薄，从而涡流减小，脉冲强磁场的变化速率很快，变化的磁场在金属表面会产生螺旋状的感应电流，设置缝隙从而减小涡流导致的发热。
作为进一步优选的，所述磁场部件还包括脉冲磁体，所述脉冲磁体设置于所述液氦恒温器的内且对称布设于真空腔的两侧。
通过采用上述技术方案，通过脉冲磁体为壳体整体提供稳定的强磁场的环境，使得电容测量结果更加准确。
作为进一步优选的，所述壳体上开设有同轴设置的安装槽，所述安装槽内可拆卸连接有支撑管。
通过采用上述技术方案，支撑管插接于安装槽中与壳体连接成整体，以便于将壳体插入液氦恒温器的真空腔中。
本发明提供的一种脉冲强磁场下的电容测量方法采用如下的技术方案：
一种脉冲强磁场下的电容测量方法，包括如下步骤：
S1：将待测样品固定连接于固定电容极板和壳体之间；
S2：调节活动电容极板的位置，改变固定电容极板和活动电容极板的距离；
S3：通过温控部件调节待测样品的测试环境温度；
S4：通过磁场部件为待测样品提供磁场并进行监测磁场强度的变化；
S5：电容桥测量固定电容极板和活动电容极板的电容变化，从而测量出待测样品的磁致伸缩变化。
综上所述，本发明至少包括以下有益技术效果：
该装置使用时，将待测样品、固定电容极板、活动电容极板安装于壳体上，并通过调节件调节固定电容极板和活动电容极板之间的距离，通过温控部件和磁场部件提供合适的检测环境温度和磁场强度，并对磁场强度进行监测，电容桥与固定电容极板和活动电容极板连接形成通路，磁场发生变化时，待测样品会发生形变，固定电容极板和活动电容极板之间的距离发生变化，从而通路内的电压发生变化，进而测出固定电容极板和活动电容极板的电容变化，以测量出待测样品的磁致伸缩变化。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明实施例的正视结构示意图；
图3是本发明实施例的固定电容极板剖面示意图；
图4是本发明实施例的整体结构框图；
图5是本发明电容测量方法的流程图；
图6是采用金属镍样品时电容与磁场强度关系示意图；
图7是金属镍的磁致伸缩量与磁场强度关系示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1、壳体；11、测试槽；12、螺孔；13、第一环形槽；14、第二环形槽；15、安装槽；16、支撑管；2、电容部件；21、固定电容极板；22、活动电容极板；23、调节件；24、金属层；241、缝隙；3、温控部件；31、液氦恒温器；32、电热丝；33、温度计；34、温控仪；4、磁场部件；41、探测线圈；42、测量仪；43、脉冲磁体；5、数据处理部件；51、电容桥。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图1-7对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例公开一种脉冲强磁场下的电容测量装置。
参照图1-5，一种脉冲强磁场下的电容测量装置，通过在脉冲强磁场下测量电容的变化实现磁致伸缩测量，包括壳体1、电容部件2、温控部件3、磁场部件4和数据处理部件5。
本实施例中，壳体1的外壁开设有测试槽11，该装置对待测样品进行检测前，先将待测样品和电容部件2安装于壳体1上的测试槽11中，具体的，电容部件2包括固定电容极板21、活动电容极板22和调节件23，固定电容极板21设置于壳体1上并且待测样品位于固定电容极板21和壳体1之间，固定电容极板21和活动电容极板22均与壳体1位于同一轴线上，待测样品的一侧通过粘接方式固定连接于测试槽11的内壁上，固定电容极板21通过粘接方式固定连接于待测样品上，活动电容极板22活动连接于壳体1上且与固定电容极板21相平行，调节件23用于驱动活动电容极板22靠近或远离固定电容极板21，从而改变活动电容极板22和固定电容极板21之间的距离，测试槽11固定电容极板21和活动电容极板22起到一定的保护效果，且固定电容极板21和活动电容极板22在测试槽11内运动时更加稳定；为驱动活动电动机板移动，具体的，调节件23为螺杆，壳体1的一端沿轴线方向开设有螺孔12，螺孔12与测试槽11连通，螺杆贯穿螺孔12延伸至测试槽11的内部并且与螺孔12螺纹连接，活动电容极板22位于测试槽11内且通过粘接同轴固定连接于螺杆上，通过转动螺杆调节其在螺孔12中的位置，从而能够带动活动电容极板22运动，便于调节活动电容极板22的位置，从而完成待测样品、固定电容极板21和活动电容极板22的安装，且调节好固定电容极板21和活动电容极板22之间的距离。
本实施例中，固定电容极板21和活动电容极板22结构相同且表面均通过镀有金属层24，固定电容极板21和活动电容极板22相互靠近一侧的金属层24上均设有缝隙241，镀膜使固定电容极板21和活动电容极板22上的金属部分尽量薄，从而涡流减小，脉冲强磁场的变化速率很快，变化的磁场在金属表面会产生螺旋状的感应电流，设置缝隙241从而减小涡流导致的发热。
为便于使待测样品处于合适的环境中进行测试，采用温控部件3使待测样品的测试环境升温或降温，本实施例中，温控部件3包括液氦恒温器31、电热丝32、温度计33和温控仪34，温控仪34与电热丝32、温度计33连接，温控仪34通过控制电热丝32调节对待测样品的加热温度，同时对温度计33和电热丝32进行PID反馈控制，控制待测样品所在环境的温度，电热丝32设置于壳体1上，具体的，壳体1上两端的外周壁均开设有第二环形槽14，电热丝32对称绕设于两个第二环形槽14中，壳体1上还开设有用于安装温控仪34和温度计33的凹槽，电热丝32稳定设置于两个第二环形槽14中，且在壳体1上设置的范围较大，从而使得待测样品的环境温度变化更加均匀，其中，在待测样品检测时，将壳体1设于液氦恒温器31的真空腔内并向真空腔内导入液氦，使真空腔内处于低温环境中，通过电热丝32的启动和关闭进行温度的相对变化。
为便于将壳体1整体放入液氦恒温器31的真空腔内，壳体1上开设有同轴设置的安装槽15，安装槽15内可拆卸连接有支撑管16，支撑管16的内部为中空结构，以便于壳体1上连接的线路通入外部，能够从外部向壳体1提供电能，且支撑管16上固定连接有封堵盖以便于对液氦恒温器31的开口进行封堵，保证其内部环境稳定。
为使待测样品在强磁场环境下进行检测，磁场部件4包括脉冲磁体43，脉冲磁体43设置于液氦恒温器31的内且环绕真空腔设置，通过脉冲磁体43提供最高至60T的强磁场，脉冲磁体43固定安装于液氦恒温器31的内且对称布设于真空腔的两侧；磁场部件4包括探测线圈41和测量仪42，探测线圈41和测量仪42连接，壳体1外壁靠近测试槽11的位置开设有第一环形槽13，探测线圈41绕设于第一环形槽13中，探测线圈41绕设于壳体1的外部，通过测量仪42能够实时检测磁场的变化，进而能够测量出磁场变化和磁性材料的形变关系。
本实施例中，数据处理部件5包括用于测量固定电容极板21和活动电容极板22之间电容变化的电容桥51，所述电容桥51与固定电容极板21、活动电容极板22连接。
本发明还公开一种脉冲强磁场下的电容测量方法。
一种脉冲强磁场下的电容测量方法，包括如下步骤：
S1：将待测样品固定连接于固定电容极板21和壳体1之间；具体的，将待测样品通过粘接固定连接于测试槽11的一侧内壁上，再将固定电容极板21通过粘接固定连接于待测样品上；
S2：调节活动电容极板22的位置，改变固定电容极板21和活动电容极板22的距离；具体的，将活动电容极板22通过粘接同轴固定连接于螺杆上，通过转动螺杆调节固定电容极板21和活动电容极板22之间的距离
S3：通过温控部件3调节待测样品的测试环境温度；
S4：通过磁场部件4为待测样品提供磁场并进行监测磁场强度的变化；
S5：电容桥51测量固定电容极板21和活动电容极板22的电容变化，从而测量出待测样品的磁致伸缩变化；具体的，将固定电容极板21和活动电容极板22分别与电容桥51连接，使得固定电容极板21和活动电容极板22形成通路，磁场发生变化后，磁性材料发生形变，电容桥51根据电压的变化测得固定电容极板21和活动电容极板22之间的电容变化，进而测量出待测样品的磁致伸缩变化。
以下公开一种脉冲强磁场下的电容测量方法来测量金属镍的磁致伸缩实施例，参照图6-7。
(1)将厚度为1mm的金属镍样品通过粘接的方式固定安装到壳体1和固定电容极板21之间，使壳体1、金属镍样品和固定电容极板21的位置相对固定，活动电容极板22和固定电容极板21金属部分面积为22mm2；
(2)调节螺杆，使得活动电容极板22和固定电容极板21之间的距离为10μm；
(3)通过温控仪34控制测量温度为4.2K；
(4)通过脉冲磁体43为样品提供0-1.5T的脉冲磁场；
(5)通过电容桥51测量固定电容极板21和活动电容极板22的电容变化，从而测量出待测样品的磁致伸缩变化。
以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种脉冲强磁场下的电容测量装置，其特征在于，包括壳体(1)，
电容部件(2)，所述电容部件(2)包括固定电容极板(21)、活动电容极板(22)和调节件(23)，所述固定电容极板(21)设置于壳体(1)上并且待测样品位于固定电容极板(21)和壳体(1)之间，所述活动电容极板(22)活动连接于壳体(1)上且与所述固定电容极板(21)相平行，所述调节件(23)用于驱动活动电容极板(22)靠近或远离固定电容极板(21)；
温控部件(3)，用于使待测样品的测试环境升温或降温；
磁场部件(4)，用于为待测样品提供强磁场并进行监测磁场强度的变化；
数据处理部件(5)，所述数据处理部件(5)包括用于测量固定电容极板(21)和活动电容极板(22)之间电容变化的电容桥(51)，所述电容桥(51)与所述固定电容极板(21)、活动电容极板(22)连接。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲强磁场下的电容测量装置，其特征在于，所述壳体(1)的外壁开设有测试槽(11)，所述固定电容极板(21)和活动电容极板(22)均设于所述测试槽(11)内且与壳体(1)位于同一轴线上，待测样品固定连接于所述固定电容极板(21)和测试槽(11)的内壁之间。
3.根据权利要求2所述的一种脉冲强磁场下的电容测量装置，其特征在于，所述调节件(23)为螺杆，所述壳体(1)的一端沿轴线方向开设有螺孔(12)，所述螺孔(12)与所述测试槽(11)连通，所述螺杆贯穿螺孔(12)并且与螺孔(12)螺纹连接，所述活动电容极板(22)与所述螺杆同轴固定连接。
4.根据权利要求2所述的一种脉冲强磁场下的电容测量装置，其特征在于，所述磁场部件(4)包括探测线圈(41)和测量仪(42)，所述探测线圈(41)和测量仪(42)连接，所述壳体(1)外壁靠近所述测试槽(11)的位置开设有第一环形槽(13)，所述探测线圈(41)绕设于第一环形槽(13)中。
5.根据权利要求1所述的一种脉冲强磁场下的电容测量装置，其特征在于，所述温控部件(3)包括液氦恒温器(31)、电热丝(32)、温度计(33)和温控仪(34)，所述温控仪(34)与电热丝(32)、温度计(33)连接，其中，所述壳体(1)设于所述液氦恒温器(31)的真空腔内并向真空腔内导入液氦；所述电热丝(32)设置于所述壳体(1)上，所述温控仪(34)通过控制电热丝(32)调节对待测样品的加热温度，同时对温度计(33)和电热丝(32)进行PID反馈控制，控制待测样品所在环境的温度。
6.根据权利要求5所述的一种脉冲强磁场下的电容测量装置，其特征在于，所述壳体(1)两端的外周壁均开设有第二环形槽(14)，所述电热丝(32)对称绕设于两个第二环形槽(14)中。
7.根据权利要求1所述的一种脉冲强磁场下的电容测量装置，其特征在于，所述固定电容极板(21)和活动电容极板(22)结构相同且表面均设有金属层(24)，所述固定电容极板(21)和活动电容极板(22)相互靠近一侧的金属层(24)上均设有缝隙(241)。
8.根据权利要求5所述的一种脉冲强磁场下的电容测量装置，其特征在于，所述磁场部件(4)还包括脉冲磁体(43)，所述脉冲磁体(43)设置于所述液氦恒温器(31)的内且对称布设于真空腔的两侧。
9.根据权利要求1所述的一种脉冲强磁场下的电容测量装置，其特征在于，所述壳体(1)上开设有同轴设置的安装槽(15)，所述安装槽(15)内可拆卸连接有支撑管(16)。
10.一种脉冲强磁场下的电容测量方法，采用如权利要求1-9所述的电容测量装置进行，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将待测样品固定连接于固定电容极板(21)和壳体(1)之间；
S2：调节活动电容极板(22)的位置，改变固定电容极板(21)和活动电容极板(22)的距离；
S3：通过温控部件(3)调节待测样品的测试环境温度；
S4：通过磁场部件(4)为待测样品提供磁场并进行监测磁场强度的变化；
S5：电容桥(51)测量固定电容极板(21)和活动电容极板(22)的电容变化，从而测量出待测样品的磁致伸缩变化。
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