电气测量技术-第9章综述

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1、第九章 磁测量 电气测量技术 1 9.1 概述 第九章：磁测量 2 磁测量的任务 磁测量的任务可归纳为三类 对磁场和磁性材料的测量 分析物质的磁结构,观察物质在磁场中的各种效应. 在边缘学科领域中,利用磁场与其他物理量的关系,通过测 量磁性来测出其他量. 基本的磁量：磁通、磁感应强度B、磁场强度H、 磁化强度M、磁矩m 3 磁量具 磁量具分类： 磁通量具：坎贝尔互感器 磁感应强度量具：永久磁铁和通电线圈 磁矩量具：椭球形永久磁铁或通电流螺线管 磁场的产生：永磁铁、通电线圈 4 9.2 基本磁规律和磁单位 第九章：磁测量 5 磁感应强度B 磁场中长度l，电流I，与磁场 方向垂直的直导体所受力F与

2、 磁感应强度B的关系为： 国际单位制，特斯拉 电磁单位制，高斯 右手螺旋准则：电流方向和产生的磁场方向之间符合 磁感应强度向量，取决于产生磁场的载流 导体中电流的大小、载流导体的形状和尺 寸及磁场所在空间媒质的性质 磁感应强度单位： 6 磁场强度H 磁场强度：与磁感应强度B的关系为： 一个辅助量。 磁导率：表征磁场中媒质的导磁性能 磁导率的单位 真空的磁导率 国际单位制，安培/米 电磁单位制，奥斯特 7 磁通 磁通：穿过某截面S的磁感应强度向量B的通量 磁通的单位 磁力线，可以让磁场分布更形象 磁力线上切线方向即为该点磁场方向。磁力线不相交 与磁力线垂直单位面积上的磁力线数目与磁感应强度成正比

3、。 均匀磁场：各点磁感应强度相等、方向相同 磁力线为均匀分布的平行直线 面积元法线与磁感 应向量间的夹角 国际单位制，韦伯 电磁单位制，麦克斯韦 8 安培环路定律 真空磁场中的形式 在真空的磁场中，沿任一闭合路径磁感应强度向量的线积 分值，等于穿过该闭合路径电流的代数和与真空磁导率 的乘积 存在导磁煤质时 又 所以 在磁场中，沿任一闭合回路磁场强度向量的线积分值，等 于穿过该闭合路径电流的代数和 在两种不同煤质的分界面上，磁场强度的切线分量 上是连续的 9 磁通连续性原理 穿过任意闭合面的磁通代数和恒等于零 ds方向是闭合面的外法线方向 穿过闭合面的磁通为负 穿出闭合面的磁通为正 穿进与传出磁

4、通相等 磁力线是无头无尾的闭合曲线 两种不同媒质的分界面上，磁感应强度的法线分量 连续 10 电磁感应定律 当穿过线圈的磁通链发生变化时，线 圈中就产生感应电势 e的参考方向与磁通 符合右手螺旋定则 N为线圈的匝数 负号表明感应电势引起的电流总是企图 阻止线圈中磁通的变化，这一规律常称 为楞次定则 11 磁路 广义上讲，凡磁通通过的路径都称为磁路 工程，常把主磁通通过的路径，称为磁路 由铁磁材料和气隙构成的闭合路径 主磁通，磁力线经磁 轭，铁心，磁极，及 气隙闭合 漏磁通，磁力线穿 过磁轭经空气闭合 韦斯型电磁铁 由磁轭、带线圈 的铁心、磁极及 其隙组成 12 磁路定律（1） 无分支磁路 忽略

5、漏磁情况下，认为通过任何截面的 磁通相等 磁势 ， 磁阻 ，磁导 磁路欧姆定律 磁压 适用于磁路中具有相同截面的任何一段 13 磁路定律（2） 有分支磁路 磁路的基尔霍夫第一定律：穿过闭 合面的磁通代数和为零 穿出闭合面的磁通取正，反之取负 在磁路中不同的截面处的B不一定相 同，不同的材料的磁导率不同，因 此各段磁路的磁场强度H有所不同 根据H值对磁路分段 磁路的基尔霍夫第二定律 H与L方向一致取正，反之取负 I与L符合右手螺旋定则，则NI取正 ，反之取负 14 磁单位（1） 15 磁单位（2） 16 9.3 物质的磁性及分类 第九章：磁测量 17 物质按磁性分类 物质的磁性能由分子电流产生

6、轨道磁矩：电子环绕原子核作轨道运动，产生的磁矩 自旋磁矩：电子围绕自身固有轴旋转，产生的磁矩 一般物质对外的宏观磁特性是中性的 处于外磁场时，要被外磁场磁化，表现出宏观磁特性 物质按磁性能分类 顺磁物质： 略大于 反磁物质： 略小于 铁磁物质： 相对磁导率（无量纲） 在工程上常把铁磁物质称为磁性材料或强磁物质，把顺磁物 质与反磁物质称为非磁性材料或弱磁性物质 18 铁磁物质的磁化（1） 磁畴：没有外磁场的情况下，铁磁物质的自旋磁矩，可以在 小范围内自发排列形成一个磁化区 磁畴是一个强大的内部磁场 对外宏观上仍为中性 外磁场作用下，磁畴排列朝向外磁场方向旋转，大大加大外 磁场，使铁磁物质体现磁性

7、。 磁畴由无序排列变为有序排列 19 铁磁物质的磁化（2） 铁磁物质的磁状态，一般用B -H曲线表征 实验电路 把待测磁性材料做成闭合环状 在环上均匀密绕磁化曲线圈N1 ，通过测量磁化线圈中的电流I ，可以算出磁场强度H 在环上还绕有测试线圈N2，线 圈N2接到冲击电流计。 当切断线圈N1中的电流I时，在 线圈N2中要产生感应电势，可 测出铁芯中的磁感应强度B 20 原始磁化曲线（1） 实验前，对试样进行去磁，使试样中的H和B都为零 磁中性状态， 从中性状态开始，逐渐增加电流I使H增加，同时测量对应与 不同H下的磁感应强度B，然后逐点绘制出B-H曲线 起始磁导率： 最大磁导率： 微分磁导率：

8、21 原始磁化曲线（2） Oa段，起始磁化段 各磁畴略有偏转，B开始上升 ab段，线性段 磁畴翻转，B值迅速增大 bc段，膝部段 磁畴排列更有序，B增加变缓 C点以后，饱和段 磁畴无法更有序，B值不再增 加 22 磁滞回线 如果从磁化曲线上点m开始减小H值，这 时的B-H关系并不是按原曲线m-b-a-o退 回，而是沿着在它上面的另一曲线m-r变 化 当H=0时，B并不为零，而等于 即铁磁 物质仍保留一定的磁性， 称为剩磁 为了消除剩磁，必须加反向磁场，即使磁 化电流I反向，当反向磁场 时 B=0 称为矫顽力 从剩磁状态到完全退磁状态的一段曲线r- c称为退磁曲线 铁磁物质在m点与 点之间，要经

9、过反复 十多次正、反向的磁化这一过程称为 磁锻炼，才能获得一条稳定的对称于原点 的闭合曲线，它称为铁磁物质的磁滞回线 23 磁滞回线 局部磁滞回线 如果铁磁物质在磁化过程中， 磁场强度由H减小到 后， 又从 增加到H，如此不 断反复变化，则铁磁物质将工 作在一条小回线上，这种小回 线称为局部磁滞回线。 24 基本磁化曲线 磁滞回线的形状与最大磁场 强度Hm的值有关 用不同强度的磁场进行反复 磁化，可获得一系列大小不 等的磁滞回线，将各条磁滞 回线的正顶点连成的曲线称 为铁磁物质的基本磁化曲线 ，通常简称磁化曲线 对每种铁磁物质来说，这条 曲线是完全确定的，它与原 始磁化曲线相差很小 25 退磁

10、 外磁场在正、负之间 反复变化，同时幅值逐渐 减小，最后减到0，即完 成了铁磁材料的退磁过程 26 铁磁物质的分类 按用途基本上分三大类： 软磁材料： 如电工钢片(硅钢片)、铁镍 合金、铁金氧磁体等， 常用来做电机、变压器、 继电器的铁芯 硬磁材料： 如钨钢、钴钢等， 可用来做永久磁钢 矩磁材料： 如电子计算机存储器中的 磁芯 27 9.4 磁场的基本测量方法 第九章：磁测量 28 冲击法（1） 冲击法：利用冲击电流计测量磁场的 方法 测量直流磁场的经典方法 测量磁场的变化量 原理 将测量线圈N放在被测直流磁场中 冲击电流计接至测量线圈两端 测量回路总电阻测量回路总电感 29 上式两边同时对时

11、间积分： t0为磁通变化持续时间， 考虑到： 式中Q为冲击检流计总电量 流计特性:第一次最大偏转与电流计电量成正比 带入上式，得： 冲击法（2） 30 冲击法（3） 问题1：测量的磁场强度还是磁感应强度？ 问题2：误差来源？ 31 磁通表法 与冲击法类似 用磁通计取代检流计 测量线圈中磁通发生变化时， 感应出电势e，在测量回路中 产生电流I，有 结合运动方程推出 磁通表的磁链常数 是一个与回 路电阻有关的常数 磁通计内阻 外电路等效电阻 回路电感 磁通计线圈 前后偏转量 32 霍尔效应法(1) 基本原理 将一块金属导体或半导体薄片放在磁场中， 沿垂直于磁场的方向通以电流I， 运动着的电子在磁场

12、中将受到洛伦兹力的作用，而使电子 偏向薄片的x面， 在x、y两个面间形成一个电压UH， 这个效应称为霍尔效应，电压UH叫霍尔电压 霍尔系数 与材料性质有关 薄片的形状系数 33 霍尔效应法(2) 在良导体中，霍尔电压较低，难以利用 电流的电子运动速度快 半导体霍尔效应强烈，推动了霍尔效应在磁测量中的应用 应采用什么样的电流？ 首先，电流应保持恒定 最好输出交变的电压（易于放大处理） 测量恒定磁场时，应采用恒流交流电源 测量交变磁场时，应采用直流恒流源 交变霍尔电压随时间的变化分别与交流电源或交变磁场同频率 测量范围很宽：810-27107A/m 测量精度一般为：1%5% 采取减小误差措施后，可

13、以提高到0.1% 34 霍尔效应法(3) 误差来源 温度误差：霍尔系数RH随温度变化带来的误差较大, 可采用恒温装置或其他温度补偿办法 ； 不等电位差：霍尔电压引出电极位置不对称引起误差。对应外磁场为 零时，霍尔电压的输出量； 电阻率误差：霍尔材料的电 阻随温度和磁场的变化而变 化，通过探头内阻和输出电 阻变化影响输出电压 通过恒流源克服内阻变化 的影响 通过在输出端接入温度补 偿电阻或提高放大器输入 阻抗克服输出电阻影响 35 9.5 静态磁特性的测量 第九章：磁测量 36 静态磁特性 静态磁特性：使用直流磁场磁化测得的磁性材料磁 特性 类似于测量系统的静态特性 基本的静态磁特性 基本磁化曲

14、线 磁滞回线 剩磁Br 矫顽力H 等 37 磁性材料试样的准备 磁性材料应尽量在均匀磁化状态下测试 样品各截面上的磁感应强度相等 环形： 要求：d+a10b 棒形： 磁导计的截面比样品大许多倍 磁导计由高磁导率材料制成近似认为 磁压全部落在棒形样品上 磁导计 棒形样品 测试线圈 38 样品的退磁（1） 测量前必须退磁，消除磁化历史对测量的影响 铁磁材料的磁化状态不仅与当时所加磁场有关，还与磁化的历史有关 热退磁 将样品加热到材料居里点以上，在无外加磁场条件下，缓慢冷却至室温 优点是退磁完全，而且能消除应力的作用， 但操作手续麻烦，且可能导致样品晶粒结构的变化， 在实际测量中，经常使用的是交流退

15、磁的方法。 交流退磁 方法1：调节自耦变压器T，从最大磁 化电流I逐渐减小至零，样品中磁场 强度按退磁过程逐渐减小到零 方法2：磁化电流固定不调，将样品 从螺线管中取出，慢慢远离螺线管 二者退磁效果相同 39 样品的退磁（2） 超低频（直流）退磁 用交变磁场退磁时，由于集肤效应的存在，只能退去样品 靠近表面层的剩磁。 如果样品在整个截面上有剩磁存在时，则需用直流超低频 换向方法，其退磁电流曲线下图所示 40 用冲击法测量基本磁化曲线和磁滞回线 原理电路由测量电路、磁化电路、测定冲击常数 电路和退 磁电路等四部分组成 磁化线圈 测量线圈 调整灵敏度 改变磁化电流大小，测量磁滞回线 41 基本磁化曲线的测量（1） 基本磁化曲线：一系列不同Hm值下磁滞回线 顶点的轨迹 测量步骤1：测定一个Hm与Bm点 根据待测Hm值，确定磁化电流I。 K1合向AC，用自耦变压器T对样品退磁 磁锻炼：利用开关K2对样品加正向电流、 反向电流。重复十几次。使样品的磁特性 逐渐形成一个闭合曲线。 待磁特性稳定后，再测量Hm和Bm 42 基本磁化曲线的测量（2） 测量步骤1：测定一个Hm与Bm点（续） 开始正式测量：开关K2使样品中的磁场强 度处于Hm（即磁化电流为I） 切断磁化