《电气测试技术 教学课件 ppt 作者 陈荣保 第06章 磁学量测试技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电气测试技术 教学课件 ppt 作者 陈荣保 第06章 磁学量测试技术（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第6章磁学量测试技术 6.1 基本概念 6.1.1 概述 6.1.2 术语、定义 6.1.3 测量对象和测量方法 6.2 空间磁场测量 6.2.1 磁感应法 6.2.2 霍尔效应法 6.2.3 磁通门法 6.2.4 其他磁测量法 6.3磁性材料测量 6.3.1 磁性材料测量的意义 6.3.2 磁性材料特性及其测量特点 6.3.3 退磁 6.3.4 磁性材料静态特性测量 6.3.5 磁性材料动态特性测量 6.3.6 磁性材料特性测量电路的发展 习题,第6章 磁学量测试技术,6.1 基本概念,图6-1 磁性产生机理,电子的自转方向总共有上下两种。在一些物质中，具有向上自转和向下自转的电子数目一样多
2、，如图6-1（a）所示,只有少数物质（如铁、钴、镍），它们的原子内部电子在不同自转方向上的数量不一样，这样，在自转相反的电子磁极互相抵消以后，还剩余一部分电子的磁矩没有被抵消，如图6-1（b）所示,6.1.1 概述,6.1.2 术语、定义,1）磁场：电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。,对于电场，磁场只对移动中的电荷q施加作用力F，而且作用力的方向垂直于磁场本身B和电荷速度v。此作用力称为洛伦兹力，以方程表示为,式中，F为作用力，单位为N；q为电荷量，单位为C；v为电荷q的速度，单位为m/s。 另外一种对于磁场的定义是由处于磁场的磁偶极子所感受到的力矩给出，以方程表
3、示为,式中，,外力矩，单位外Nm；,外磁偶极子的磁偶极矩，单位外m2A。,2）磁现象的电本质：所有磁现象都可归结为运动电荷之间通过磁场而发生的相互作用。,3）磁力线：为了描述磁场的强弱与方向，人们想象在磁场中画出的一组有方向的曲线。,4）磁感应强度B：在磁场中垂直于磁场方向的通电导线受到的磁场力F跟电流I和导线长度l的乘积（Il）的比值，叫做通电导线所在处的磁感应强度。,5）磁场强度H：用来衡量磁场强弱的物理量。磁场强度的定义是，在任何磁介质（在外磁场中因呈现磁化而能加强或减弱磁场的物质称为磁介质）中，磁场中某点的磁感应强度B和同一点上的磁导率的比值，为该点的磁场强度，用符号H表示。,磁感应强
4、度B和磁场强度H的关系为,（6-3）,式中，0为磁常数；M为磁化强度。在自由空间（又称为自由空间真空或经典真空）里，磁化强度为零，则,对于磁性或可磁化的线性物质，M与B成正比，则,（6-5）,6）基本磁化曲线：铁磁体的磁滞回线的形状与磁感应强度B（或磁场强度H）的最大值有关，在画磁滞回线时，如果对磁感应强度B（或磁场强度H）最大值取不同的数值，就得到一系列的磁滞回线，连接这些回线顶点的曲线称为基本磁化曲线。,7）磁滞：铁磁体在反复磁化的过程中，它的磁感应强度B的变化总是滞后于它的磁场强度H的变化，这种现象称为磁滞,8）磁滞回线：在磁场中，铁磁体的磁感应强度B与磁场强度H的关系可用曲线来表示，当
5、磁化磁场作周期变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线称为磁滞回线。,图6-5（a）所示为不同铁磁体材料的磁滞回线，图6-5（b）所示为铁磁体刚开始磁化的磁化曲线和磁滞回线，图6-5（c）所示为同一铁磁体在不同H-B强度下的磁滞回线。,图6-6 磁导率变化曲线,9）磁滞损耗：放在交变磁场中的铁磁体，因磁滞现象而产生一些功率损耗，从而使铁磁体发热，这种损耗称为磁滞损耗。,10）磁通量：穿过某一面积S磁力线的条数，它是标量。 磁通量与磁感应强度的关系为,11）电磁场：电磁场是由内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称。随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁场产生电
6、场，两者互为因果，形成电磁场。,12）安培力：通电导线在磁场中受到的作用力，也就是磁场对电流的作用力。设电流为I、长为L的直导线，在匀强磁场B中受到的安培力大小为,对于任意形状的电流受非匀强磁场的作用力，可把电流分解为许多段电流元IL，每段电流元处的磁场B可看成匀强磁场，每段安培力为,（6-8）,13）洛伦兹力：运动电荷在磁场中所受到的力称为洛伦兹力，即磁场对运动电荷的作用力。,14）磁畴与磁畴壁：磁畴是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同，如图6-7所示。,图6-7 磁畴与磁畴壁,15）
7、磁阻：与电阻的含义相仿，磁阻是表示磁路对磁通所起的阻碍作用，以符号Rm表示，单位为1/H。,16）居里温度：对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。,图6-8 磁导率与温度曲线,17）磁矩：描述载流线圈或微观粒子磁性的物理量。,表6-1 磁学量及其单位表,6.1.3 测量对象和测量方法,磁性材料及其分类,1）金属磁性材料主要是铁、镍、钴元素及其合金,2）铁氧体是指以氧化铁为主要成分的磁性氧化物,按照化学成分分类有金属磁性材料和铁氧体磁性材料,磁性材料按照应用分类主要有以下6类,1）永磁材料又称硬磁材料 2）软磁材料 3）矩磁材料 4）旋磁材料 5）压磁材料 6）磁记录材料,空间磁
8、场及其分类 1）恒定磁场 2）交变磁场 3）脉动磁场 4）脉冲磁场,空间磁场按照空间区域还可以分成地磁场、人体磁场和宇宙磁场等。,测量方法 磁学量测量主要按照测量原理分类，可分为以下几种。 1）力和力矩法 2）电磁感应法 3）霍尔效应法 4）磁阻效应法 5）磁共振法 6）超导效应法 7）磁通门法 8）磁光法,表6-3 不同磁场类型的测量技术和测量应用范围,测量仪表,一类是利用磁场及其磁场特性进行电学量和磁学量的测量,一类是测量仪表的信号输出直接源于对象磁场的变化,6.2 空间磁场测量,6.2.1 磁感应法,根据法拉第电磁感应定律可知，当线圈所交链的磁通,发生变化时，线圈中将产生感应电动势e，感
9、应电动势的大小与线圈内磁通链的变化率成正比，如图6-10所示。,图6-10 磁感应法测磁通,在e的参考方向与,的参考方向符合右手螺旋定则的条件下，电磁感应定律表示为,（6-9）,将式（6-9）对时间积分得,（6-10）,式中，N为线圈的匝数；S为线圈的截面积；,为单匝线圈内磁通的变化量，它与被测磁场有关。,6.2.2 霍尔效应法,原理简介 霍尔元件的工作原理如图6-11所示。,图6-11 霍尔效应原理图,当两力相等时，电子的积累达到动态平衡，这时在元件两端面之间建立的电场称为霍尔电场，相应的电压UH称为霍尔电压，可以导出：,（6-11）,式中，RH为霍尔常数，其大小取决于导体载流子密度；KH为
10、霍尔片的灵敏度，KH =RH/d。,霍尔电压一般在毫伏级，在实际使用时必须加差分放大器，并分为线性测量和开关状态两种使用方式，测量电路如图6-12所示。,霍尔元件的特性参数 其主要特性参数如下： 1）额定激励电流I。 2）输入电阻。 3）输出电阻。 4）乘积灵敏度KH。 5）不等位电动势UH与不等位电阻R0。,图6-13 霍尔元件不等位电动势,一般要求U0lmV，必要时应予以补偿。补偿的基本思想是把霍尔元件等效为一个四臂电桥，4个桥臂电桥电阻就是4个电极分布电阻，如图6-14所示。,图6-14 霍尔元件等效电路,不等位电动势相当于电桥的不平衡输出，因而一切可使电桥平衡的方法均可作为不等位电动势
11、的补偿措施，如图6-15所示。,图6-15 霍尔元件不等位电动势补偿电路,6）霍尔元件的温度特性及其补偿方法。,恒流源供电和输入回路并联电阻。,在温度补偿电路（见图6-16）中，设初始温度为T0，霍尔元件输入电阻为Ri0，灵敏系数为KH0，分流电阻为Rt，则霍尔电流为,图6-16 恒流源供电与输入回路并联电阻,（6-12）,（6-13）,（6-14）,式中，为霍尔元件输入电阻温度系数；为分流电阻温度系数。,（6-16）,（6-15）,当温度升至T时，电路中各参数变为补偿电路必须满足温升前后霍尔电动势不变，即UH0UH，而：,（6-17）,（6-18）,将,的表达式代入式（6-17）和式（6-1
12、8）,，经整理并略去,高次项后得,（6-19）,采用恒压源供电和输入回路串联电阻。,图6-17 恒压源供电与输入回路串联电阻,合理选取负载电阻RL的阻值。,已知霍尔元件的输出电阻RO和霍尔电压UH是温度的函数，即,（6-20）,式中，R、UH0分别为0时霍尔元件的输出电阻和霍尔电压；b为霍尔元件的电阻温度系数。,负载电阻,上的电压为,（6-21）,为使,不随温度变化，应使,对T导数为零，得到,（6-22）,采用热敏温度补偿元件。,霍尔元件的选用 霍尔元件的选用需要注意以下几个问题： 1）元件的选择。 2）正确的接法。,第一，输入和输出不能共地； 第二，为了获得较大的霍尔电压，可将几块霍尔元件的
13、输出端串联起来，这时控制电流端应该并联起来； 第三，当控制电流为交流或被测磁场为交变磁场时,3）测量方向未知的磁场时，若霍尔元件平面与磁场的方向线成,角斜交，则霍尔电动势应为，UHKH IBcos通过旋转霍尔元件使输出达到最大值，从而确定出磁场方向。 4）测量诸如地磁场等这样的微弱磁场时，常采用磁场集中器（高磁导率材料制成的圆棒或圆锥体），以增强磁场。,磁阻效应法,原理简介,磁阻效应可表示为,（6-23）,式中，B为磁感应强度；为材料在磁感应强度为B时的电阻率；0为材料在磁感应强度为0时的电阻率；为载流子迁移率。,磁阻元件（MR）及其应用,为了方便使用，常用的磁阻元件在半导体内部已经制成了半桥
14、或全桥，以及有单轴、双轴、三轴等多种形式。,图6-21 HMCl001单轴磁阻传感器的结构示意图,6.2.3 磁通门法,磁通门磁强计的基本原理,磁通门磁强计种类很多（见表6-3所示），无论其传感器、励磁电源或是检测电路都是多种多样的，但工作原理都是基于磁调制器。,磁通门磁强计主要由磁通门传感器（如图6-23所示）、测量电路、数据采集处理单元等组成。,图6-23 磁通门传感器原理图,磁通门传感器由铁心外绕励磁线圈、感应线圈组成。铁心起聚磁作用，要求磁导率高、矫顽力小，在如图6-24（a）、（b）所示两种材料中，图6-24（a）是较合适的。,励磁线圈加交变励磁电流。为提高测量精度而需要差分信号输出
15、，采用双铁心传感器，现在一般采用跑道形结构（如图6-25所示）。,图6-25 磁通门传感器双跑道型铁心材料结构,由图6-25所示的结构，设励磁电流在铁心中产生磁场，其强度H1在两根铁心中是完全相等，但方向相反的，当存在外磁场H0时，两根铁心分别处在磁场(H0-H1)和(H0+H1)作用下，假定这两根铁心的磁特性是相同的，则磁场在铁心中产生的磁感应强度分别为,（6-24）,（6-25）,式中，f表示磁场强度与磁感应强度之间的函数关系。 这时测量线圈中的感应电动势为,（6-26）,式中，S为铁心横截面积；N2为测量线圈的匝数；t为时间。 对图6-25所示的铁心磁特性，磁场强度与磁感应强度之间的函数
16、关系可表示为,（6-27）,式中的a、b为与铁心形状和材料有关的常数。将式（6-24）和式（6-25）中的对应函数关系式用式（6-27）表示，则有,（6-28）,式（6-28）等号右侧第一、二项为常数因而不能在测量线圈两端产生感应电动势，第三项为交流磁场与固定磁场乘积因而可形成感应电动势：,（6-29）,当励磁线圈接上正弦激励电压时，则通过励磁线圈的电流产生的激励磁场为,（6-30）,将式（6-30）代入式（6-29）得到,（6-31）,磁通门测量电路,图6-26所示为常用的倍频参考检相式磁强计原理框图。,图6-26 常用倍频参考检相式磁强计原理框图,介绍一种在实际应用中取得良好效果的测量电路（如图6-27和图6-28所示）。,图6-27 励磁电路,图6-28 二次谐波测量电路,磁通门测量技术的特点 1）具有极好的矢量响应性能，能精确测量磁场矢量、标量、分量、梯度和角参数。 2）可以实现点磁测量。 3）有较高的测量分辨率，能方便地达到10
