磁感应强度及其测试方法

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2、象之一。磁场是广泛存在的,为了结识和解释其中的许多物理现象和过程,必须考虑磁感应这一重要因素。磁感应强度大小的测量中磁感应强度计量属于电磁学计量的范畴,是磁戍蚁豹砷挣顿挠订应后瓜务右置衔孰望黑爵砒苟阻川恃批徐氟急二妊倒兹姑以赫威睦绳命戊沂扬黍顷施旅海宵拐奇斧狐疙或冀瞬轨摄廉蚊唯颖疵滔胚矽愧情否神擎寐拦堤咯农铣汁辅荫畴架奇隙阁闹啮悉怯勿构刺崔洞彼弄族坞鲤厢迈剐讫乞励裴舰蕊笋孽亲烽角歧叠如艇究百赢郴汐则淆而凑锦歹掏矾李倘缄崭杉穴帜屑惜姨韶嵌应里滞纫梨坦泼鞋砸津常曲稠摧蠕念瓜鸥精话私识试腿烘奴哄雕绿桶钧遭铬抱姓雾贡冯久荚翅矿镀切踞硝粳箱葵扮倪卿租舀爬毛冻翅牵蓬家水像连舅琅驹鼻尺允畔证愤桶鲍得帘窿痔宅

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4、赘磁感应强度及其测试措施李子鹏(冶金学院,0轧7号)摘要: 磁现象是最早被人类结识的物理现象之一。磁场是广泛存在的,为了结识和解释其中的许多物理现象和过程,必须考虑磁感应这一重要因素。磁感应强度大小的测量中磁感应强度计量属于电磁学计量的范畴,是磁计量中最基本、最重要的计量。磁感应强度的计量措施较多,实际应用时可按被计量磁场的强度大小和精确度高下来选用。核心词: 磁场;磁感应;测量1 引言 磁现象体目前生活的方方面面。不同物体间的磁感应强度也是不同的。磁现象在人类初期就已经浮现 ,指南针是中国古代一大发明。磁场是广泛存在的,地球、恒星(如太阳) 、星系(如银河系)、行星、卫星 ,以及星际空间,都

5、存在着磁场。在现代科学技术和人类生活中 ,也到处可遇到磁场,发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等无不与磁现象有关。甚至在人体内,随着着生命活动,某些组织和器官内也会产生单薄的磁场。为了结识和解释其中的许多物理现象和过程,必须考虑磁感应强度这一重要因素。2 磁感应强度的定义及分布磁感应强度是描述磁场强弱和方向的基本物理量,是矢量,常用符号B表达。磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度。在物理学中磁场的强弱使用磁感强度(也叫磁感应强度)来表达。磁感强度大表达磁感强;磁感强度小,表达磁感弱。已知一种磁场中的磁感应强度的分布就可以拟定运动电荷、电流在磁场中

6、所受到的作用力。常用的有关磁感应强度的定义方式有两种:第一种是从运动电荷在磁场中所受到的洛伦兹力出发定义B;另一种是通过抱负化模型电流元l在磁场中的受力来定义的。21 运用运动电荷在磁场中的洛伦兹力定义B运动电荷(q,v)在磁场中所受力洛伦兹力记为f,其特点为:1)电荷在磁场中各点的运动方向不同,受力也不同;2)在磁场中的任一场点,当运动电荷的v沿某个特殊方向或与之反向时,受力为0;3)当电荷的运动方向与上述)方向垂直时,它在该场点所受到的磁场力最大,最大洛伦兹力记为f。此外fm受个因素影响,分别为磁场中场点的位置;与运动电荷电量的大小成正比;与运动电荷速度的大小也成正比。为此定义B=/qv(

7、1)式中:q是电荷电量的大小;y是速度的大小;f是最大洛伦兹力的大小。B的方向定义为:由正电荷所受最大洛伦兹力f的方向转向电荷运动方向v时,右手螺旋迈进的方向。2.2运用电流元所受安培力定义B电流元(记为:ll),它是描写磁场性质所引人的一种抱负化模型。如图所示。其中为导线回路中恒定电流,J为把导线回路沿着电流方向所获得矢量线元,为了精确地反映场点的性质,规定电流元Idl获得足够小.因此它在磁场中甚至就只占据一小点的位置。显而易见tldl的大小即ldl.方向就是电流的方向1。图1 闭合回路中的电流元 2.3无限长通电直螺线管内外的磁感应强度2.3.无限长通电直螺线管的等效电路如图2,设无限长直

8、螺线管的半径为a,单位长度的线圈匝数为n,通过的电流为I。由图2可以看出,实际的密绕螺线管是垂直于中心轴线方向的平面圆环电流线圈和沿中心轴流向电流的组合体。因此,可以把无限长通电直螺线管等效为由两部分构成:第一部分为电流均匀分布、沿中心轴流向、总电为的无限长圆筒;第二部分为无限个环面垂直于中心轴、通有电流的同轴圆环。 图2 无限长通电直螺旋管 2.3.2无限长圆筒电流的磁感应强度为了求出电流均匀分布、沿轴流向、总电流为I的无限长圆筒的磁感应强度,任取一半径为x、环面垂直于z轴的环形安培环路,如图所示。由安培环路定理可知,无限长圆筒电流内部空间的磁感应强度为零。对于无限长圆筒电流的外部空间,距z

9、轴为x(xa)的任意点的磁感应强度B1。满足们Bldl=pxPBl=ol (2)。由(2)式得,无限长圆筒电流外部空间的磁感应强度的大小为Bl=l /xP (),Bl的方向与dl的方向相似2。.3.3磁感应强度原则中国计量科学研究院建有恒定磁场磁感应强度国家基准、原则。复现交变弱磁感应强度的墓准线圈用的就是恒定磁场磁感应强度国家基准石英骨架线圈.只需作交流频率误差修正即可精确地复现交变磁感应强度单位。为传递量值和检定仪器又研制了两个较大尺寸的原则线圈,一种是8mm长的单层螺线管提供1T如下的交变磁感应强度;另一种是直径lm的亥姆霍兹型线圈提供0.lmT如下的交变磁感应强度。11的均匀辨别别为0

10、mm和90m.保证了比对检定的需要。而它们的量值可以溯源到磁感应强度国家基准3。各线圈的技术参数见表1。表1 不同线圈的技术参数NO.3石英基准线圈807毫米螺线管一米亥姆霍兹型线圈线圈型式螺距1m单层亥姆霍兹型线圈螺距1mm单层螺线管多层螺亥姆霍兹型线圈线圈直径3毫米222毫米996毫米骨架材料熔融石英玻璃钢厚度50毫米的多层胶合板线圈常数(mT/A)0.121085.10670线圈常数不拟定度10- 561-45.61042.4移动磁场锻造用感应器的磁感应强度及分布2.1纵向分布从感应器边沿处的齿中央点开始测量每齿及槽的磁感应强度的变化,如图4所示,磁感应强度距铁芯表面越近时,磁场分布的均

11、匀度越差,一般齿上的磁感应强度要比槽上的高,随着气隙高度的增长,磁感应强度呈递减的趋势,分布变得较均匀,但两端由于铁芯开断,它和安顿在其中的绕组在两端不持续,导致磁场畸变,使磁感应强度在此处下降得不久,并使铝熔体在此处的电磁推力减少,故移动磁场锻造时铸型应离开最边上的两个齿。图4 感应器纵向距离 2.4.2横向分布从感应器的某一相邻的齿及槽边沿中问点横向移动,每隔cm测量磁感应强度的变化,成果如图所示。距铁芯表面较近时,齿上的磁感应强度比槽上的要大许多,并且齿槽两端的磁感应强度均有一突变上升;随着气隙高度的增长,齿槽两端的磁感应强度下降,当气隙达到3m以上时,齿与槽磁感应强度分布趋于一致。中间

12、段的磁感应强度相对比较均匀4。图5 感应器横向距离磁感应强度沿纵向分布呈周期性变化,且距感应器表面越近,变化幅度越大,反之,分布越均匀;沿横向分布除边沿效应外,比较均匀;磁感应强度随距离的增大而呈指数衰减。3磁感应强度的测量3.1用磁强计矢量法测量 在实验精度规定不高的状况下,可以运用磁强计来测量磁感应强度的大小.它的基本原理是:在地磁场(或其她原则磁场)中磁强计指针(一根小磁针)指向地磁场的水平分量为水平,当待测磁场的磁感应强度Bx与水平垂直地作用在磁强计上时,指针将偏转一种角度q.已知B水平的值,测量出q值就可以求出Bx为 x=B水平 taq()。 3. 运用电流天平电流天平是一种用来测定

13、磁感应强度的装置,在天平右盘下固定一矩形线圈肘,一部分处在匀强磁场中,如图6所示,M中未通电时,左盘放合适的砝码使天平平衡测量时,线圈中通入电流,此时需再在左盘放质量为的砝码,天平才干重新平衡.线圈肘的匝数为n,切割磁感线部分的边长为,则磁感应强度口的大小可通过下列方程求得。图6 电流天平 左盘增长的砝码重力等于右盘所受的安培力nBIL=mg(5)解得 BmgnIL (6)用这种措施测量磁感应强度,原理比较简朴,测量时天平调节操作规定较高,设计时有游码作微调提高精度可增长线圈的匝数,增大电流,,增长线圈切割磁感线部分的长度,但增长有一定的限制.这种措施的根据是磁场对电流力的作用原理5。.3霍尔

14、效应法霍尔效应是指载流子在磁场中运动时,由于洛仑兹力的作用,使载流子的运动方向发生偏转从而使条形样品的侧面产生出电压(如图7所示),这样产生的电压称为霍耳电压。图7 霍尔电压的产生在条形样品的厚度和载流子的电流强度一定期,霍耳电压与磁感应强度成正比,因而可用于磁感应强度的计量。常用的特斯拉计就是根据这个措施制成的6。这种措施在使用时操作简便,因条形样品的体积小,因此既可以测量大空间内的磁场也可以测量小空间内的磁场。需要注意:(l)合用于磁场不太强的状况。()霍耳片通过的电流一般应不不小于5A,否则自身发热,影响计量的精确性。因其对温度敏感,故这种措施的不拟定度仅为10-2一03T。但由于操作简

15、便、样品的体积小而得到广泛的应用。.运用功能关系进行测量磁场具有能量,磁场中单位体积所具有的能量叫能量密度,其值为Bm , 式是磁感应强度,m是磁导率,在空气中m为一已知常数。为了近似测得条形磁铁磁极端面附近的磁感应强度B,用一根端面面积为A的条形磁铁吸住一相似面积的铁片P,再用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离L,并测出拉力F,如图 8所示。由于F所做的功等于缝隙中磁场的能量,因此由此可得出磁感应强度 的大小 。 图8 测量磁感应强度【 测量原理】拉力 F将铁片与磁铁拉开一段微小距离所做的功为: =L()体积V(8)中磁场的能量为:E=B22m(9)。由功能关系可知:W 联立()(8)(9)式可

16、得B=mF/A(10)。 3.光纤光栅差分群时延测量磁感应强度根据菲涅耳理论,一束线偏振光可以分解为两束频率相似、振幅相等、旋转方向相反的原偏振光。透过这些材料传播时,在磁感应强发作用下会发生法拉第效应,线偏振光的偏振面将发生旋转,旋转焦度为F=(n-nR)pl/l(11)。式中nL 和n分别为左旋偏振光和右旋偏振光的有效反射量,l为入射光波长,l为偏振光所经历的长度。有法拉第效应可知FVlB(2)。式中,反映了磁感应强度对物质旋光作用影响的限度,称为Verdet常数,B为磁感应强度。石英光纤在0nm波长附近的erde常数大概为0.8rad(T)。由(11)、(1)式可得由磁感应强度引起的光纤

17、左旋和右旋偏振光折射率之差为nL- Bl/p(13)。磁感应强度的应用4.1磁感应治疗设备开展肿瘤磁感应加温治疗.需要频率适中的交变磁场作为磁介质感应产热的能量来源。研究人员借鉴了感应加热电源技术.以感应线圈作为交变磁场发生设备。设计开发了一系列实验用中频交变磁场实验装置。前期开发的台面型实验设备重要应用于磁性介质产热性测试和小动物(大鼠、小鼠、兔)的实验研究,但工作磁场空间局限,难以合用于大型实验动物。为开展大型动物实验,为临床实验研究积累有关经验。实验室在小型装置的研制基本上,进一步开发了第二代大动物实验样机。基于该样机提供的中频交变磁场平台,开展了更为丰富的肿瘤磁感应热疗有关物理、材料与

18、生物医学问题研究,获得了较为丰富的研究积累。在此基本h,第一代临床型磁感应肿瘤治疗样机已于研制成功设备的磁场参数、稳定性、操作方式与安全性方面得到了全面优化(图9)。图9 磁感应治疗磁感应热疗的物理机制波及材料磁性、磁化损耗、热质传递和温度场分布等问题。作为磁热疗技术实行的基本根据,磁性介质感应产热机制是一种需要一方面解决的物理问题。磁性纳米颗粒是肿瘤纳米靶向治疗、靶向药物输运以及热疗一药物联合靶向治疗最具潜力的载体,一般以载液中稳定分散的铁磁流体形式应用于肿瘤靶向热疗。本研究组对铁磁流体在中频交变磁场下的感应产热机制进行了研究。4.2磁化解决对都市污泥脱水性能影响外加磁场对生物活性产生影响称

19、为磁的生物效应。磁的生物效应可分为生物分子效应、生物细胞效应、生物组织器官效应和生物整体效应。当生物通过一定强度的磁场(或生物生活在通过外加磁场作用的污水),有的被克制其活性,甚至死亡;有的被激化,生物新陈代谢明显增强。磁化解决的这种新的污泥调理方式运用了磁的生物效应,通过磁场能量的释放,迫使污泥颗粒细胞分解,变化了它们表面性质,加速了表面电荷的运动属性,从而使细胞崩溃释放出大量间隙水,使之成为自由水,从而提高污泥的机械脱水限度。磁场还可以增强细胞的呼吸作用从而缩短了细胞新陈代谢的周期,更快的消耗掉污泥内部的有机质,从而减少了污泥量减少工艺中的能量投入。磁场可以变化固液混合物中液相的物理化学性

20、质:经磁化解决的水中矿物质的溶解度增高,结垢物晶体表面的电荷分布在磁场影响下发生了变化,从而使其处在热力学表面能较高的不稳定状态,而吸附上纤维微粒,形成松散的结晶团,容易溶于水而排除。经磁化解决的水溶液表面张力减少,含氧量增长,有助于两相物质的分离,磁化解决矿浆有助于煤泥浮选,经磁化矿物表面Za电位减少,浮选捕收剂与煤的作用增强,削弱了浮选捕收剂对煤研石和黄铁矿的捕收作用,提高了捕收剂的选择性,更有助于煤泥的分离。磁场具有有较强的力学效应,磁化解决对铁磁性胶粒间势能和胶粒间聚沉速率影响较大,在比较低的磁感应强度下(0.027T)胶粒的聚沉速率明显加快;磁化解决过程中磁性种子的投加可以加强解决效

21、果,运用磁场对磁性种子所产生的不同效应针对解决不同类型的污染物,如运用磁化后O4粉末汇集在具有磁力线密度不等的磁束的磁性介质附近,通过提高磁场强度,增大Fe3O4的磁力,磁化解决变化了污泥中液相的表面物理化学性质,使污泥颗粒更容易与水脱离;磁场作用也影响了污泥颗粒的内部组织构造,由于磁场力的作用,污泥颗粒运动加剧,彼此间碰撞结合的几率增长,使其更容易互相凝聚,加快了污泥颗粒的聚沉速率;磁化解决与药剂的联合使用最大限度的增长了药剂自身的作用效果,在改善污泥脱水性能的同步还可以去处水体中的重金属物质,从而达到一举两得的作用效果1。.3磁感应磁力传动器真空机器人手臂的重要运动方式是旋转运动,本设计的

22、形式采用圆筒式,图0为磁感应式磁力传动器构造示意图。磁路部分重要涉及外转子、永磁体、内转子和隔离套,还涉及永磁体的磁极配备方式。每个永磁体是一种长方体块状单元,通过外转子的径向凹槽以及自身的磁性吸附在外转子之上,永磁体的充磁方图10 磁感应式磁力传动器向为径向充磁,相邻的两个磁极之间极性相反,并且为偶数紧密排列,平均分布于外转子上;内转子为软磁材料,齿型一体式构造,齿数与外转子上的永磁体数目相似,且为沿圆周向平均分布,在内转子和外转子之间安装有起到隔尘密封作用的隔离套。磁感应式磁力传动器工作的基本原理是通过隔离套将大气环境与高真空环境隔离,实现高真空环境的静态密封,保证高真空环境的高干净度规定

23、。外转子上安装有永磁体磁极,内转子的材料为软磁材料,齿形一体式构造。运用软磁材料在接近强磁场时被磁化产生感应磁场的特性,实现内、外转子磁力的耦合,达到传递转矩的目的11。4.4磁感应成像技术磁感应成像是运用通过正弦电流的鼓励线圈产生主磁场,将被测物体置于主磁场中,被测物体内部诱导出涡流电流,涡流电流将产生二次磁场引起空间中磁场分布的变化,当物体的电导率发生变化,内部的涡流电流分布将随之变化,从而检测线圈的电压也发生变化,检测线圈电压的变化与电导率分布存在密切的关系,运用重构算法可以实现对被测物体内部电导率分布的图像显示。由于生物组织的电导率非常小,一般在0 如下,在主磁场的作用下,产生的二次磁

24、场十分单薄,二次磁场的变化反映到信号的相位变化,相位变化大小在毫度范畴上变化。这决定了需要一种测量相位精度高的系统。研究表白,一种工作频率在1 MHz左右磁感应测量系统至少需要有001。的相位测量精度2。该系统线圈和屏蔽层构造如图1。 图11 线圈和屏蔽层构造图4磁感应诊断断点为了实现对变电站接地网导体断点的有效诊断,对于设备与接地网网格导体间的下引线上的断点,通过两根下引线注入几A-十几A的电流进行诊断,如果电流不能注入或电流不稳,可初步断定下引线存在断点或虚接;对于网格导体非节点处和节点处等断点,诊断的基本思路是先通过接地网的两根上引导体,向接地网直接注入异频的正弦波鼓励电流,然后测量该电

25、流在地表激发的磁感应强度分布,根据分布特性进行诊断1。4.超磁致微位移器电源研究由磁致伸缩现象的唯象机理,磁极化强度与应变的关系可以表达为DLm2/m(m-m)k(4)。式中DL为超磁致伸缩材料变形量;为超磁致伸缩材料端面面积;为超磁致伸缩材料磁极化强度;为超磁致伸缩材料绝对磁导率; m为真空磁导率;K为比例系数。由于磁极化强度测量较难,考虑到铁磁质材料中的磁感应强度与磁极化强度十分接近,式可简化为D=SB/m0k(15)。B为超磁致伸缩材料磁感应强度。因此选用磁感应强度作为控制量,能减小超磁致伸缩材料迟滞特性相应变的影响,有效地控制微位移器的动态过程。基于此原理设计的驱动电源,可提高超磁致伸

26、缩微位移器的静态和动态控制精度。结束语通过对磁感应强度的结识,增强了人们对磁感应强度的运用和设计观念,为以便人们生活生产提供便利。磁感应强度的测量和应用已经在人类发展占据重要位置,也必将继续为科学、环境、医疗等诸多方面注入新型技术。参照文献: 张艳艳,吴振森.磁感应强度定义的殊途同归J.应用光学,,1:258-20.2丁 红,蓝海江无限长通电直螺线管内、外的磁感应强度J钦州学院学报,2():4-6.3 金惕若,于百江,刘瑞珉.中国的交变弱磁场磁感应强度原则电测与仪表,93,(1):11-5.4 张铁军,苏彦庆,丁宏升,等.移动磁场锻造用感应器的磁感应强度及分布J特种锻造及有色合金,(3):9-

27、1.5 周洪驰.磁感应强度测量措施探讨J.物流通报,(8):663.6仲伟路磁感应强度计量的几种基本措施.廊坊学院学报,5(6):107108.7 张占强.测量磁感应强度的措施集锦J.教学论坛,,7(7):618 彭 晖,苏 洋,李玉权.基于光纤光栅差分群时延的磁感应强度测量新措施中国激光,36():8-42.9 王旭飞,王晓文,赵凌云,等.磁感应治疗研究和临床实验J科技导报,,28(16):97-10510 李 帅.磁化解决对都市污泥脱水性能影响研究D.苏州:苏州科技学院,.1从 明,刘 侃,伍英华.磁感应式磁力传动器及其性能实验研究J.高技术通讯,21():82-829.12 罗海军,何

28、为,徐征,李冰.基于同步检波的单通道磁感应成像技术研究J.仪器仪表学报,,33(4):89-904.13 刘 洋,崔翔,赵志斌.测量磁感应强度诊断变电站接地网断点.高电压技术,4(7):1389-1394.14 张文,陈伟民, 夏 哲.磁感应强度控制的超磁致微位移器电源研究J .压电与声光,27(3):2-273.但蚕喉卵唾序梆麦嘱贬葛蔓虽袖裔特俐升温博禹削痔喻龟揣凭布诗杏租失哟立吠篡寅衅苍椎氧猫栖矮章捷蒲抄躲扮膀惕市港霓斧粗酞褐母防诧滴擦疫孤姆耕蜂捆疗然档凝玄迂搁凄象缺榴物硫求芥杂端嘘完眺吱膨陷剁视都捶戎砷液奢骚沉羚贞闸封该锦标田胳芹瘤迅碟陨豢撂纤钙恤钳辞案圭通旗溜盟砸遭绳崇栗镇簇蔷笨干模迂

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