一种高精度磁矩测量系统及方法与流程

1.本发明涉及磁矩测量技术领域，尤其涉及一种高精度磁矩测量系统及方法。


背景技术：

2.目前，国际上普遍采用iec60404-14测量磁体的磁矩，与之对应的国家标准为gb/t 38437，采用探测线圈和磁通计，通过抽拉和翻转方式来测量永磁材料的磁矩。但是，由于探测线圈是一个面积很大的电磁信号接收器，不仅会接收到被测磁体的信号，甚至会接收到周围环境带来的磁干扰信号带来磁通计读数的明显波动，导致测量出现偏差。虽然可通过竖直放置探测线圈来减小外界干扰信号的影响，但仍不足以将干扰信号降低到可忽略的程度。此外，亥姆霍兹线圈的尺寸越大，其对外界干扰越敏感，进而降低测量重复性。
3.为了减小外界磁性干扰带来的影响，可采用同轴的不同直径、相同匝面积，且感应方向相反的两组线圈组成的磁矩测量线圈系统，两组线圈的几何中心和轴线均重合，在磁矩测量线圈系统的实际制作过程中，通过理论计算得到的线圈匝面积，往往理论计算与实际制作的线圈差异较大，不能达到完全补偿的效果。
4.现有技术是采用匝面积完全相同的两组线圈组成磁矩测量线圈系统，两者反向串联，并且要求两组线圈几何中心和轴线均重合，现有技术是先通过理论预估出完全补偿时两组线圈的匝数，再通过实验调整其中一组亥姆霍兹线圈的匝数，使两组线圈的匝面积达到相同，实现完全补偿效果,为了在磁矩测量线圈系统中实现完全补偿效果，要求构造一个大型均匀磁场，制作线圈前首先通过理论计算出两组线圈具有相同匝面积所需要的匝数，分别在大型均匀磁场中进行180度翻转测试每组线圈的磁通变化，以第一亥姆霍兹线圈为基础，然后确定第二亥姆霍兹线圈达到完全补偿效果时所需的线圈匝数n2。该实验过程中，需要不断增加或减少第二亥姆霍兹线圈的匝数，既难以实现完全补偿，又导致磁矩测量线圈系统的线圈常数大于其中任意一亥姆霍兹线圈的线圈常数，这损失了线圈的灵敏度和磁场均匀区，对磁矩准确测量有不利影响。此外，现有技术采用单次测量，容易受磁通计漂移和外界电磁干扰的影响，测量重复性不理想，影响测量准确性。
5.因此需要一种高精度磁矩测量系统及方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的是要提供一种高精度磁矩测量系统及方法。
7.为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：本发明包括探测线圈，所述探测线圈包括第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈反向串联，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈之间设置有磁通计，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈分开放置用以消除磁耦合且位于同一轴线上，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈中磁通变化值相对较大的线圈上设置有可调电阻。
8.进一步地，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈的匝面积相同或者相近。
9.进一步地，所述可调电阻为电位器、滑线电阻器、电阻箱、可变电阻器中的一种。
10.在另一个方面，一种高精度磁矩测量方法，包括以下步骤：a获取第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈分别得到磁通变化值；b选择磁通变化值较小的第一亥姆霍兹线圈作为测量试样磁矩的线圈，磁通变化值较大的一亥姆霍兹线圈作为补偿外界磁场干扰的线圈，将可调电阻设置在补偿外界磁场干扰的线圈上；c通过调整所述可调电阻使得所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈磁通变化值相等用以补偿探测线圈系统,所述可调电阻计算公式如下：；其中，为翻转180
°
匝面积较小的第一亥姆霍兹线圈的磁通变化值，为翻转180
°
匝面积较大的第二亥姆霍兹线圈的磁通变化值，r2为匝面积较大的第二亥姆霍兹线圈的电阻；d补偿探测线圈系统后采用高斯计法或标准线圈法测定磁矩测量线圈系统的线圈常数，利用连接的磁通计测量磁体的磁通，采用旋转法、抽拉法或翻转法测量永磁体在磁矩测量系统中的磁通变化值，并修正线圈电阻和磁通计电阻的影响。
11.进一步地，所述永磁体的磁矩的计算公式如下。
[0012][0013]
其中，m为测得的永磁体的磁矩，k为探测线圈的线圈常数，为被测永磁体在磁矩测量系统中的测得的经过修正的磁通变化值，为磁常数，为。
[0014]
经过修正的所述磁通变化值计算公式如下：
[0015]
其中，为被测永磁体在磁矩测量系统中的测得的磁通变化值，rf为磁通计电阻，r为可调电阻值，r1为匝面积较小的第一亥姆霍兹线圈的电阻，r2为匝面积较大的第二亥姆霍兹线圈的电阻。
[0016]
本发明的有益效果是：本发明是一种高精度磁矩测量系统及方法，与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：1，本发明实现了一种永磁磁矩测量用磁矩测量线圈系统，实现简便的、可调节的补偿调整方法，既不影响磁场均匀区大小，又实现磁矩测量过程中环境磁场干扰完全补偿，解决几何中心和轴线均重合的磁矩测量线圈系统均匀区变差的问题，不影响相应的磁矩测量准确性。
[0017]
2，本发明解决了实际制作中磁矩测量线圈系统时存在的较大未补偿匝面积的问题，可以完全消除未补偿的匝面积，实现磁矩测量线圈系统的完全补偿，采用可调电阻补偿
线圈测量系统中的感应电压，起到完全补偿效果，即在第二亥姆霍兹线圈上并联一个可调电阻，通过调节电阻值实现完全的补偿效果，而不需要通过增加或减少线圈的匝数，不会存在因匝数差一匝而出现未补偿的匝面积，不会因理论计算与实际线圈的偏差导致出现不完全补偿情况。
[0018]
3，本发明具有操作简单、节省时间、成本低的优点，无需在实验过程中反复调节第二亥姆霍兹线圈的匝数，不损失线圈的灵敏度，无需使用补偿线圈而导致磁矩测量线圈系统的线圈常数增大。
[0019]
4，本发明利用旋转法测量试样的磁矩，通过位置和磁通同步采样及多周期数据分析技术，降低磁通计漂移带来的影响，对于提升测量准确性有益。
附图说明
[0020]
图1为本发明一种高精度磁矩测量系统的结构示意图；图2为本发明一种高精度磁矩测量方法中电路补偿原理示意图；图3为本发明一种高精度磁矩测量方法中旋转法测量试样磁矩的测量系统的结构示意图；图4为本发明一种高精度磁矩测量方法中采用旋转法绘制的磁通-位置曲线示意图。
具体实施方式
[0021]
下面以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0022]
如图1所示，f为磁通计，箭头代表绕线方向，本发明包括探测线圈，所述探测线圈包括第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈反向串联，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈之间设置有磁通计，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈分开放置用以消除磁耦合且位于同一轴线上，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈中磁通变化值相对较大的线圈上设置有可调电阻。
[0023]
如图1所示，本发明中的可调电阻并联在第二亥姆霍兹线圈上，在组成磁矩测量线圈系统的两组线圈中，第二亥姆霍兹线圈具有相对较大的匝面积，通过在大型均匀区磁场中翻转一组亥姆霍兹线圈测试磁通变化值，确定磁通变化值大的一组亥姆霍兹线圈对应的匝面积相对较大。
[0024]
在本实施例子中，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈的匝面积相同或者相近，由于实际制作的差异，组成磁矩测量线圈系统的两组线圈的匝面积必然不完全相等。本发明通过在第二亥姆霍兹线圈上并联可调电阻，并调节电阻值，使得磁矩测量线圈系统完全补偿，消除外界磁场干扰带来的影响，匝面积较小的第一亥姆霍兹线圈作为测量试样磁矩的线圈，匝面积较大的一亥姆霍兹线圈作为补偿外界磁场干扰的线圈。
[0025]
在本实施例子中，所述可调电阻为电位器、滑线电阻器、电阻箱、可变电阻器中的一种，也可用固定电阻和可调电阻组合而成，可调电阻起分压作用，调节可调电阻值，通过减小匝面积较大的第二亥姆霍兹线圈两端的感应电压，使其等于面积较小的第一亥姆霍兹线圈的感应电压，进而实现两组线圈感应电压的完全补偿。
[0026]
如图2所示，一种高精度磁矩测量方法，包括以下步骤：a获取第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈分别得到磁通变化值；b选择磁通变化值较小的第一亥姆霍兹线圈作为测量试样磁矩的线圈，磁通变化值较大的第二亥姆霍兹线圈作为补偿外界磁场干扰的线圈；c通过调整可调电阻使得所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈磁通变化值相等用以补偿探测线圈系统，通过调节并联在匝面积较大的第二亥姆霍兹线圈上的可调电阻值，并在大型均匀磁场中翻转180
°
测试磁通变化值，使该线圈的磁通变化值与匝面积相对较小的第一亥姆霍兹线圈值相同，达到完全补偿效果。
[0027]
本发明对应的电路原理如图3所示，可计算出可调电阻值，r1为匝面积较小的第一亥姆霍兹线圈的电阻，r2为匝面积较大的第二亥姆霍兹线圈的电阻，r为可调电阻，为面积较小的第一亥姆霍兹线圈的感应电压，为面积较大的第二亥姆霍兹线圈的感应电压，匝面积较小的第一亥姆霍兹线圈两端的电压为；并联可调电阻后，匝面积较大的第二亥姆霍兹线圈两端的电压为；磁矩测量线圈系统两端的电压为。
[0028]
得到可调电阻r的计算公式为：
[0029]
式中，为翻转180
°
匝面积较小的第一亥姆霍兹线圈的磁通变化值，为翻转180
°
匝面积较大的第二亥姆霍兹线圈的磁通变化值，r2为匝面积较大的第二亥姆霍兹线圈的电阻；d补偿探测线圈系统后采用高斯计法或标准线圈法测定磁矩测量线圈系统的线圈常数后测量出磁矩，利用连接的磁通计测量磁体的磁通，采用旋转法、抽拉法或翻转法测量永磁体在磁矩测量系统中的磁通变化值，并修正线圈电阻和磁通计电阻的影响。
[0030]
在本实施例子中，采用旋转法测量试样磁矩的测量系统的原理如图3所示，将样品固定于样品台上，采用电机带动试样旋转，通过连接探测线圈的磁通计测量试样的实时磁通值；利用电机编码器的脉冲，作为数据采集卡的外触发信号，实现电机旋转位置和磁通信号的同步采集；利用单片机对电机和采集卡进行控制，并将电机旋转的位置信号和磁通计的磁通信号传送至计算机，旋转后，由计算机进行数据处理计算得到试样的磁通值和磁矩值，通过绘图仪绘制出相应磁通-位置曲线图以及显示装置输出结果。
[0031]
以电机旋转位置的初始位置为起点，测量前调整磁通计漂移并置零。采用旋转法绘制的磁通-位置曲线如图4所示，横坐标为电机旋转的位置，纵坐标为磁通值。根据起始位置，确定磁通变化值，根据多周期数据分析，对磁通计漂移进行修正，计算出试样的磁通值，进而得到试样的磁矩值。
[0032]
所述永磁体的磁矩的计算公式如下。
[0033]
[0034]
其中，m为测得的永磁体的磁矩，k为探测线圈的线圈常数，为被测永磁体在磁矩测量系统中的测得的经过修正的磁通变化值，为磁常数，为。
[0035]
经过修正的所述磁通变化值计算公式如下：
[0036]
其中，为被测永磁体在磁矩测量系统中的测得的磁通变化值，rf为磁通计电阻，r为可调电阻值，r1为匝面积较小的第一亥姆霍兹线圈的电阻，r2为匝面积较大的第二亥姆霍兹线圈的电阻。
[0037]
本发明中，将匝面积较小的第一亥姆霍兹线圈作为测量试样磁矩的线圈。
[0038]
匝面积较小的第一亥姆霍兹线圈的线圈常数计算公式为k1，匝面积较大的第二亥姆霍兹线圈的线圈常数为k2。
[0039]
磁矩测量线圈系统的线圈常数为k，等于第一亥姆霍兹线圈的线圈常数。计算公式为
[0040]
从公式中可以得出，探测线圈常数与用匝面积较小的第一亥姆霍兹线圈相同，该匝面积较小的第一亥姆霍兹线圈也作为放置试样的探测线圈。
[0041]
本发明适用任何尺寸的两组线圈组成的磁矩测量线圈系统，以满足不同尺寸磁体磁矩的测量需求。本发明对组成磁矩测量线圈系统的两组探测线圈的匝数和有效半径没有严格的限制,不受两组线圈匝数比例和线圈有效半径比例的限制，可以实现各种线圈组成的磁矩测量线圈系统的完全补偿，有利于各种应用场合线圈系统的设计，包括三维亥姆霍兹线圈测量系统的设计。
[0042]
在本实施例子中采用尺寸相同的两组亥姆霍兹线圈组成的探测线圈系统，均为有效半径75 mm、有效直径150 mm。其中，两组亥姆霍兹线圈的匝数相同，均为576匝。两组亥姆霍兹线圈相距2 m，轴线平行，且两组线圈串联反接，组成探测线圈系统。探测线圈系统连接磁通计，构成磁矩测量系统。
[0043]
第一亥姆霍兹亥姆霍兹线圈连接磁通计，在大型均匀磁场中翻转180
°
，测得磁通变化值为；第二亥姆霍兹亥姆霍兹线圈连接磁通计，在大型均匀磁场中翻转180
°
，测得磁通变化值为。第二亥姆霍兹亥姆霍兹线圈的电阻为。
[0044]
可调电阻值为。选取的可调电阻，并联在第二亥姆霍兹亥姆霍兹线圈两端，并调整电阻值为。将探测线圈系统在大型均匀磁场中翻转180
°
，测得磁通变化值为0。探测线圈系统实现完全补偿。
[0045]
采用高斯计法测定第一亥姆霍兹线圈的线圈常数，得到。探测线圈系统的线圈常数，利用数字多用表测得第一亥姆霍兹线圈电阻为
，第二亥姆霍兹线圈电阻为，磁通计电阻为。可调电阻为，利用旋转法测量圆柱钕铁硼永磁体，测得磁通变化值为，计算得到永磁体的磁矩为。
[0046]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高精度磁矩测量系统，包括探测线圈，所述探测线圈包括第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈反向串联，其特征在于，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈之间设置有磁通计，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈分开放置用以消除磁耦合且位于同一轴线上，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈中磁通变化值相对较大的线圈上设置有可调电阻。2.根据权利要求1所述一种高精度磁矩测量系统，其特征在于，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈的匝面积相同或者相近。3.根据权利要求1所述一种高精度磁矩测量系统，其特征在于，所述可调电阻为电位器、滑线电阻器、电阻箱或可变电阻器中的一种。4.一种高精度磁矩测量方法，其特征在于，包括以下步骤：a获取第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈分别得到磁通变化值；b选择磁通变化值较小的线圈作为测量试样磁矩的线圈，磁通变化值较大的线圈作为补偿外界磁场干扰的线圈，将可调电阻设置在补偿外界磁场干扰的线圈上；c通过调整所述可调电阻使得所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈磁通变化值相等用以补偿探测线圈系统,所述可调电阻计算公式如下：；其中，为翻转180
°
匝面积较小的第一亥姆霍兹线圈的磁通变化值，为翻转180
°
匝面积较大的第二亥姆霍兹线圈的磁通变化值，r2为匝面积较大的第二亥姆霍兹线圈的电阻；d补偿探测线圈系统后采用高斯计法或标准线圈法测定磁矩测量线圈系统的线圈常数，利用连接的磁通计测量磁体的磁通，采用旋转法、抽拉法或翻转法测量永磁体在磁矩测量系统中的磁通变化值，并修正线圈电阻和磁通计电阻的影响。5.根据权利要求4所述一种高精度磁矩测量方法，其特征在于，所述永磁体的磁矩的计算公式如下：；其中，m为测得的永磁体的磁矩，k为探测线圈的线圈常数，为被测永磁体在磁矩测量系统中的测得的经过修正的磁通变化值，为磁常数，为；经过修正的所述磁通变化值计算公式如下：；其中，为被测永磁体在磁矩测量系统中的测得的磁通变化值，r
f
为磁通计电阻，r为可调电阻值，r1为匝面积较小的第一亥姆霍兹线圈的电阻，r2为匝面积较大的第二亥姆霍兹线圈的电阻。

技术总结
本发明公开了一种高精度磁矩测量系统及方法，包括探测线圈、磁通计，所述探测线圈包括第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈反向串联，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈之间设置有磁通计，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈分开放置用以消除磁耦合且位于同一轴线上，所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈中磁通变化值相对较大的线圈上设置有可调电阻。磁通计为模拟式磁通计或数字式磁通计。本发明采用可调电阻补偿线圈测量系统中的感应电压，起到完全补偿效果，具有操作简单、节省时间、成本低的优点，解决几何中心和轴线均重合的磁矩测量线圈系统均匀区变差、难以实现完全补偿的问题，提高磁矩测量准确性。提高磁矩测量准确性。提高磁矩测量准确性。


技术研发人员：龚文杰 侯瑞芬 张志高 贺建 曹明星 林安利 杨天
受保护的技术使用者：中国计量科学研究院
技术研发日：2023.09.05
技术公布日：2023/10/11