磁性參數(shù)檢測技術(shù)分析

樊維維

摘 要：本文首先對磁性參數(shù)檢測方法的全球技術(shù)態(tài)勢進(jìn)行了分析，其次通過對中國專利文獻(xiàn)的整理，介紹了3種磁性參數(shù)——磁滯回線、磁化率、磁致伸縮的檢測方法的發(fā)展情況，并針對磁致伸縮參數(shù)檢測的各種檢測方法進(jìn)行比較，以便針對不同的應(yīng)用場合選擇合適的診斷方法。

關(guān)鍵詞：磁性參數(shù)；磁致伸縮；檢測；技術(shù)分析

1 磁性參數(shù)檢測全球技術(shù)分析

近年來隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，金屬軟磁材料的需求量大幅增加，如何獲取這類金屬軟磁材料的準(zhǔn)確磁性參數(shù)，對生產(chǎn)和研究也有著越來越重要的意義。筆者通過有關(guān)磁性參數(shù)檢測的技術(shù)文獻(xiàn)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：磁性參數(shù)檢測主要分為3個(gè)技術(shù)發(fā)展方向——磁滯回線測量、磁化率測量、磁致伸縮測量。從全球?qū)＠暾埖膰曳植紒砜矗判詤?shù)檢測的相關(guān)技術(shù)主要來源于日本、美國，這與實(shí)際了解的日本、美國是發(fā)展磁性參數(shù)檢測技術(shù)最早、技術(shù)最先進(jìn)的國家的事實(shí)是相符的，同時(shí)日本是資源短缺型國家，一直致力于材料、能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如軟磁材料相關(guān)領(lǐng)域。其次是德國和中國。而在日本企業(yè)中，相關(guān)領(lǐng)域的前八位為來自日本的新日鐵公司、巖崎電氣株式會社、三菱電氣株式會社、日立株式會社、橫河電氣株式會社、先訊美資電子公司、富士通株式會社、索尼公司。

2 磁性參數(shù)檢測中國技術(shù)分析

磁性參數(shù)檢測技術(shù)的研究，國內(nèi)開展于20世紀(jì)80年代，而國外20世紀(jì)20、30年代就已經(jīng)開始，至今仍在不斷發(fā)展。對于磁性參數(shù)而言，磁滯回線、磁化率、磁致伸縮是3種主要的參數(shù)。

下面根據(jù)該技術(shù)發(fā)展詳細(xì)介紹這三種磁性參數(shù)——磁滯回線、磁化率、磁致伸縮檢測方法中國技術(shù)的發(fā)展情況。

2.1 磁滯回線的測量

磁滯回線是鐵磁性物質(zhì)和亞鐵磁性物質(zhì)的一個(gè)重要特征，其表示磁場強(qiáng)度周期性變化時(shí)，強(qiáng)磁性物質(zhì)磁滯現(xiàn)象的閉合磁化曲線，其表明了強(qiáng)磁性物質(zhì)反復(fù)磁化過程中磁化強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之間的關(guān)系。

中國最早關(guān)于磁滯回線測量的專利申請是1988年11月1日、由電子工業(yè)部第九研究所提出的，具體參見CN2047030U。研究人員發(fā)現(xiàn)在利用永磁測量儀的積分器對樣品測量線圈所感應(yīng)的電壓信號進(jìn)行積分，經(jīng)衰減變?yōu)榇磐芏刃盘朆，采用同樣的方法或者霍爾效應(yīng)法，從磁場探頭得到磁場強(qiáng)度信號H，繪出B-H曲線圖時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所測量的是異型截面樣品時(shí)，需對感應(yīng)積分所得到的B信號進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償修正，使得測量變得復(fù)雜。考慮到這種弱點(diǎn)，研究人員提出了一種在永磁測量儀中設(shè)置主補(bǔ)償器和輔助補(bǔ)償器的永磁測量儀，其可對空氣磁通帶來的誤差進(jìn)行模擬補(bǔ)償，以得到無失真的磁通密度信號B，省去補(bǔ)償修正的工作量。

2.2 磁化率的測量

磁化率，表征磁介質(zhì)屬性的物理量，常用符號cm表示，等于磁化強(qiáng)度M與磁場強(qiáng)度H之比引。

中國最早關(guān)于磁化率測量的專利申請是1999年3月22日由南京師范大學(xué)提出的，具體參見CN2385347Y。研究人員發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的磁化率是研究城市環(huán)境污染、水道湖泊重金屬污染一個(gè)有價(jià)值的分析參數(shù)，而現(xiàn)有的磁化率儀較昂貴、且靈敏度不夠高、測量速度較慢。針對這些弱點(diǎn)，研究人員研制了一種集傳感技術(shù)和單片型微機(jī)數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)于一體的野外室內(nèi)兩用的便攜式智能化磁化率儀。該智能化磁化率儀由探頭和主機(jī)組成；探頭是由一個(gè)線圈繞制成的電感元件L和電容元件C組成的串聯(lián)諧振槽路；槽路與反饋元件組成正弦波振蕩電路；然后連接至波型變換器的輸入；則輸出為一前、后沿陡峭的方波；再將其輸入至87C51內(nèi)部進(jìn)行頻率檢測，當(dāng)線圈中放入樣品后，計(jì)數(shù)值發(fā)生變換，將差值處理后輸出至面板上的液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)，完成對磁化率的測量。

2.3 磁致伸縮的測量

磁致伸縮是鐵磁物質(zhì)（磁性材料）由于磁化狀態(tài)的改變，其尺寸在各方向發(fā)生變化。磁致伸縮的測量方法可以分為小角轉(zhuǎn)動法、應(yīng)變電阻法、光學(xué)法、隧道探頭法、電容法。

2.3.1 小角轉(zhuǎn)動法

小角轉(zhuǎn)動法是指基于各向異性磁電阻、巨磁電阻或隧道磁電阻的元件，通過小角度磁化旋轉(zhuǎn)進(jìn)行測量磁致伸縮常數(shù)。小角轉(zhuǎn)動法測量步驟如下：首先，承載著一個(gè)或多個(gè)磁電阻元件的基底插入彎曲夾具中；下一步，施加一個(gè)平行于基底的DC磁場，施加交變磁場，測量磁電阻元件發(fā)出的信號；通過彎曲所述基底施加平行于所述基底的機(jī)械應(yīng)力，以及改變DC磁場，直至達(dá)到施加所述機(jī)械應(yīng)力之前測量出的信號。

2.3.2 應(yīng)變電阻法

電阻應(yīng)變法是一種將磁致伸縮引起的相對形變，通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電阻變化的方法，通過測量電阻的變化，間接計(jì)算出磁致伸縮材料的磁致伸縮性能。

CN101109790A（申請日20070820，北京航空航天大學(xué)）采用了電阻應(yīng)變法對磁致伸縮性能進(jìn)行測量，其外部結(jié)構(gòu)包括有溫度控制組件、直流穩(wěn)壓電源、電阻應(yīng)變儀、壓力組件、氮?dú)庠础⒋艌鼋M件、基座。具體測試步驟如下：

第一步：將被測試樣放置在托盤4中，被測試樣的一端與壓力包301的左端部305接觸，另一端與A磁芯201的A磁桿段203的端部接觸；電阻應(yīng)變儀的應(yīng)變片貼在被測試樣上；

第二步：通過調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源5輸出的電壓改變A勵(lì)磁線圈211、B勵(lì)磁線圈212產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度，并記錄下磁場強(qiáng)度；調(diào)節(jié)氮?dú)庠?向壓力包301施加的應(yīng)力，并記錄下壓力；

第三步：根據(jù)被測試樣制作的工作環(huán)境，選取被測試樣測試溫度環(huán)境選擇不同的附件裝置提供測試溫度，并記錄下測試溫度；

第四步：根據(jù)磁場強(qiáng)度、壓力、測試溫度條件下，由電阻應(yīng)變儀采集得到被測試樣的磁致伸縮系數(shù)。

2.3.3 光學(xué)法

光學(xué)法是指利用光學(xué)原理測量磁致伸縮的檢測方法。上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司于2009年提出了一種利用表面磁克爾效應(yīng)測量磁致伸縮的裝置，具體參見CN101726711A（申請日20091217，上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司），其結(jié)構(gòu)包括電磁鐵、電磁鐵磁極、控制與信號處理系統(tǒng)、電子天平、直流電機(jī)、起振箱、激光器、起偏器、檢偏器、光探測器。電磁鐵采用雙軛形式，軛鐵上開有通光槽，電磁鐵的兩極之間的距離可調(diào)，將電磁鐵設(shè)置于測試平臺的中間部位，直流電機(jī)、起振箱、激光器、起偏器、檢偏器、光探測器分別設(shè)置于測試平臺的適當(dāng)位置，控制與信號處理系統(tǒng)和電子天平設(shè)置于測試平臺上方的支架上，通過激光器光路檢測樣品自由端長度的變化量，從而測試磁致伸縮系統(tǒng)。

2.3.4 隧道探頭法

隧道探頭法原理是利用探頭測量磁致伸縮系數(shù)。蘭州大學(xué)于2011年提出了極端低溫下超磁致伸縮材料特性測量裝置，參見CN102540114A（申請日20110601，蘭州大學(xué)），該測量裝置即是利用探頭檢測超磁致伸縮元件變形量、超磁致伸縮元件的預(yù)應(yīng)力以及驅(qū)動磁場大小。測量裝置結(jié)構(gòu)主要包括波紋管、空腔、空氣壓縮機(jī)、承壓杜瓦瓶、杜瓦液氮儲存容器、承壓支承座、上支承座、下支承座。其測量步驟如下：驅(qū)動線圈，通電后生成驅(qū)動磁場；超磁致伸縮元件，在驅(qū)動磁場下發(fā)生伸縮；氣壓裝置，與磁致伸縮元件頂端接觸，利用空氣形成的壓力，施加給磁致伸縮材料以獲得預(yù)應(yīng)力；杜瓦液氮裝置，用于創(chuàng)造極端低溫環(huán)境；低溫Hall探頭，檢測超磁致伸縮元件變形量、超磁致伸縮元件的預(yù)應(yīng)力以及驅(qū)動磁場大小。

2.3.5 電容法

電容法是根據(jù)平行板電容的原理，在外加磁場下，通過測量被測樣品與傳感器極板之間的電容變化，平板電容器的電容與兩極板的間距成反比關(guān)系，間接測量樣品的伸長或縮短量。CN102707248A（申請日20120530，安泰科技股份有限公司）提出了一種雙通道電容法測量磁致伸縮的裝置及其方法，該雙通道電容法是對電容法進(jìn)行的改進(jìn)，是目前中國專利申請中最新的關(guān)于電容法的研究，工作原理是，采用合適的樣品，樣品兩端平行的斷面各與一個(gè)電極形成一組平行板電容，從而共形成兩組平行板電容器，構(gòu)成雙通道測量，減少了樣品一端固定環(huán)節(jié)，避免了固定環(huán)節(jié)帶來的機(jī)械誤差對測量結(jié)果造成的影響，樣品在不同磁場作用下產(chǎn)生磁致伸縮后，樣品伸長或縮短，兩組電容同時(shí)增加或減小，兩個(gè)極板之間的電壓幅值與距離成正比，電壓信號經(jīng)過系列處理后建立與距離的聯(lián)系，將雙通道數(shù)據(jù)相加直接讀取樣品伸縮量，實(shí)現(xiàn)了樣品的磁致伸縮測量。

2.3.6 檢測方法的比較

以下對磁致伸縮各種檢測方法進(jìn)行比較，可根據(jù)實(shí)際情況和各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行選擇。總體來說，電容法是一種較優(yōu)的方法，電容法比小角轉(zhuǎn)動法和應(yīng)變電阻法具有更高的測量精度，原理簡單，成本較低，在以后的研究中可對其進(jìn)行深入研究。

3 磁性參數(shù)檢測技術(shù)發(fā)展展望

通過以上技術(shù)分析可以看出，磁性參數(shù)檢測主要包括磁滯回線、磁化率、磁致伸縮3種參數(shù)的檢測，且磁致伸縮的檢測呈現(xiàn)出多種方法并行發(fā)展的態(tài)勢，且在軟磁材料的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。隨著軟磁材料的應(yīng)用越來越廣泛，如何對現(xiàn)有方法——小角轉(zhuǎn)動法、應(yīng)變電阻法、光學(xué)法、隧道探頭法和電容法進(jìn)行改進(jìn)使其應(yīng)用場合更廣泛、精度更高、成本較低，是該領(lǐng)域今后的研究重點(diǎn)，且本領(lǐng)域技術(shù)人員正不斷努力實(shí)現(xiàn)低成本、高精度、非接觸的磁性參數(shù)檢測。

參考文獻(xiàn)

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[2]李震，李佐宜，王鮮然，等.基本磁性參數(shù)綜合測試系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2003，（9）：28-30.

（作者單位：國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心）