电气测试技术-第5章磁性电测仪表

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第5章磁性电测仪表5.1前言5.2空间磁场、磁通的测量5.3磁性材料的测量2

第5章磁性电测仪表

磁的测量是电工测量技术的一个重要方面，它包括两方面的内容：磁场的测量如要求在一些磁性元件内或设备某个部位产生一定强度的磁场，或要求在某个空间范围内对磁场隔离而进行磁场屏蔽，就需要进行磁场测量。磁性材料的测量为了合理选用磁性材料或检验磁性材料的磁性能，就需要对材料进行磁性能的测量。

5.1前言3

第5章磁性电测仪表

磁场的测量主要是对空间磁参量的测量：磁通量F；磁场强度H

磁通密度（磁感应强度）B

等

5.1前言磁导率

第5章磁性电测仪表

磁性材料的测量主要是揭示材料在外磁场作用下表现出来的宏观磁特性：

静态特性-恒定或非常低频的交变磁场下

动态特性-工频以上的交变磁场下5.1前言磁化曲线磁滞回线磁导率5磁性材料分为软磁材料：软铁、硅钢、玻莫合金、软磁铁氧体、非晶和超微晶合金等。

常用于恒定磁场、交变磁场、交直流同时激励、脉冲磁场中的导磁体。损耗低、导磁性能良好。硬磁材料：钨钢、铬钢、铝镍钴合金、含稀土元素的合金、硬磁铁氧体等。（通常称为永久磁铁）保磁性能良好，能提供恒定磁场。5.1前言

第5章磁性电测仪表65.1前言

第5章磁性电测仪表磁学量的度量单位：7磁场测量依据的主要原理：磁极间的机械力效应。电磁感应定律：磁和电现象之间的相互关系。安培定律：描述了载流导线在磁场中受电动力F=BIL。毕奥-沙伐定律：在一个坐标系中载流导线在考察点产生的磁场强度H约瑟夫森效应：具有弱藕合超导结的超导电流环中的磁通，由于超导结的隧道效应而量子化。物质的磁效应，主要包括霍尔效应、磁电阻效应、核磁共振效应、磁光效应（法拉第效应、克尔效应、塞曼效应、干涉效应等）等。5.1前言

第5章磁性电测仪表8本章目标：5.1前言

第5章磁性电测仪表

本章主要讨论空间磁场和磁性材料磁性能的测量方法和仪器,重点介绍基本测量方法和仪器的原理。95.2空间磁场、磁通测量

第5章磁性电测仪表5.2.1、基于电磁感应原理的测量方法5.2.2、基于磁通门磁强计的测量方法5.2.3、基于霍尔效应的测量方法5.2.4、基于核磁共振的测量方法back105.2空间磁场、磁通测量电磁感应：穿过线圈的变化磁通会在线圈两端产生感应电势被测磁场：按正弦规律变化的交流磁场感应电动势（交流）

第5章磁性电测仪表5.2.1基于电磁感应原理的方法交流有效值U115.2空间磁场、磁通测量直流磁场?变化改变人为改变通过测量线圈的磁通脉冲感应电动势冲击法磁通表法冲击检流计

第5章磁性电测仪表125.2空间磁场、磁通测量

第5章磁性电测仪表改变穿过测量线圈磁通的方法有多种：（1）如果被测的直流磁场是由通电线圈产生的，切断线圈的电流或者突然改变线圈中电流的方向可以使穿过线圈的磁通变化F或2F

；（2）若被测磁通是永久磁铁或者是地磁场产生的，可以把测量线圈从磁场中迅速地移到磁场为零的地方；（3）把测量线圈在原地转动180o，使穿过线圈的磁通变化F或2F

。无论哪种方法，均力求使磁通的变化时间尽量短，以便使测量线圈中的脉冲感应电势值在冲击检流计偏转前已经消失。135.2空间磁场、磁通测量

第5章磁性电测仪表[1]冲击法——冲击检流计是一种特殊结构的磁电系检流计。

与普通检流计的区别在于动圈框架较宽，质量比较大，因此它具有较大的惯性。可动部分用悬丝吊挂，反作用力矩小。冲击检流计是一个测量脉冲电荷量的仪表。将磁通的变化量转换成脉冲电荷量，即可用冲击检流计测量磁通。14线圈中磁通变化量为5.2空间磁场、磁通测量

第5章磁性电测仪表被测磁场强度与冲击检流计的最大偏转角成正比。式中，为磁通冲击常数，与冲击检流计的电阻和线圈电阻以及检流计的电量冲击常数有关。这样便可得到磁场的磁感应强度B和磁场强度H：S1S2S3S4155.2空间磁场、磁通测量

第5章磁性电测仪表冲击检流计的电量冲击常数，也可以从产品说明书上找到。测量磁通冲击常数

的电路图Step0,S1、S3闭合，S2投1，S4投1；Step1,调整Rp，使电流I达到合适；Step3,断开S3，S2迅速投2，读检流计可得。Step4,S4投2，可进行磁通测量。165.2空间磁场、磁通测量

第5章磁性电测仪表冲击法测量直流磁通的操作方法比较复杂、费时，但准确度比较高。

用磁通计测量磁通则操作简单，但准确度比冲击法低。它是生产和科研中常用的方法。175.2空间磁场、磁通测量

第5章磁性电测仪表磁通表的阻尼因数β=∞，是严重的过阻尼。磁通表的指针能随意平衡，不返回零位。磁通表中的电流是靠无力矩导流丝导入和导出可动线圈的。磁通计又称“韦伯计”。它与普通磁电系检流计的主要区别是没有产生反作用力矩的悬丝或张丝。[2]磁通计——185.2空间磁场、磁通测量

第5章磁性电测仪表磁通表测量磁通的示意图与冲击检流计相同，测量线圈置于待测磁场，线圈两端接到磁通表上，线圈中磁通的改变方法与前述一致。可推导得到磁通表的偏转角为式中，为磁通表的磁通常数，与回路电阻有关，一般由仪表给出，不需测量195.2空间磁场、磁通测量

利用高磁导率的铁心在交流励磁下调制铁心中的直流磁场分量，并将直流磁场转变为交流电压输出而进行测量的仪器。探头实际上是一个磁传感器，由软磁材料制成，并绕有励磁线圈N1和测量线圈N2。

第5章磁性电测仪表由高磁导率软磁材料制成的铁心同时受交变及恒定两种磁场作用，由于磁化曲线的非线性，以及铁心工作在曲线的非对称区，使得缠绕在铁心上的检测线圈感生的电压中含有偶次谐波分量，特别是二次谐波。此谐波电压与恒定磁场强度成比例。通过测量检测线圈的谐波电压，计算出磁场强度。5.2.2基于磁通门磁强计的方法被测直流磁场205.2空间磁场、磁通测量

第5章磁性电测仪表霍尔效应是指运动着的电荷在磁场中受力的一种物理现象。霍尔效应测量磁场的特点：连续读取被测磁感应的数值，无触点、机械性能好、使用寿命长。体积小、厚度薄，能在很小的空间体积内（零点几立方毫米）和小气隙（几微米）中测量磁场。科学家爱德文·霍尔在1879年发现的

5.2.3基于霍尔效应的方法215.2空间磁场、磁通测量

第5章磁性电测仪表霍尔效应测量磁场半导体内载流子的速度N

—半导体每单位体积内的载流子数目q—每个载流子的电荷量载流子在磁场内所受的电磁力聚积起来的载流子电荷将产生相反的电场力back225.2空间磁场、磁通测量

第5章磁性电测仪表back国产的CT3型特斯拉计是用霍尔效应测量磁感应强度的仪器，可以测量交流和直流磁感应强度，其结构方框图如图所示。235.2空间磁场、磁通测量

第5章磁性电测仪表back5.2.4基于核磁共振的方法用核磁共振现象精确地测量磁场的理论是1946年以后提出来的。在电磁波的作用下，原子核在外磁场中的磁能级之间的共振跃进现象称为“核磁共振”。核磁共振理论提供了一种非常有用而准确的磁场测量方法，得到了广泛应用。目前，核磁共振磁强计在国内外均有商品出售，它的测量范围约为1×10-2～2T，准确度可达到10-5。但是，它只能在均匀磁场中使用。245.3磁性材料的测量磁性材料的性能主要表现在它的磁化曲线和磁滞回线上。测量磁性材料的性能主要通过测量磁化曲线和磁滞回线取得。测量磁滞回线时要注意两个问题:(1)材料的磁性能与工作条件有关。测量磁性能要使材料工作在实际条件下，然后进行测定。(2)磁材料需要取出样品进行测量。测量时要求样品全部工作在同一工作条件下，也就是说要求测试样品内部有一个均匀的磁场。否则，样品各点的B与H值不相同，测出的只是一种平均状态。

第5章磁性电测仪表255.3.2软磁材料特性测量[1]磁性材料样品

第5章磁性电测仪表闭合磁路样品棒状开路样品方形环形26

第5章磁性电测仪表磁化曲线材料在恒定或非常低频（约几Hz）的交变场的作用下的特性[2]磁性材料静态特性－磁化表征材料在外磁场H作用下磁感应强度B随H变化的曲线为磁化曲线。5.3.1磁性材料的特性磁中性磁化磁饱和磁化曲线过零点单调上升退磁27

第5章磁性电测仪表磁化曲线的磁导率定义为B与H的比值。软磁材料的磁导率曲线

对基本磁化曲线所作切线的斜率最大点的磁导率为最大磁导率5.3.1磁性材料的特性28软磁材料的磁滞回线族和基本磁化曲线硬磁材料的磁滞回线及次环

第5章磁性电测仪表[3]磁性材料静态特性－反磁化外磁场正负变化一周，磁感沿一个闭合曲线变化一周，这闭合曲线称为磁滞回线。磁滞回线所包含的面积代表外磁场对材料做的功，就是所消耗的能量，称为磁滞损耗。5.3.1磁性材料的特性29冲击法测量环状样品直流特性的电路[4]冲击法测量环状样品的磁特性(磁化曲线和磁滞回线)

第5章磁性电测仪表用冲击法测量环状样品的直流磁特性，样品中的H通过测量磁化电流I，由公式算出：冲击法测量的主要任务就是测量环状样品的磁感应强度B。N1为励磁线圈，S2、S开关接通E；测磁化曲线时S1短接，磁滞回线用；N2为测量线圈，P为冲击检流计。测量前样品必须退磁：直流&交流；退磁后样品必须稳定一段时间；测量前先测定冲击检流计在该具体电流中的磁通冲击常数Cq。此时所有可调电阻不能再调，保证回路总电阻不变。5.3.2软磁材料特性测量30基本磁化曲线测量示意图

冲击法测量磁滞回线

第5章磁性电测仪表5.3.2软磁材料特性测量31

第5章磁性电测仪表[5]磁性材料动态特性在动态磁化时，材料的导磁率发生变化。在反复磁化时，材料内部的磁感应强度总是落后于磁场的变化，称为磁滞（过程）。动态磁化曲线一般指在工频以上交变磁场中的磁性材料的B~H曲线，纵坐标可以是Bmax（最大值）、Bav（平均值）或Brms（有效值）等，横坐标可以是Hmax、Hrms等，采用哪种，由工程技术决定。假设动态磁化时的磁场是按照正弦变化的，磁滞现象在动态磁化时表现为磁感应强度总是比磁场的变化落后一个相位，其直接后果就是材料的导磁率变成了一个复数。这个导磁率分成两部分：一是和磁场方向（或者说相位）相同的部分，称为复数导磁率的实部，又称为弹性导磁率，它代表材料磁化时所能够储存的能量；二是和磁场相位成90度的部分，称为复数导磁率的虚部（损耗导磁率），它代表材料在动态磁化时所消耗的能量。其次，材料在动态磁化时将产生涡流，导致涡流损耗。涡流损耗在软磁材料中是有害的。

back5.3.1磁性材料的特性32[6]软磁材料动态特性测量

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