第五章磁性电测仪表课件

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第五章磁性电测仪表主要内容：5.1基础知识5.2空间磁场、磁通的测量5.3磁性材料的测量.1第五章磁性电测仪表主要内容：.2

第五章磁性电测仪表

磁测量主要包括对空间磁参量的测量（涉及空间磁场的大小、方向、梯度、其随时间的变化等

）和对磁性材料（在一定磁场下对磁化强度及各种环境条件下的磁学量

）性质的测量。

空间磁参量测量的主要对象：空间磁场的磁通量F；磁场强度H

磁通密度（磁感应强度）B

等。

.2第五章磁性电测仪表磁测量主要包括对空间磁参量的测3磁性材料分为:软磁材料：软铁、硅钢、坡莫合金、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。（永久磁铁）

常用于恒定磁场源。

保磁性能良好。

第五章磁性电测仪表.3磁性材料分为:软磁材料：软铁、硅钢、坡莫合金、软磁铁氧体、4磁场测量的主要任务：揭示材料在外磁场的作用下所表现出的宏观磁特性。在磁性材料中，磁场强度H与磁感应强度B（磁通密度）之间具有非线性和非单值特性。在不同激励条件下的磁导率和不同频率下的损耗。

第五章磁性电测仪表.4磁场测量的主要任务：揭示材料在外磁场的作用下所表现出的宏观5磁场测量依据的主要原理：电磁感应定律：磁和电现象之间的相互关系。表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。安培定律：描述了载流导线在磁场中受电动力F=ILB。表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。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。以方程描述，电流在其周围所产生的磁场。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）、磁敏效应等。

第五章磁性电测仪表.5磁场测量依据的主要原理：电磁感应定律：磁和电现象之间的相互65.1基础知识

第五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。（1）磁化曲线5.1.1磁性材料静态特性磁中性状态-磁化-饱和磁化强度.65.1基础知识第五章磁性电测仪表磁化曲线材料在恒定7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

第五章磁性电测仪表5.1基本知识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。（2）磁滞现象与静态磁化曲线.7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（3）磁导率软磁材料的磁导率曲线

基本磁化曲线在接近H=0处的磁导率为:通过坐标原点对基本磁化曲线所做切线的斜率成为最大磁导率。.（3）磁导率软磁材料的磁导率曲线基本磁化曲线在接近H=0处89

第五章磁性电测仪表5.1.2磁性材料动态特性5.1基本知识（1）动态磁化曲线动态磁化曲线一般指工作在工频以上交变磁场中的磁性材料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。由于磁性材料的非线性，如果B或H为正弦函数，另外一个必为非正弦函数。（2）动态磁滞回线磁性材料处于交变磁场中时，除有磁滞损耗外，还产生涡流损耗。其动态磁滞回线较静态磁滞回线要宽，封闭的面积大，而且涡流的去磁作用使对应于相同Hmax值的Bmax小一些。.9第五章磁性电测仪表5.1.2磁性材料动态特性5.交流磁化曲线.交流磁化曲线.10

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.115.1.3磁学量的度量单位

第五章磁性电测仪表.5.1.3磁学量的度量单位第五章磁性电测仪表.12135.2空间磁场、磁通的测量

第五章磁性电测仪表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（不讲）5.2.3基于霍尔效应的测量方法5.2.4用核磁共振法测量磁场（不讲）.135.2空间磁场、磁通的测量第五章磁性电测仪表5.145.2空间磁场、磁通的测量（1）基于电磁感应的测量方法：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

第五章磁性电测仪表.145.2空间磁场、磁通的测量（1）基于电磁感应的测量方法15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

第五章磁性电测仪表5.2空间磁场、磁通的测量.15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16线圈中的感应电动势5.2空间磁场、磁通测量

第五章磁性电测仪表

.16线圈中的感应电动势5.2空间磁场、磁通测量第五章175.2空间磁场、磁通测量测量

的电路图，如何推导？

第五章磁性电测仪表

S1S2S4S3？S1，S3闭合，S2任意S4接1，调节Rp达到合适电流IS3打开，S2接2。.175.2空间磁场、磁通测量测量的电路图18(2)用磁通表测量磁通

第五章磁性电测仪表冲击法测量操作复杂、费时，但是准确度高。磁通表法操作简单，准确度比冲击法低。

磁通表与普通磁电系检流计比没有反作用力矩的张丝，即W=0。.18(2)用磁通表测量磁通第五章磁性电测仪表19阻尼因数感应电势和电路参数有如下关系磁通表的运动方程为

第五章磁性电测仪表.19阻尼因数第五章磁性电测仪表.20代入式并在时间

内积分得式中

第五章磁性电测仪表.20代入式并在21把初始条件代入积分式得

第五章磁性电测仪表有错误！！.21把初始条件代入积分式得第五章磁性电测仪表有错误！22磁通表的磁通常数

被测的磁通值为被测磁场的磁感应强度为被测磁场的磁场强度为

第五章磁性电测仪表.22磁通表的磁通常数被测的磁通值为第五章磁性电测仪表235.2空间磁场、磁通测量5.2.2磁通门磁强计

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。

由探头和测量线路组成。探头实际上是一个磁传感器，由高导磁、低矫顽力的软磁材料制成，并绕有励磁线圈N1和测量线圈N2。

第五章磁性电测仪表灵敏度高、简单、可靠、体积小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。.235.2空间磁场、磁通测量5.2.2磁通门磁强计利245.2空间磁场、磁通测量

第五章磁性电测仪表.245.2空间磁场、磁通测量第五章磁性电测仪表.255.2空间磁场、磁通测量

第五章磁性电测仪表.255.2空间磁场、磁通测量第五章磁性电测仪表.265.2空间磁场、磁通测量

当沿传感器轴向的待测磁场H0不为零，检测绕组就有偶次谐波电压eS输出，经滤波网络送入选频放大器。仅对频率为2f0的信号有放大作用，e2送入相敏检波器。把e2的相位与移相器送来频率为2f0的参考电压的相位进行比较。

相敏检波器输出电压的极性可以鉴别待测磁场的方向。相敏检波器输出为直流电压，经直流放大后送到测量仪或记录仪。输出的大小正比于待测磁场H0。

第五章磁性电测仪表.265.2空间磁场、磁通测量当沿传感器轴向275.2空间磁场、磁通测量

第五章磁性电测仪表5.2.3霍尔效应测量磁场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

.275.2空间磁场、磁通测量第五章磁性电测仪表5.2285.2空间磁场、磁通测量

第五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实际使用中，由于UH较小需要放大，为了方便希望UH为交流。.285.2空间磁场、磁通测量第五章磁性电测仪表霍尔效295.3磁性材料的测量

第五章磁性电测仪表磁性材料的性能主要表现在磁化曲线和磁滞回线上。（1）材料的磁性能与工作条件有关。直流和交流条件下工作性能不同。交流条件下，频率不同其动态特性也有差异。（2）磁材料需要取样品测量，而且测量时样品全部工作在同一工作条件下，就是测试样品内部有均匀磁场。否则测量出的只是一种平均状态。.295.3磁性材料的测量第五章磁性电测仪表磁性材料的305.3磁性材料的测量（1）磁性材料样品环形样品中的磁势磁场强度棒状样品的磁路不闭合，应用磁导计能够将样品在铁磁材料构成的闭合磁路中磁化，构成闭合磁路的好处是提高了样品磁化的均匀度。（P105，图5.3.2）。

第五章磁性电测仪表由于样品的内外径不同，导致截面中的磁场不均匀，为降低测量误差，一般要求：5.3.1软磁材料静态特性的测量环形样品（方形和圆形）以圆环形样品漏磁少而应用较多。.305.3磁性材料的测量（1）磁性材料样品环形样品中的磁势315.3磁性材料的测量冲击法测量环状样品直流特性的电路（1）冲击法测量环状样品的磁特性

第五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：主要任务是测量环状样品的磁感应强度。N1为励磁线圈，S2、S开关接通E；测磁化曲线时S1短接，测磁滞回线用R1

；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；

.315.3磁性材料的测量冲击法测量环状样品直流特性的电路（325.3磁性材料的测量

第五章磁性电测仪表基本磁化曲线测量示意图.325.3磁性材料的测量第五章磁性电测仪表基本磁化335.3磁性材料的测量

第五章磁性电测仪表冲击测量法测磁滞回线.335.3磁性材料的测量第五章磁性电测仪表冲击测量法345.3磁性材料的测量5.3.2软磁材料动态特性测量

第五章磁性电测仪表反复磁化下的磁滞回线称为“动态磁滞回线”；各磁化曲线定点的连线称为“交流磁化曲线”；交流下磁性材料的磁感应强度B和磁场强度H之间存在相位差；两者波形不同，一个是正弦波，另一个是含有高次谐波的交流分量；材料的交流磁导率是复数；磁性材料的动态测量的对象主要是软磁材料；测量其动态特性的主要任务是测量交流磁滞回线、交流磁化曲线和损耗；测量过程都是基于感应原理，通过测量电学量或电参数，再由计算获得交流磁性参数；通过“铁磁示波器”测量动态磁滞回线；通过伏安法、电阻法、互感法、自动测试记录等方法测量动态磁化曲线。.345.3磁性材料的测量5.3.2软磁材料动态特性测量铁磁示波器原理图用电阻法测量动态磁化曲线.铁磁示波器原理图用电阻法测量动态磁化曲线.35365.3磁性材料的测量5.3.3软磁材料损耗测量（不讲）

第五章磁性电测仪表铁损是指在交流条件下，软磁材料每磁化一周所消耗能量的大小与磁化频率f的乘积；单位质量的损耗称为“比铁损”；单位体积的损耗除以材料的密度＝比铁损；铁损按机理可分为磁滞损耗、涡流损耗和后效损耗三部分，金属软磁材料主要是磁滞和涡流损耗，铁氧体软磁材料主要是涡流和后效损耗；软磁材料应用最大的是硅钢片。硅钢片铁损的测量方法主要是功率表法，也称为“爱泼斯坦方圈”法。back.365.3磁性材料的测量5.3.3软磁材料损耗测量（不37作业：P1125.15.55.9

第五章磁性电测仪表.37作业：P112第五章磁性电测仪表.38

第五章磁性电测仪表主要内容：5.1基础知识5.2空间磁场、磁通的测量5.3磁性材料的测量.1第五章磁性电测仪表主要内容：.39

第五章磁性电测仪表

磁测量主要包括对空间磁参量的测量（涉及空间磁场的大小、方向、梯度、其随时间的变化等

）和对磁性材料（在一定磁场下对磁化强度及各种环境条件下的磁学量

）性质的测量。

空间磁参量测量的主要对象：空间磁场的磁通量F；磁场强度H

磁通密度（磁感应强度）B

等。

.2第五章磁性电测仪表磁测量主要包括对空间磁参量的测40磁性材料分为:软磁材料：软铁、硅钢、坡莫合金、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。（永久磁铁）

常用于恒定磁场源。

保磁性能良好。

第五章磁性电测仪表.3磁性材料分为:软磁材料：软铁、硅钢、坡莫合金、软磁铁氧体、41磁场测量的主要任务：揭示材料在外磁场的作用下所表现出的宏观磁特性。在磁性材料中，磁场强度H与磁感应强度B（磁通密度）之间具有非线性和非单值特性。在不同激励条件下的磁导率和不同频率下的损耗。

第五章磁性电测仪表.4磁场测量的主要任务：揭示材料在外磁场的作用下所表现出的宏观42磁场测量依据的主要原理：电磁感应定律：磁和电现象之间的相互关系。表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。安培定律：描述了载流导线在磁场中受电动力F=ILB。表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。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。以方程描述，电流在其周围所产生的磁场。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）、磁敏效应等。

第五章磁性电测仪表.5磁场测量依据的主要原理：电磁感应定律：磁和电现象之间的相互435.1基础知识

第五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。（1）磁化曲线5.1.1磁性材料静态特性磁中性状态-磁化-饱和磁化强度.65.1基础知识第五章磁性电测仪表磁化曲线材料在恒定44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

第五章磁性电测仪表5.1基本知识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。（2）磁滞现象与静态磁化曲线.7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（3）磁导率软磁材料的磁导率曲线

基本磁化曲线在接近H=0处的磁导率为:通过坐标原点对基本磁化曲线所做切线的斜率成为最大磁导率。.（3）磁导率软磁材料的磁导率曲线基本磁化曲线在接近H=0处4546

第五章磁性电测仪表5.1.2磁性材料动态特性5.1基本知识（1）动态磁化曲线动态磁化曲线一般指工作在工频以上交变磁场中的磁性材料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。由于磁性材料的非线性，如果B或H为正弦函数，另外一个必为非正弦函数。（2）动态磁滞回线磁性材料处于交变磁场中时，除有磁滞损耗外，还产生涡流损耗。其动态磁滞回线较静态磁滞回线要宽，封闭的面积大，而且涡流的去磁作用使对应于相同Hmax值的Bmax小一些。.9第五章磁性电测仪表5.1.2磁性材料动态特性5.交流磁化曲线.交流磁化曲线.47

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.485.1.3磁学量的度量单位

第五章磁性电测仪表.5.1.3磁学量的度量单位第五章磁性电测仪表.49505.2空间磁场、磁通的测量

第五章磁性电测仪表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（不讲）5.2.3基于霍尔效应的测量方法5.2.4用核磁共振法测量磁场（不讲）.135.2空间磁场、磁通的测量第五章磁性电测仪表5.515.2空间磁场、磁通的测量（1）基于电磁感应的测量方法：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

第五章磁性电测仪表.145.2空间磁场、磁通的测量（1）基于电磁感应的测量方法52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

第五章磁性电测仪表5.2空间磁场、磁通的测量.15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53线圈中的感应电动势5.2空间磁场、磁通测量

第五章磁性电测仪表

.16线圈中的感应电动势5.2空间磁场、磁通测量第五章545.2空间磁场、磁通测量测量

的电路图，如何推导？

第五章磁性电测仪表

S1S2S4S3？S1，S3闭合，S2任意S4接1，调节Rp达到合适电流IS3打开，S2接2。.175.2空间磁场、磁通测量测量的电路图55(2)用磁通表测量磁通

第五章磁性电测仪表冲击法测量操作复杂、费时，但是准确度高。磁通表法操作简单，准确度比冲击法低。

磁通表与普通磁电系检流计比没有反作用力矩的张丝，即W=0。.18(2)用磁通表测量磁通第五章磁性电测仪表56阻尼因数感应电势和电路参数有如下关系磁通表的运动方程为

第五章磁性电测仪表.19阻尼因数第五章磁性电测仪表.57代入式并在时间

内积分得式中

第五章磁性电测仪表.20代入式并在58把初始条件代入积分式得

第五章磁性电测仪表有错误！！.21把初始条件代入积分式得第五章磁性电测仪表有错误！59磁通表的磁通常数

被测的磁通值为被测磁场的磁感应强度为被测磁场的磁场强度为

第五章磁性电测仪表.22磁通表的磁通常数被测的磁通值为第五章磁性电测仪表605.2空间磁场、磁通测量5.2.2磁通门磁强计

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。

由探头和测量线路组成。探头实际上是一个磁传感器，由高导磁、低矫顽力的软磁材料制成，并绕有励磁线圈N1和测量线圈N2。

第五章磁性电测仪表灵敏度高、简单、可靠、体积小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。.235.2空间磁场、磁通测量5.2.2磁通门磁强计利615.2空间磁场、磁通测量

第五章磁性电测仪表.245.2空间磁场、磁通测量第五章磁性电测仪表.625.2空间磁场、磁通测量

第五章磁性电测仪表.255.2空间磁场、磁通测量第五章磁性电测仪表.635.2空间磁场、磁通测量

当沿传感器轴向的待测磁场H0不为零，检测绕组就有偶次谐波电压eS输出，经滤波网络送入选频放大器。仅对频率为2f0的信号有放大作用，e2送入相敏检波器。把e2的相位与移相器送来频率为2f0的参考电压的相位进行比较。

相敏检波器输出电压的极性可以鉴别待测磁场的方向。相敏检波器输出为直流电压，经直流放大后送到测量仪或记录仪。输出的大小正比于待测磁场H0。

第五章磁性电测仪表.265.2空间磁场、磁通测量当沿传感器轴向645.2空间磁场、磁通测量

第五章磁性电测仪表5.2.3霍尔效应测量磁场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

.275.2空间磁场、磁通测量第五章磁性电测仪表5.2655.2空间磁场、磁通测量

第五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实际使用中，由于UH较小需要放大，为了方便希望UH为交流。.285.2空间磁场、磁通测量第五章磁性电测仪表霍尔效665.3磁性材料的测量

第五章磁性电测仪表磁性材料的性能主要表现在磁化曲线和磁滞回线上。（1）材料的磁性能与工作条件有关。直流和交流条件下工作性能不同。交流条件下，频率不同其动态特性也有差异。（2）磁材料需要取样品测量，而且测量时样品全部工作在同一工作条件下，就是测试样品内部有均匀磁场。否则测量出的只是一种平均状态。.295.3磁性材料的测量第五章磁性电测仪表磁性材料的675.3磁性材料的测量（1）磁性材料样品环形样品中的磁势磁场强度棒状样品的磁路不闭合，应用磁导计能够将样品在铁磁材料构成的闭合磁路中磁化，构成闭合磁路的好处是提高了样品磁化的均匀度。（P105，图5.3.2）。

第五章磁性电测仪表由于样品的内外径不同，导致截面中的磁场不均匀，为降低测量误差，一般要求：5.3.1软磁材料静态特性的测量环形样品（方形和圆形）以圆环形样品漏磁少而应用较多。.305.3磁性材料的测量（1）磁