磁感应强度及其测试方法

磁感应强度及其测试方法贾聪（河北联合大学轻工学院09金属材料工程2班，唐山，063000）摘要：介绍了测试磁感应强度的传统方法如，利用电磁感应的原理、利用磁强计矢量法测量，利用磁场对导电液体的作用等测量，还有利用力敏传感器和安培定律，基于光纤光栅差分群时延等新型方法，以及磁感应强度测量在针织物表面和测量硅钢表面磁感应强度的应用，最后设想磁感应强度测试仪。关键字：磁感应强度；电磁感应；力敏传感器；光纤光栅；硅钢1引言磁感应强度是描述磁场强弱的物理量，是电磁学试验中比较重要的一种物理参数，由于磁场是一种看不见摸不着的特殊物质[1],磁感应强度很难用直接的方法进行测量。因此，本文介绍了多种传统和新型的测量磁感应强度的方法与原理，并且在传统和新型测量方法的对比下，我们可以了解到新型的方法可以简单直接准确地测量弱磁感应强度。2传统方法测量磁感应强度2.1用磁强计矢量法测量在实验精度要求不高的情况下，可以利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（或其他标准磁场）中磁强计指针（一根小磁针）指向地磁场的水平分量为B，当待测磁场的磁感应强度B与B垂直地作用在磁强计上时，指针将偏转*个角度。 水平已知水平的值B，测量出0直就可以求出B为B=B水平Un9 ⑴2.2利用电流天平电流天平是一种用来测定磁感应强度的装置，在天平右盘下固定一个矩形线圈，一部分处在匀强磁场中，如图1所示，未通电时，左盘放适当的砝码使天平平衡。测量时，线ISM中通入电流I，此时需再在左盘放质量为m的砝码，天平才能重新平衡。线圈M的匝数为n，切割磁感线部分的边长为L，则磁感应强度B的大小可通过下列方程求得。

XXXXXXA^_l/XXX

zriLMXXX△图1电流天平左盘增加的砝码重力等于右盘所受的安培力nBIL=mg (2)解得 b=mg ⑶nIL用这种方法测量磁感应强度，原理比较简单，测量时天平调整操作要求较高，设计时有游码作微调。提高精度可增加线圈的匝数山增大电流1,增长线圈切割磁感线部分的长度L，但增长L有一定的限制。这种方法的依据是磁场对电流力的作用原理。2.3利用磁场对导电液体的作用图2所示是一个可以用来测量磁感应强度的装置，长方体绝缘容器内部高为L，厚为d，左右两侧等高处装有两根完全相同的开口向上的管子a、b，上下两侧装有电极C(正极)和D(负极)并经开关与电源连接；容器中注满能导电的液体，液体的密度为P。将容器置于匀强磁场中，磁场方向垂直纸面向里。当开关断开时，竖直管子a、b中的液面高度相同；开关s闭合后，a、b管中液面将出现高度差h。图2测量磁感应强度的装置当开关S闭合后，回路中会产生由C到D的电流，在磁场中会受到向右的安培力的作用，安培力在右侧产生一定的压强，此压强可支持一定的液柱，从而使a、b管中产生高度差h，因此b管中液柱比a管中液柱高。液体中的安培力与两侧的压力差相等BIL=Pgh(L) (4)d解得 B=些 (5)ILd磁感应强度B通过测量而得，由表达式可知h=也，所以要提高测量的灵敏Pgh度，应有比较明显的高度差。只有当1很大，pd又很小时，即使B很微弱，高度差也比较明显。这种方法的依据是磁场对电流的作用原理。2.4利用霍尔效应磁强计实际上是利用霍尔效应来测量磁感强度B的仪器。如图4所示，一块导体接上a、b、c、d四个电极，将导体放在图示的匀强磁场中，a、b间通以电流I，c、d间就会出现电势差。已知接c、d两电极的两导体表面相距为l，导体宽度为l'，只要测出c、d间的电势差Ucd，就可测得B。图3磁强计3新型方法测量磁感应强度3.1基于光纤光栅差分群时延的磁感应强度测量光纤光栅是对外界条件如应力、温度等都很敏感的器件。在光纤光栅磁感应强度测量中，最常见的方法是利用外界物质在光纤光栅外涂上磁致伸缩材料中形成外应力，将光纤光栅镶入磁致伸缩材料中形成磁感应强度传感头，通过磁力效应对光纤光栅形成外应力，基于光纤光栅对外应力的敏感性，达到磁感应强度探测目的。利用光纤光栅中左旋和右旋圆偏振光的群时延差与外加磁感应强度之间的关系来测量磁感应强度的新方法，该方法能够简单直接地测量磁感应强度［3］。3.1.1测量原理(1)法拉第效应根据菲涅耳理论，一束线偏振光可以分解为两束频率相同、振幅相等、旋转方向相反的圆偏振光。透过某些材料传输时，在磁感应强度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

(6)(n一n)nl(6)1X式中ni和n,分别为左旋偏振光和右旋偏振光的有效折射率，入为入射光波长，l为偏振光所经历的长度。由法拉第效应可知9=VIB (7)式中，▼反映了磁感应强度对物质旋光作用影响的程度，称为Verdet常数，B为磁感应强度。由(6)，(7)式可得由磁感应强度引起的光纤左旋和右旋圆偏振光折射率之差为VBA/n。(2)DGD峰值待测磁感应强度导致的光纤布拉格光栅差分群时延对于光纤布拉格光栅(FBG)的群时延为Kl., ,(8) srnh(aL)cosh(ot)-L

以b2(8)K2——cosh2(oL)—1b2在外加磁感应强度作用下，由于法拉第效应，左旋和右旋圆偏振光在光栅中的传播常数会有一定的差异，于是将左旋和右旋圆偏振光的群时延分别记为气和Tb。定义左旋和右旋圆偏振光之间的差分群时延(DGD测为它们之间的群时延差，得到DGD与波长的关系，根据用DGD峰值来测量磁感应强度。彭辉等人又通过仿真分析，由实验验证得出随磁感应强度的增加，DGD的峰值也在增加，这与仿真相一致。从而证实了这种方法的可行性。3.2利用力敏传感器和安培定律测量磁感应强度[4]3.2.1实验装置实验装置如图4所示，图中1为支架，2为力敏传感器，3为数字电压表，4为底座，5为II线框，6为永久磁铁，7为II型线框供电电源。3.2.2实验方法力敏传感器定标将传感器的固定杆安装在立柱上，调节固定杆，使传感器弹簧片与竖直方向垂直，接通电源和数字电压表，预热15min后，挂上砝码盘，对数字电压表进行调零。将定标用的标准砝码依次加在砝码盘中，并从数字电压表上依次读出对应的电压输出值。用最小乘法计算力敏传感器的灵敏度K。按图4放置仪器和各器件，将II线框用一个绝缘悬丝固定在力敏传感器的挂钩上，并用软细铜丝连接II线框与电源。调节线框佛c段水平，且线框平面与磁场垂直。然后按下列步骤操作：调节电源使通过线框的电流为零，读出力敏传感器的输出电压U0。改变线框电流，读出力敏传感器输出电压U。继续增大电流，读出8组不同电流对应的输出电压。用游标卡尺测量线框bc段的长度l。将测量结果代入式B=土，0中即得测量结果。KIl4磁感应强度测量的应用4.1准确测量硅钢表面磁感应强度[5]多年来，各个单位在使用特斯拉计测量磁钢的表面磁感应强度一直存在着：不同的特斯拉计测量的结果不同。其反应也比较强烈，苌红卫等人认为：产生的原因是由于磁钢表面的磁场不均匀且发散。在测量时，由于探头内霍尔片距探头表面的封装距离不一样，穿过霍尔片的磁力线的数量也不一样，不同的人员在寻找磁场最大点时也无法统一，这就是造成上面的不同的原因。4.1.1实验方法用两台不同的特斯拉计分别测量同一磁钢并记下最大值；然后，在磁钢表面上放一个0.2mm厚的纸板再测，同样记下最大值；SHT-1型测量的数据在隔0.2mm厚的纸板后减少36mT。就是说，磁感应强度衰减了15%。用SHT-1型特斯拉计配有的厚、薄两只探头，分别测量同一磁钢及均匀磁场。通过实验表明：在均匀磁场中，不同的特斯拉计、不同的探头在均匀磁场中所测数据相同，在磁钢表面非均匀磁场中探头越薄所测数据越大，越接近实际值。这与前面的原因论述相吻合。4.1.2实验结果由于探头是已经封装好的，没办法去移动霍尔元件，只有用多台特斯拉计的探头正、反两面去测量同一磁钢，以显示值的绝对值最大为准。在使用厚探头测量时，应提醒测试人员的是：应使探头紧贴在磁钢表面，缓慢移动，找到较大点时，应上、下、左、右轻微转动探头使霍尔元件垂直于磁力线，以测得磁钢表面磁感应强度最大值。使用薄探头测量时，也应上、下、左、右轻微转动探头使霍尔元件垂直于磁力线，以测得磁钢表面磁感应强度最大值，但应小心谨慎、尽量减小摩擦，以免损坏探头。由于霍尔元件不可能直接紧贴磁钢表面，无论薄探头所测数据再接近磁钢表面磁感应强度的实际值，所测的数据仍小于磁钢表面磁感应强度实际值。4.2磁性针织物表面磁感应强度测量［6］4.2.1实验方法校准磁通系数后可测量被测的磁性织物表面磁感应强度。被测样品放置无磁性平面上，磁头缝隙面紧贴磁性样品表面，启动计算机软面板，输入被测样品有效宽度，大约以20cm/s的速度紧贴磁性样品表面匀速扫过。当被测样品有磁性时，计算机屏幕上显示磁头扫过部位的磁感应曲线、最大感应电压值、样品磁通、表面磁感应值。4.2.2实验结果用磁头感应法测量柔软的、磁性较弱的、分布值离散的磁性针织物表面磁感应强度是有效的，可用于国内磁性针织物表面磁感应强度的检测。表面磁感应强度测量范围0.05mT〜5mT(0.5Gs-50Gs)，分辨率为0.003mT(0.03Gs)，测量不确定度为8.2%。5磁感应强度测量仪的设想本设想的目的是提供一种既能测量磁场的磁感应强度大小，又能在三维空间内测量其磁感应强度方向的装置。图5磁感应强度测量仪设想图在图5中底座支架(1)上固定一个透明的球壳(2)，球壳的内半径为R，球壳(2)内有一半径为［的球(3)，R-rw1mm。球(3)与球壳(2)之间充有一定粘滞系数的透明液体(4)(在实施例中用酒精)，液体的密度与球的平均密度相同。取一根长为2r的磁针(5)通过球心，并要求球的质心与球心重合。这样，球(3)就会浮在球壳之内的液体中，可以沿任何方向自由转动。可将球(3)的小磁针(5)S极涂成红点，N极涂成蓝点。在球壳(2)外表面标上经纬坐标刻度(0,V)，以确定球(3)的N极或S极的指向。然后再配上磁场发生器(图中未画出)，它能使球(3)垂直于磁场方向转动90°。该装置除磁场发生器和球(3)内的磁针外，其它部分都是用非磁性材料制成。使用时将磁感应强度测量仪放在被测磁场中，相当于小磁针(5)悬浮于磁场中，小磁针即球(3)是可以在三维空间中自由转动的，由S极(红点)到N极(蓝点)的方向即为磁场的方向。由于球(3)可以在三维空间中自由转动，所以，可以测出三维空间的磁感应强度方向。然后，测量其大小。用磁场发生器使球(3)转过90°停下后，突然撤掉磁场，此时开始计时。球(3)中的磁针在被测磁场的作用下，必然有转向原来位置的趋势，当球(3)转到原位置时，记下所用的时间AT。由AT的大小可粗略估计出磁感应强度的相对大小。若要进行较精确的测量，可用标准磁场对磁感应强度测量仪进行定标，通过实验找出磁感应强度B和时间AT之间的函数关系B(AT)，或找出关于B和AT的对照表，就将磁感应强度大小的测量转换为时间的测量［7］。5结语测量磁感应强度的方法很多，从上述传统方法和新型方法的论述中可以看出，传统的方法固然简单可行，但根据计算或是简单的仪器测量的结果不精确。通过对比可得出，新兴的方法可以测量出微弱的磁感应强度，这是传统的方法所不及的。磁感应强度当前主要的发展趋势有㈤：研制一些特殊的测磁设备，如磁性导航仪、磁性探伤仪、脑磁图测试仪，在医学中研制新型医用MRI磁场测试仪等［9］。进一步提高磁场测量仪的精度和范围，扩展应用领域。例如，在磁计量方面，要求研制和复制磁基准和磁标准的磁计量仪器，并且要发展以原子常数为尺度的磁场参量自然基准；在磁传感器技术中，要求研制小尺寸的“点”探头，以便测量各种间隙磁场和不均匀磁场；测量。型电磁铁端面磁感应强度时利用霍尔元件等［10］。应用于非磁量的测量。光泵磁强计、超导量子磁强计等已引起了人们的普遍重视，在探矿、无损检测以及工、农、医、国防等部门有重要的作用。磁传感技术广泛用于测量频率、角度、位移、温度等非磁量。参考文献［1］邓文娟.测量磁感应强度的方法［J］.数理化学习(高一二版)，2011(4):25-27.⑵周洪驰.磁感应强度测量方法探讨［J］.物理通报，2007(8):61-63.［3］ 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方法［J］.中国激光，2009，36(2):398-404.［4］ 杨能勋，郭立新，许巧平.利用力敏传感器和安培定律测量磁感应强度的一种新方法［J］.大学物理，2011(9):41-44.［5］ 苌红卫，李树波，魏新.如何准确测量磁钢表面磁感应强度［J］.计量技术，2004(4):28-29.［6］ 杨春梅.磁性针织物表面磁感应强度测量［J］.第四届全国电磁计量大会文集，2007(9):411-414.［7］ 王希庆.磁感应强度测量夫人设想［J］.物理实验，2000,20(4):44-45.［8］ 李金凤.基于核磁共振方法的磁场测量仪——控制与显示部分［D］.保定:河北大学，2009:3-4.［9］ 徐雷.新型医用MRI磁场测试仪的研制［D］.泰山:泰山医学院，2006:1-2.[10]赵子珍，黄靖，黄裕展.用霍耳元件测量U型电磁铁端面的磁感应强度[J].计算机电子技