第五章磁性电测仪表课件.pptx

1、1 第五章 磁性电测仪表主要内容：主要内容：5.1 基础知识基础知识5.2 空间空间磁场、磁通的测量磁场、磁通的测量5.3 磁性材料磁性材料的测量的测量.2 第五章 磁性电测仪表磁测量主要包括对磁测量主要包括对空间磁参量空间磁参量的测量（的测量（涉及空间磁场的大小、涉及空间磁场的大小、方向、梯度、其随时间的变化等方向、梯度、其随时间的变化等）和对）和对磁性材料（磁性材料（在一定磁场下在一定磁场下对对磁化强度磁化强度及各种环境条件下的磁学量及各种环境条件下的磁学量）性质）性质的测量。的测量。空间磁参量测量的主要对象：空间磁参量测量的主要对象：空间磁场的磁通量空间磁场的磁通量F F；磁场强度磁场强

2、度 H 磁通密度（磁感应强度）磁通密度（磁感应强度）B 等。等。.3软磁材料：软磁材料：软铁、硅钢软铁、硅钢、坡坡莫合金莫合金、软磁铁氧体、非晶和、软磁铁氧体、非晶和超微晶合金等。超微晶合金等。常用常用于恒定磁场、交变磁场、交直流同时激励、脉冲于恒定磁场、交变磁场、交直流同时激励、脉冲磁场中的导磁体。磁场中的导磁体。损耗损耗低、导磁性能良好低、导磁性能良好。硬磁材料：硬磁材料：钨钢、铬钢、铝镍钴合金、含稀土元素的合金、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）硬磁铁氧体等。（永久磁铁）常用常用于恒定磁场源。于恒定磁场源。保保磁性能良好。磁性能良好。第五章 磁性电测仪表

3、.4磁场测量的主要任务：磁场测量的主要任务：揭示揭示材料材料在外磁场的作用下所表现出的宏观磁特性。在外磁场的作用下所表现出的宏观磁特性。在磁性材料中，磁场强度在磁性材料中，磁场强度H H与磁感应强度与磁感应强度B B（磁通密度）之间具（磁通密度）之间具有有非线性和非单值特性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。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.5电磁感应电磁感应定律定律：磁和电现象之间的相互关系：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。安培定律安培定律：描述了载流导线在磁场中受电动力：描述了载流导线在磁

4、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。毕奥毕奥-沙伐定律沙伐定律：在一个坐标系中载流导线在考察点产生的磁场强度：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：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。应而量子化。物质的磁效应物质的磁效应，主要包括霍尔效应、磁电阻效应、核磁共振效应、磁光效应（法，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。拉第效应

5、、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.65.1 基础知识 第五章 磁性电测仪表材料材料在恒定或非常低频（约几在恒定或非常低频（约几Hz）的交变场的作用下的）的交变场的作用下的特性。特性。（1 1）磁化曲线）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.7 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。磁。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。滞回线所包含的面积代表外磁场对材

6、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）磁滞现象与静态磁化曲线.（3）磁导率）磁导率 HBHi0lim基本基本磁化曲线在接近磁化曲线在接近H=0处的磁导率为处的磁导率为: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。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。.9 第五章 磁性电测仪表5.1.2 磁性材料动态特性磁性材料动态特性5.1 基本知识（1）动态磁化曲线）动态磁化曲线 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曲曲线。线。纵坐标可以是纵坐标可以是Bmax（最大值）（

7、最大值）、Bav（平均值）（平均值）或或Brms（有效值）（有效值）等，横等，横坐标可以是坐标可以是Hmax、Hrms等，采用哪种，由工程技术决定。等，采用哪种，由工程技术决定。由于磁性材由于磁性材料的非线性，如果料的非线性，如果B或或H为正弦函数，另外一个必为非正弦函数。为正弦函数，另外一个必为非正弦函数。（2）动态磁滞回线）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。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磁

8、作用使对应于相同Hmax值的值的Bmax 小一些。小一些。.交流磁化曲线交流磁化曲线.211111jeHBHBj.5.1.3 磁学量的度量单位磁学量的度量单位 第五章 磁性电测仪表.135.2 空间磁场、磁通的测量 第五章 磁性电测仪表5.2.1 基于基于电磁感应原理的测量方法电磁感应原理的测量方法5.2.2 基于基于磁通门磁强计的磁通门磁强计的测量方法测量方法（不讲）（不讲）5.2.3 基于基于霍尔效应的霍尔效应的测量方法测量方法5.2.4 用核磁共振法测量磁场（不讲）用核磁共振法测量磁场（不讲）.145.2 空间磁场、磁通的测量（1）基于电磁感应的测量方法：）基于电磁感应的测量方法：穿过穿

9、过线圈的线圈的变化变化磁通会在线圈两端产生感应磁通会在线圈两端产生感应电势。电势。被测磁场：按正弦规律变化的交流磁场被测磁场：按正弦规律变化的交流磁场sinmtF F感应电动势感应电动势cosF FmddeNNtdtdt2mUNF 2FmmBUSSN 第五章 磁性电测仪表.15直流直流磁场磁场?变化变化改变人为改变通过测量线圈的磁通人为改变通过测量线圈的磁通脉冲感应电动势脉冲感应电动势冲击法冲击法磁通表法磁通表法冲击检流计冲击检流计 第五章 磁性电测仪表5.2 空间磁场、磁通的测量.16F ddieNiRLdtdt线圈中的感应电动势线圈中的感应电动势222111FttttttddiNdtRid

10、tLdtdtdt21()NRQF F21tqmtQidt C21()FF F FmCNqCRCF5.2 空间磁场、磁通测量 第五章 磁性电测仪表SBFSBH00F.175.2 空间磁场、磁通测量测量测量 的的电路图，如何推导？电路图，如何推导？CF 第五章 磁性电测仪表IMdtdiMdtd2mC FIMCmF2S1S2S4S3？S1，S3闭合，闭合，S2任意任意 S4接接1，调节，调节Rp达到合适电流达到合适电流I S3 打开，打开，S2接接2。.18(2)用磁通表测量磁通用磁通表测量磁通 第五章 磁性电测仪表 冲击法测量操作复杂、费时，冲击法测量操作复杂、费时，但是准确度高。磁通表法操作简但

11、是准确度高。磁通表法操作简单，准确度比冲击法低。单，准确度比冲击法低。磁通表与普通磁电系检流磁通表与普通磁电系检流计比没有反作用力矩的张丝，即计比没有反作用力矩的张丝，即W=0。.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0/(2)PJW dtdiLiRedtdNFdtdiRLRei2002ddJPidtdt 第五章 磁性电测仪表.20代入式 并在时间 内积分得dtdiRLRei21 tt2221112120020()()ttttttttdddiJdtPdteLdtdtdtRdtddiNLdtRdtdtF式中(/)eN ddtF 第五章 磁性电测仪表.21把初始条件代入积分式得

12、 22221111000ttttttttdJPNitdtRRF002121()()PNRF F001NNP RCFF F 第五章 磁性电测仪表有错误！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00/CP RF1CNFF 1BCSNSFF0BH 第五章 磁性电测仪表.235.2 空间磁场、磁通测量q 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。q 由探头和测量线路组成。q 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q

13、灵敏度高、简单、可靠、体积小q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。.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.265.2 空间磁场、磁通测量 当沿传感器轴向的待测磁场当沿传感器轴向的待测磁场 H H0 0不为零，检测绕组就有偶次不为零，检测绕组就有偶次谐波电压谐波电压 e eS S输出，经滤波网络输出，经滤波网

14、络送入选频放大器。仅对频率为送入选频放大器。仅对频率为2f2f0 0的信号有放大作用，的信号有放大作用，e e2 2送入送入相敏检波器。把相敏检波器。把e e2 2的相位与移相的相位与移相器送来频率为器送来频率为2f2f0 0的参考电压的的参考电压的相位进行比较。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H H0 0。第五章 磁性电测仪表.275.2 空间磁场、磁通

15、测量 第五章 磁性电测仪表5.2.3 霍尔效应霍尔效应测量磁场测量磁场霍尔效应是指运动着的电霍尔效应是指运动着的电荷在磁场中受力的一种物荷在磁场中受力的一种物理现象。理现象。霍尔效应测量磁场的特点：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。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（几气隙（几微米微米）中测量磁场。）中测量磁场。科学家爱德文科学家爱德文霍尔霍尔在在1879年发现的年发现的.285.2 空间磁场、磁通测量

16、第五章 磁性电测仪表霍尔效应测量霍尔效应测量磁场：磁场：半导体内载流子的速度半导体内载流子的速度IvNqabN 半导体每单位体积内的载流子数目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每个载流子的电荷量FBqv载流子在磁场内所受的电磁力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聚积起来的载流子电荷将产生相反的电场力BqvEqbqNBIvbqNIvBaEUH)(实际使用中，由于实际使用中，由于UH较小需要放大，为了方便希望较小需要放大，为了方便希望UH为交流。为交流。.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性材料的性能主要表现在

17、磁化曲线磁化曲线和和磁滞回线磁滞回线上。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）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。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）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。是一种平均状态。.305.3 磁性材料的测量（1 1）磁性材料磁性材料样品样品环形样品中的磁势环形样品中的磁势FHLIN

18、磁场强度磁场强度2INHR 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，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：场不均匀，为降低测量误差，一般要求：81INoutINoutRRRR5.3.1 软磁材料静态特性的测量软磁材料静态特性的测量 环形样品（方形和圆环形样品（方形和圆形）以圆环形

19、样品漏磁少形）以圆环形样品漏磁少而应用较多。而应用较多。.315.3 磁性材料的测量（1 1）冲击冲击法测量环状样品的磁特性法测量环状样品的磁特性 第五章 磁性电测仪表 用用冲击法测量环状样品的直流磁特性，冲击法测量环状样品的直流磁特性，样品中的样品中的H通过测量磁化电流通过测量磁化电流I I，由公式，由公式算出：算出：2INHR主要任务是测量环状样品的磁感应强度。主要任务是测量环状样品的磁感应强度。N1为励磁线圈，为励磁线圈，S2、S开关接通开关接通E；测磁化曲线时测磁化曲线时S1短接短接，测磁滞回线，测磁滞回线用用R1；N2为测量线圈，为测量线圈，P为冲击检流计。为冲击检流计。测量前样品必

20、须退磁：直流测量前样品必须退磁：直流&交流；交流；退磁后样品必须稳定一段时间；退磁后样品必须稳定一段时间；.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基本磁化曲线测量示意图.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冲击测量法测磁滞回线.345.3 磁性材料的测量5.3.2 软磁材料软磁材料动态特性测量动态特性测量 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

21、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。.铁磁示波器铁磁示波器原理图原理图用用电阻法电阻法测量动态磁化曲线测量动态磁化曲线.365.3 磁性材料的测量5.3.3 软磁材料软磁材料损耗损耗测量（不讲）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.37作业：第五章 磁性电测仪表.