电气测量技术-第9章磁测量课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第九章 磁测量,电气测量技术,1,9.1,概述,第九章：磁测量,2,磁测量的任务,磁测量的任务可归纳为三类,对磁场和磁性材料的测量,分析物质的磁结构,观察物质在磁场中的各种效应,.,在边缘学科领域中,利用磁场与其他物理量的关系,通过测量磁性来测出其他量,.,基本的磁量：磁通,、磁感应强度,B,、磁场强度,H,、磁化强度,M,、磁矩,m,3,磁量具,磁量具分类：,磁通量具：坎贝尔互感器,磁感应强度量具：永久磁铁和通电线圈,磁矩量具：椭球形永久磁铁或通电流螺线管,磁场的产生：永磁铁、通电线圈,4,9.2,基本磁规律和磁单位,第九章：磁测量,5,磁感应强度,B,磁场中长度,l,，电流,I,，与磁场方向垂直的直导体所受力,F,与磁感应强度,B,的关系为：,国际单位制，特斯拉,电磁单位制，高斯,右手螺旋准则：电流方向和产生的磁场方向之间符合,磁感应强度向量，取决于产生磁场的载流导体中电流的大小、载流导体的形状和尺寸及磁场所在空间媒质的性质,磁感应强度单位：,6,磁场强度,H,磁场强度：与磁感应强度,B,的关系为：,一个辅助量。,磁导率,：表征磁场中媒质的导磁性能,磁导率的单位,真空的磁导率,国际单位制，安培,/,米,电磁单位制，奥斯特,7,磁通,磁通：穿过某截面,S,的磁感应强度向量,B,的通量,磁通的单位,磁力线，可以让磁场分布更形象,磁力线上切线方向即为该点磁场方向。磁力线不相交,与磁力线垂直单位面积上的磁力线数目与磁感应强度成正比。,均匀磁场：各点磁感应强度相等、方向相同,磁力线为均匀分布的平行直线,面积元法线与磁感应向量间的夹角,国际单位制，韦伯,电磁单位制，麦克斯韦,8,安培环路定律,真空磁场中的形式,在真空的磁场中，沿任一闭合路径磁感应强度向量的线积分值，等于穿过该闭合路径电流的代数和与真空磁导率 的乘积,存在导磁煤质时,又,所以,在磁场中，沿任一闭合回路磁场强度向量的线积分值，等于穿过该闭合路径电流的代数和,在两种不同煤质的分界面上，磁场强度的切线分量上是连续的,9,磁通连续性原理,穿过任意闭合面的磁通代数和恒等于零,ds,方向是闭合面的外法线方向,穿过闭合面的磁通为负,穿出闭合面的磁通为正,穿进与传出磁通相等,磁力线是无头无尾的闭合曲线,两种不同媒质的分界面上，磁感应强度的法线分量连续,10,电磁感应定律,当穿过线圈的磁通链发生变化时，线圈中就产生感应电势,e,的参考方向与磁通 符合右手螺旋定则,N,为线圈的匝数,负号表明感应电势引起的电流总是企图阻止线圈中磁通的变化，这一规律常称为楞次定则,11,磁路,广义上讲，凡磁通通过的路径都称为磁路,工程，常把主磁通通过的路径，称为,磁路,由铁磁材料和气隙构成的闭合路径,主磁通，磁力线经磁轭，铁心，磁极，及气隙闭合,漏磁通，磁力线穿过磁轭经空气闭合,韦斯型电磁铁,由磁轭、带线圈的铁心、磁极及其隙组成,12,磁路定律（,1,）,无分支磁路,忽略漏磁情况下，认为通过任何截面的磁通相等,磁势 ，,磁阻 ，磁导,磁路欧姆定律,磁压,适用于磁路中具有相同截面的任何一段,13,磁路定律（,2,）,有分支磁路,磁路的基尔霍夫第一定律：穿过闭合面的磁通代数和为零,穿出闭合面的磁通取正，反之取负,在磁路中不同的截面处的,B,不一定相同，不同的材料的磁导率不同，因此各段磁路的磁场强度,H,有所不同,根据,H,值对磁路分段,磁路的基尔霍夫第二定律,H,与,L,方向一致取正，反之取负,I,与,L,符合右手螺旋定则，则,N,I,取正，反之取负,14,磁单位（,1,）,15,磁单位（,2,）,16,9.3,物质的磁性及分类,第九章：磁测量,17,物质按磁性分类,物质的磁性能由分子电流产生,轨道磁矩：电子环绕原子核作轨道运动，产生的磁矩,自旋磁矩：电子围绕自身固有轴旋转，产生的磁矩,一般物质对外的宏观磁特性是中性的,处于外磁场时，要被外磁场磁化，表现出宏观磁特性,物质按磁性能分类,顺磁物质,：,略大于,反磁物质,：,略小于,铁磁物质,：,相对磁导率（无量纲）,在工程上常把铁磁物质称为磁性材料或强磁物质，把顺磁物质与反磁物质称为非磁性材料或弱磁性物质,18,铁磁物质的磁化（,1,）,磁畴：没有外磁场的情况下，铁磁物质的自旋磁矩，可以在小范围内自发排列形成一个磁化区,磁畴是一个强大的具备磁场,对外宏观上仍为中性,外磁场作用下，磁畴排列朝向外磁场方向旋转，大大加大外磁场，使铁磁物质体现磁性。,磁畴由无序排列变为有序排列,19,铁磁物质的磁化（,2,）,铁磁物质的此状态，一般用,B-H,曲线表征,实验电路,把待测磁性材料做成闭合环状,在环上均匀密绕磁化曲线圈,N1,，通过测量磁化线圈中的电流,I,，可以算出磁场强度,H,在环上还绕有测试线圈,N2,，线圈,N2,接到冲击电流计。,当切断线圈,N1,中的电流,I,时，在线圈,N2,中要产生感应电势，可测出铁芯中的磁感应强度,B,20,原始磁化曲线（,1,）,实验前，对试样进行去磁，使试样中的,H,和,B,都为零,磁中性状态，,从中性状态开始，逐渐增加电流,I,使,H,增加，同时测量对应与不同,H,下的磁感应强度,B,，然后逐点绘制出,B-H,曲线,起始磁导率：,最大磁导率：,微分磁导率：,21,原始磁化曲线（,2,）,Oa,段，起始磁化段,各磁畴略有偏转，,B,开始上升,ab,段，线性段,磁畴翻转，,B,值迅速增大,bc,段，膝部段,磁畴排列更有序，,B,增加变缓,C,点以后，饱和段,磁畴无法更有序，,B,值不再增加,22,磁滞回线,如果从磁化曲线上点,m,开始减小,H,值，这时的,B-H,关系并不是按原曲线,m-b-a-o,退回，而是沿着在它上面的另一曲线,m-r,变化,当,H=0,时，,B,并不为零，而等于 即铁磁物质仍保留一定的磁性，称为,剩磁,为了消除剩磁，必须加反向磁场，即使磁化电流,I,反向，当反向磁场 时,B=0,称为,矫顽力,从剩磁状态到完全退磁状态的一段曲线,r-c,称为,退磁曲线,铁磁物质在,m,点与 点之间，要经过反复十多次正、反向的磁化,这一过程称为,磁锻炼,，才能获得一条稳定的对称于原点的闭合曲线，它称为铁磁物质的,磁滞回线,23,磁滞回线,局部磁滞回线,如果铁磁物质在磁化过程中，磁场强度由,H,减小到 后，又从 增加到,H,，如此不断反复变化，则铁磁物质将工作在一条小回线上，这种小回线称为,局部磁滞回线,。,24,基本磁化曲线,磁滞回线的形状与最大磁场强度,Hm,的值有关,用不同强度的磁场进行反复磁化，可获得一系列大小不等的磁滞回线，将各条磁滞回线的正顶点连成的曲线称为铁磁物质的基本磁化曲线，通常简称,磁化曲线,对每种铁磁物质来说，这条曲线是完全确定的，它,与原始磁化曲线相差很小,25,退磁,外磁场在正、负之间反复变化，同时幅值逐渐减小，最后减到,0,，即完成了铁磁材料的退磁过程,26,铁磁物质的分类,按用途基本上分三大类：,软磁材料：,如电工钢片,(,硅钢片,),、铁镍合金、铁金氧磁体等，,常用来做电机、变压器、继电器的铁芯,硬磁材料：,如钨钢、钴钢等，,可用来做永久磁钢,矩磁材料：,如电子计算机存储器中的磁芯,27,9.4,磁场的基本测量方法,第九章：磁测量,28,磁场,的,基本测量方法,上式两边同时对时间积分：,t,0,为磁通变化持续时间，考虑到：,有：,式中Q为冲击检流计总电量，将检流计特性:,带入上式，得：,冲击法,29,磁通表法,与冲击法类似,用磁通计取代检流计,当测量线圈中磁通发生变化时，感应出电势,e,，并在测量回路中产生电流,I,，它们之间应满足下列方程,结合运动方程推出,磁通表的磁链常数 是一个与回路电阻有关的常数,30,霍尔效应法,(1),基本原理,将一块金属导体或半导体薄片放在磁场中，沿垂直于磁场的方向通以电流,I,，这些运动着的电子在磁场中将受到洛伦兹力的作用，而使电子偏向薄片的,x,面，从而在,x,、,y,两个面间形成一个电压,U,H,，这个效应称为霍尔效应，电压,U,H,叫霍尔电压,31,霍尔效应法,(2),误差来源,温度误差：,霍尔系数,R,H,随温度变化带来的误差较大,这可采用恒温装置或其他温度补偿办法,；,不等电位差：霍尔电压引出电极位置不对称引起外磁场为零，霍尔电压不为零；,恒流源不稳定造成误差,32,9.5,静态磁特性的测量,第九章：磁测量,33,磁性材料试样的准备,磁性材料使用直流磁场磁化测得的磁特性，称为静态磁特性,环形：,棒形：,34,样品的退磁,退磁方法,热退磁,热退磁是将样品加热到材料的居里点以上，然后在无外加磁场的条件下，缓慢冷却至室温。这种方法的优点是退磁完全，而且能消除应力的作用，但操作手续麻烦，且可能导致样品晶粒结构的变化，因此在实际测量中，经常使用的是交流退磁的方法。,交流退磁,调节自耦变压器,T,，从最大磁化电流,I,逐渐减小至零，这时样品中的磁场强度按退磁过程逐渐减小到零。,或者磁化电流固定不调，将样品从螺线管中取出，慢慢远离螺线管，其退磁效果与调磁化电流是一样的,35,样品的退磁,超低频（直流）退磁,用交变磁场退磁时，由于集肤效应的存在，只能退去样品靠近表面层的剩磁。如果样品在整个截面上有剩磁存在时，则需用直流超低频换向方法，其退磁电流曲线下图所示,36,用冲击法测量基本磁化曲线和磁滞回线,原理电路由测量电路、磁化电路、测定冲击常数 电路和退磁电路等四部分组成,37,基本磁化曲线的测量,基本磁化曲线的测量基本磁化曲线是一系列不同,H,m,值下磁滞回线顶点的轨迹,测量步骤,根据待测,Hm,值，通过,R1,调节磁化电流,I,，且有：,开关,K1,合向,AC,，用自耦变压器,T,对样品进行退磁,开关,K2,对样品进行磁锻,，并使磁锻后样品中的磁场强度处于,Hm,（即磁化电流为,I,）,切断磁化电流，使磁场强度,Hm,下降为零，此时于,Hm,相对应的,Bm,下降为,Br,（,Br,为剩磁）。在测量线圈,W2,中磁感应强度的变化为：,磁化电流反向降至,-I,，磁场强度由,0,Hm,，此时磁感应强度相应,:,Br,Bm,，,W2,中磁感应强度的变化为,于是,根据上述五步，在不同的磁化电流下可测出相应的,Bm,和,Hm,值，连接这些点，得到基本磁化曲线,38,（1）按测量基本磁化曲线的方法，测出Bm与Br,算出Hm，即：,（2）,使样品的磁状态从c点回到a点，并停在点a上。,步骤：,（3）在磁滞回线ab段上，B、H的测量：,打开K3，将磁化电流减小到d点对应的I,1,，此时：,当磁化电流从,I,m,I,1,时，由测量线圈测 ，则点d的磁感应强度:,(4)再切断磁化电流，使样品从点d沿着回路变到H0与BBr磁状态。,（5）磁滞回线bc断上，B、H值的测量：,将磁化电流由0减小到I1（开关K3断开，将开关K2换向），此时:,磁滞回线的测量（,1,）,39,(6),在电流从0减小到,I,1时，由测量线圈测出B,4,，则点e的磁感应强度,(7)再使磁化电流沿着磁滞回线从点e,点c,点a变化。于是，样品中的B、H值又恢复到磁滞回线的点a。,(8)利用电阻R4调节不同磁化电流值，反复(3)(6)步，即可测出一半的磁滞回线，根据回线的对称性，就可以绘出完整的磁滞回线,。,磁滞回线的测量（,2,）,40,冲击法的测量误差,冲击法的测量误差冲击法测量误差的来源使组成测量线路的各个环节和试样本身。,主要有,冲击检流计的非瞬时误差,样品中由于磁通变化引起涡流使磁化不均匀,试样径向尺寸过大引起的不均匀磁化以及其他表计和标准互感所代来的误差,41,9.6,动态磁特性的测量,第九章：磁测量,42,动态磁特性,动态磁特性的测量动态磁特性是指磁性材料在交变磁场中的磁性能,应用于工频与音频范围内的磁性材料，表征其动态特性的参量是交流磁化曲线，动态磁滞回线和铁损,在高频下使用的高磁导率软磁合金或铁金氧材料，表征其动态特性主要是复数磁导率以及复磁导率随频率变化的曲线,43,设被测试样中磁感应强度为：,则W2中的感应电压为