磁场测量仪（精选6篇）
磁场测量仪 篇1
1 引言
最早的磁场探测器已有2000多年的历史,通过感应地球磁场辨识方向或为舰船导航。随着现代科技的进步,磁场传感器的应用越来越广泛,磁场传感技术向着高灵敏度、高分辨率、小型化以及和电子设备兼容的方向发展。根据测量磁场类型,磁场测量装置分为:静态磁场测量仪、动态(交变)磁场测量仪;根据所测磁场能量大小,可分为:极弱磁场测量仪、中强度磁场测量仪、高能磁场测量仪。目前大部分装置主要用于测量静态磁场,并能对不同能量的静态磁场进行准确的测量;但动态磁场测量水平仍存在一定的技术差异,并且由于技术、成本等诸多因素,较少有高能、交变装置产品研发出来;对于动态磁场的测量,主要分为基于霍尔效应探头和基于磁场探测线圈探头的测量方式。
霍尔传感器目前应用最为广泛,目前国内外较常用的高斯计主要应用的就是霍尔传感器(精度更高可选择磁通门传感器),但霍尔传感器灵敏度有待提高、并且霍尔片有一定的响应时间,对于高频交变磁场不能准确测量;磁通门传感器精度较霍尔传感器更高,但测量范围非常小,仅能达到1 0-1 2 T,对高能高频脉冲磁场也不能进行准确测量。因此,提高交变磁场的测量范围,应着手提高霍尔片的性能,减小效应时间,国外在这方面研究较多,已经有性能非常好的霍尔传感器,但由于造价较高等诸多因素未能形成较好的产品;国内这方面的研究起步较晚,未能较好的解决这一问题,虽然国内部分厂家(如乐真科技)生产了测量脉冲电磁场的仪器,但是测量的频率范围(<5khz)和磁场强度范围(<1000GS)在一些应用场合中都达不到相应的要求。探测线圈测量装置主要是利用电磁感应原理,通过线圈的电动势测量动态磁场,但是运用探测线圈测量的设计方案中存在系统误差,如线圈的电阻、测量感应电动势引入电阻等问题,所以只能在一定范围内进行准确的测量。
脉冲磁场的应用非常广泛,在医疗卫生(如治疗肿瘤、防治骨质疏松)、工业生产、科学研究、武器装备等诸多领域有着重大应用。对于精度要求较高的场合(如武器装备),相应的测量仪器价格十分昂贵,本设计在测量精度、成本方面综合考虑,能在一定程度上解决造价与精度无法同时满足的问题;在其他对精度、测量范围有一定要求的许多领域,如许多涉及到脉冲磁场的科学研究、工业生产的领域,脉冲电磁场的测量也非常普遍,目前能满足多数测量需求的测量仪器,只在国外市场上有,并且仪器价格非常高,不符合国内许多应用场合的实际需求。因此,研制宽频、高精度的高能脉冲磁场的测量仪就显得意义重大符合工业发展对电磁测量技术的急需要求,具有重要的理论意义和实用价值。
2 测量仪设计
2.1 总体设计方案
高能脉冲磁场测量仪能够用于对静态、高能脉冲、高频交变磁场的多参数测量,包括数据采集、程控放大、触发模块、数据处理、人机交互、电源等电路模块以及上位机处理软件等。FPGA逻辑时序控制强,采集速度快,可应用于本方案的高频信号采集,拟使用FPGA作为高速数据采集的控制核心;ARM分析运算能力强,适合处理数据,所以采用A R M处理采集所得的数据,并控制模块间的通讯。人机交互部分采用键盘输入和液晶输出方案,以提高可操控性和实现描绘磁场曲线的功能。
其总体结构框图如图1所示。
在图1中,探头采用感应线圈或者霍尔探头,负责测量磁场强度,一般输出为微弱的电流信号。该信号经程控放大成电压信号后,经数据采集电路采集并暂存在FPGA内部。ARM对该数据进行处理,并通过液晶进行显示。其中程控放大部分为实现自动测量使用的,目的是为了得到合适的放大倍数;触发模块分为外触发和内触发,外触发采用边沿触发方式,可以保证磁场测量的同步性。FPGA负责整个电路的时序控制和数据暂存。ARM用来进行数据的处理、显示、存储以及人机交互等。另外,测量的数据可以通过串口上传到上位机,便于上位机进行数据处理。
2.2 主要功能及应用环境
高能脉冲磁场测量仪采用感应线圈或高速霍尔元件进行测量,主要能够达到以下功能:
(1)能够测量高频变化的脉冲磁场,频率范围宽;
(2)能够测量交变磁场,测量频率高;
(3)具有自动调零功能;
(4)用户可以自主控制显示单位的变换(GS、T、A/m等);
(5)通过液晶实时描绘磁场测量曲线,方便对动态磁场进行分析;
(6)能够存储测量曲线数据,以便对动态磁场进行分析;
(7)能够自动测量磁场的频率、峰值、峰值时间、持续时间等;
(8)具有超量程延时报警功能;
另外,本磁场测量仪还能实现以下附属功能:
(1)能够测量静态磁场,测量精度高;
(2)能够测量磁场的方向;
(3)能够测量并显示被测磁场环境温度,可进行多参数影响分析;
(4)具有上位机功能,能够对测量数据进行显示、分析等。
本装置能够应用于以下应用场合:
(1)继电器、接触器等电磁机构工作时的磁场测量;
(2)电磁超声换能器脉冲磁场的测量;
(3)强磁场工作环境对人体健康度影响分析;
(4)测量工频变压器漏磁场分布,分析变压器性能;
(5)各种高频动态磁场的测量场合中。
2.3 技术指标
(1)工作频率:DC~10 k Hz;
(2)测量量程:1 GS~20 000 GS;
(3)测量精度:1%;
(4)采样频率:1 MHz;
(5)自动检测:能够对磁场进行自动测量;
(6)工作温度:0℃~45℃;
(7)液晶显示:通过液晶显示测量波形;
(8)存储功能:能够自动存储测量波形;
(9)人机交互:液晶显示,按键键盘,能够显示脉冲波形,自动显示测量结果等;
(10)220 V/50 Hz交流供电或电池供电。
2.4 磁场测量探头的设计
对于脉冲磁场的测量,一般采用感应线圈或者霍尔元件实现,本课题拟采用以上2种方式进行磁场的测量。拟首先采用感应线圈对高频变化的磁场进行测量;对于频率较低的磁场,采用霍尔元件实现。
2.4.1 感应线圈
根据法拉第电磁感应定律,感应线圈置于被测磁场中,当通过线圈的磁链ψ发生变化Δψ时,则产生感应电动势е
式中t表示时间,H为磁场强度,NS为线圈常数。将上式对时间积分
假设t=0时,e(0)=0,测量e对时间的积分可以使用集成运算放大器的积分电路来实现模拟电子积分。由运放积分电路得:
联立(3)中两式,可得:
代入(2)式,整理后得到:
由此可知,测得线圈电压u0即可。
2.4.2 霍尔探头
霍尔探头是基于霍尔效应原理设计并制造的。
将一块半导体或导体材料,沿Z方向加以磁场,沿X方向通以工作电流Is,则在Y方向产生出电动势EH,如图2所示,这现象称为霍尔效应。EH称为霍尔电压。
实验表明,在磁场不太强时,电位差EH与电流强度I和磁感应强度B成正比,与板的厚度d成反比,即
式(6)RH中称为霍尔系数,式(7)KH中称为霍尔元件的灵敏度,单位为mv/(m A·T)。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子(N型半导体中的载流子是带负电荷的电子,P型半导体中的载流子是带正电荷的空穴)在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。
2.4.3 程控放大模块
为了精确测量不同幅值的信号,需对信号进行不同倍数的放大。本课题拟通过模拟开关把运算放大器的放大倍数设计为需要的放大倍数。其放大倍数采用软件灵活控制。图3为程控放大器原理图。程控放大电路由两级同相比例放大电路组成,每一级的放大倍数由模拟开关的接通状态决定。模拟开关芯片选择DG211。DG211是4通道模拟开关,具有使用简单、导通阻抗小的特点。INi管脚控制Di通道的通断(i=1~4)。运算放大器采用LF356,它具有增益带宽积高、不易振荡等特点,非常适合本电路。
2.4.4 触发模块
本课题拟设计的高能脉冲磁场测量仪可以通过以下三种方式触发采集:
(1)自动触发方式
在此方式下,可以通过人机交互界面控制采集时间,通过FPGA自动触发采集,适用于直流磁场、交流重复出现的磁场测量。
(2)电平触发方式
通过人机界面设置触发电压和触发沿,当磁场信号满足电平触发条件时,触发装置开始采集。适用于脉冲磁场、交变磁场、间断出现的磁场等的测量。
(3)外部同步触发方式
通过外部输入触发信号(如TTL或CMOS电平上升沿、下降沿等),控制装置开始采集。适用于对磁场建立时间测量较高的场合。
2.4.5 数据采集模块
数据采集电路采用12位模/数转换芯片AD7892对磁场信号进行高速采样,A D 7 8 9 2的转换速度可达600k Hz,输入信号的幅值可达±10V,单电源供电,高速完全满足本题目要求。其典型应用电路如图4所示。
2.4.6 数据处理模块
本方案拟采用ARM最小系统作为数据处理模块。
A R M最小系统完成测量仪的控制和数据分析功能。A R M最小系统由A R M微控制器,时钟芯片DS12887,JTAG调试端口和电源组成。采用意法半导体公司开发的具有最新ARM内核CORTEX-M3的芯片STM32F103作为主处理器芯片。它具有成本低,性能高的特点。内核频率72MHz,配有32位乘法器并能够完成单周期乘除法,完成1024点快速傅立叶变换只需几百毫秒。
CORTEX-M3内核的另一大特点是低功耗,全速运行时的功耗仅为0.19m W/MHz,内核电压1.8V,芯片供电电压为3.3V。调试端口兼容JTAG和SWJ-DP两种方式。
2.4.7 人机交互模块
采用彩色液晶显示屏实时输出图像与数据,使用按键选择不同的功能,能够选择显示曲线、切换显示单位,输出脉冲磁场各项参数(峰值、峰值时间等)。
2.4.8 电源模块
电源模块是实现其他功能的基础。
根据使用要求220V/50Hz交流供电,对外接电源需要进行降压、整流、滤波、稳压、散热等处理,仪器内部由于各部分使用电路和芯片不同,需要的电压也不同,因此还需要调压等操作,以达到提供不同模块所需电压要求。图6为电源模块的设计流程。
当到野外现场进行测量时,由于没有交流电提供,所以需要电池供电模块的设计,使工作环境得到扩大。
对于各部分模块使用的额定电压不同的情况,本方案选用7 8 D 0 5、A M S 1 1 1 7-3.3、A M S 1 1 1 7-2.5和AMS1117-1.2为FPGA、ARM等提供5V、3.3V、2.5V和1.2V的电压,电路图如图7所示。
2.4.9 上位机模块
本方案采用Visual C++6.0编写上位机软件,主要实现数据的采集、处理、显示、存储等。
3 测量仪实验室研发及调试
测量仪的实物图如下:
本设计能够实现高能脉冲磁场的测量功能,可以进行自动测试,还具备测量静态磁场与动态脉冲磁场两项功能,而且测量频带宽,测量精度高。测量中可以对测试数据进行保留、调用、图像暂存与输出,同时可以通过使用USB接口连接电脑输出测量数据。极大地方便了操作者使用。
4 结束语
在涉及到脉冲磁场的科学研究、工业生产的领域,脉冲电磁场的测量非常普遍,为满足国内许多应用场合的实际需求,研制宽频、高精度的高能脉冲磁场的测量仪就显得意义重大。本设计能够实现高能脉冲磁场的测量功能,还具备测量静态磁场与动态脉冲磁场两项功能,而且测量频带宽,测量精度高,使用方便,符合工业发展对电磁测量技术的急需要求,具有重要的理论意义和实用价值。
摘要：对磁场的各项参数的测量是电磁场研究中的重要一环,常见磁场测量仪器可完成直流磁场测量,但这些产品无法测量交流磁场,无法准确获知交流磁场各项参数。如今的交流磁场测量通常不单独形成产品,而是与直流测量共同构成交直流高斯计。然而大多数交直流高斯计只能简单测量其平均值,所以研究脉冲磁场的测量与处理具有重要的理论意义和使用价值。本设计中高能脉冲磁场测量仪能够用于对静态、高能脉冲、高频交变磁场的多参数测量,包括数据采集、程控放大、触发模块、数据处理、人机交互、电源等电路模块以及上位机处理软件等。本设计中使用FPGA作为高速数据采集的控制核心、使ARM处理采集所得的数据,键盘和液晶作为人机交换部分的输入与输出。
关键词：电磁场,高能脉冲磁场,交流磁场,磁场参数,STM32F103,ARM
参考文献
[1]薛永亮,陈斯文.地面磁场测量仪[C].第二十四届全国空间探测学术交流会论文集,2011.
[2]曲彤,刘庆想.脉冲弦线磁场测量方法[J].强激光与粒子束,1995,2.
磁场测量仪 篇2
巨磁电阻传感器在磁场线性测量领域中的应用
【摘要】对巨磁电阻传感器进行了研究，介绍了巨磁电阻传感器的结构和屏蔽作用，选取电流检测作为巨磁电阻传感器在线性磁场测量的代表，通过对巨磁电阻传感器测试和电流检测的测试，分析了巨磁电阻传感器在磁场线性测量方面的性能优越性，给出了巨磁电阻传感器在磁场线性测量方面的一些注意事项。 【关键词】巨磁电阻传感器；线性磁场；测量 1.概述 磁场测量在工业领域具有广泛的应用，在磁场的脉冲量，开关量以及线性量的测量中，使用最为广泛的是霍尔传感器，由于其较低的品种繁多的产品以及较低的成本，使得霍尔传感器在磁场测量领域具有较高的地位。随着巨磁电阻（GMR）传感器的成功研制，其优越的性能越来越受到人们的关注，使得GMR传感器在传统的磁场测量领域占据了一席之地。 在磁场测量领域，线性量的测量对磁传感器性能具有比较高的要求。磁传感器的测量范围，响应频率，灵敏度以及温度适应性等一系列性能指标都对磁场的测量具有较大的影响。相比其他磁传感器，GMR传感器具有较宽的磁场测量范围，较高的响应频率和灵敏度以及较强的温度适应性，在磁场线性测量领域具有较为明显的优势。本文将以东方微磁公司生产的VA系列巨磁电阻磁传感器为例，介绍其特性、测试及相关应用。 2.GMR传感器的结构 2.1 传感器结构 VA系列巨磁电阻磁传感器采用惠斯通桥式结构，如图1所示的。图中，R1和R3是两个阻值一样的电阻，可随外界磁场的变化输出一个差分电压信号，R2和R4由于屏蔽层的作用不感应外界磁场的变化。 图1 GMR磁传感器结 2.2 屏蔽层的作用 图1中的R2和R4上的阴影部分是传感器的合金屏蔽层，它有两个作用，一是屏蔽外磁场对电阻R2和R4的影响，使其不能感应待测场的变化；二是作为一个磁通聚集器，将待测场聚集在R1和R3周围，使传感器输出幅值增大，提高传感器的灵敏度。 3.GMR传感器的性能测试及应用测试 3.1 GMR传感器的输出性能测试 用于线性磁场测量的GMR传感器应具有良好的线性度，可测量正反两个方向的磁场，因此，在测试芯片的选择上可选择双极性的GMR传感器直接进行测试或选择单极性的`GMR传感器对其进行偏置处理，将其零点抬高。 图2是GMR传感器在磁场从负到正再回到起点的GMR传感器输出曲线，反应GMR传感器的线性特性，有图可知，GMR传感器线性性能较好，磁滞小，正向和反向重合性较好，总体来说该型号的GMR传感器芯片静态性能良好。 3.2 GMR传感器温度漂移性能 将GMR芯片放入高低温无磁温度箱中，每隔10℃记录一次数据，监测传感器从-40℃～+125℃随温度变化的漂移性，具体如图3所示，芯片在整个温度范围内输出变化9.075mv，温度系数为0.055mV/℃，可见GMR传感器芯片的温度性能比较优越。 图2 双极性GMR传感器性能曲线 图3 GMR温度性能曲线 图4 电流测量示意图 3.3 GMR传感器应用测试 在线性磁场测量领域，直流电的检测是比较有代表性的，因此，选择测量直流电产生的磁场来验证GMR传感器在线性磁场测量方面的性能。 巨磁电阻用于电流检测一般采用如图4所示的方式进行，将磁传感器放置通电导线的正上方或正下方，同时保证通电导线产生磁场的方向与磁传感器的敏感方向一致。按照通电导线周围产生磁场的理论计算公式2-1可知[3]，在待测电流和传感器相对位置一定的情况下，待测电流的大小和磁场大小成正比，利用公式2-2这样就可以直接测量待测电流产生的磁场值，再结合公式2-1就得出待测电流的大小。 （2-1） （2-2） 其中，为传感器的灵敏度，传感器输出。 3.3.1 测试平台 测试平台由测试板、电源、铜导线以及支架构成，其中测试板由探测单元（GMR传感器）、信号放大及滤波单元组成，双电源供电。铜导线材料为紫铜，直径为2mm，可通10A电流。支架位置和高度都可调整，以使传感器获得最佳敏感位置。电源为可编程电源，可提供不同幅值的电流。 3.3.2 测试数据 在实际应用中，待测电流有正负之分，产生的磁场有正负之分，因此，在测试过程中，通过改变磁场方向和电流的方向来检测GMR传感器和电流传感器测试性能。图5是电流从-30A到+30A变化时电流传感器输出曲线。 图5 电流测量示意图 由图5可以看出，在-20A―20A的范围内，GMR传感器电流测试单元具有较好的线性度，超过20A后，测试单元趋于饱和。 4.结论 通过对GMR传感器芯片以及由GMR传感器芯片构成的电流传感器的性能测试，结果表明，GMR传感器芯片在已电流检测为代表的线性磁场测试方面具有较好的性能和温度稳定性。如果在实际使用过程中，注意传感器芯片的饱和场和待测磁场的大小，使待测磁场在传感器的线性测量范围内，将会使GMR传感器芯片在线性磁场测量方面具有更好的应用前景。 参考文献 [1]肖又专，曾荣伟，王林忠等.巨磁电阻传感器的应用[J].磁性材料及器件，，32（2）：40-45. [2]钱政.巨磁电阻传感器在电力系统中的应用前景[J].高电压技术，，29（10）：9-10. [3]冯恩信傅.高等电磁理论[M].西安：西安交通大学出版社，.
磁场探测助汽车精确测量车距 篇3
负责该项研究的泰格·伍彦和雷杰·玛米发现每辆车上都有磁场, 不但轮毂、发电机、空调系统、扬声器上带有磁场, 发动机缸体、变速箱、传动系统等这些金属部件同样也具有磁性。并且, 在较小范围内, 车辆间距与磁场大小成反比关系。这或许能为近距离车距的测量提供一种全新的方法。为证实这一设想, 研究人员对不同类型的车辆进行了实验, 结果发现在6 m范围内, 车辆磁场与车距间存在明确的相关性。
根据这一原理, 研究人员开发出了一种名为各向异性磁阻 (AMR) 传感器。它包含一个具有镍铁涂层的硅片, 能够检测到路过车辆对周围磁场产生的影响, 从而估算出车辆之间的距离。虽然该技术此前曾被用于测量交通流量, 但将其用于测量车距还是第一次。
不过研究人员随后发现, 车距并不是影响磁场变化的唯一变量, 车辆的类型、大小以及位置等因素都与此相关。要在不知道其他变量的情况下估算车辆的位置, 就要使用两个各向异性磁阻传感器并采用一种适应算法。这样只要驶来的车辆近道足以影响两个传感器时候, 根据两个传感器数据就能准确估算出本车的位置, 从而不受车辆类型、大小和位置的干扰。
研究人员称, 这种传感器能快速检测到即将发生的碰撞并通过中控系统让车辆内部的设备作出反应, 如收紧安全带、打开安全气囊等, 从而能最大限度地保护驾驶员和乘客的安全。在这种传感器大规模商业化应用和普及后, 其精度将获得进一步的提高。
电子束磁聚焦法测量地磁场 篇4
地球具有磁性, 所以在地球及近地空间存在着磁场, 地磁场的强度与方向随地点而异, 通常可用三个物理量来描述: (1) 磁偏角α, 即地球表面任一点的地磁磁感应强度矢量B所在的垂直平面 (地磁子午面) 与地球子午面之间的夹角; (2) 地磁场磁感应强度的水平分量B∥, 即地磁场磁感应强度矢量B在水平面上的投影; (3) 磁倾角β, 即地磁场磁感应强度矢量B与水平面之间的夹角[2]。测出这三个物理量就可确定某一地点的地磁场的大小和方向。
1 磁聚焦法测量地磁场的基本原理
1.1 磁聚焦的基本原理
将示波管置于螺线管内, 保持示波管的轴向与螺线管的轴向平行, 给螺线管加上励磁电流, 则在螺线管内部产生与示波管轴向平行的磁场, 与此同时, 在示波管的水平偏转板加上偏转电压, 则在偏转板之间产生与磁场方向垂直的电场。当电子以速度vz沿轴向经过偏转板时因受到电场力的作用而获得一横向速度vx, vx与螺线管内部的磁场的磁感应强度B垂直, 而具有速度v x的电子在磁场中受到洛仑兹力的作用将作圆周运动, 因此在磁场和电场的共同作用下的电子将作螺旋线运动[3], 并最终打在荧光屏上 (如图1所示) 。螺旋线的半径R、周期T和螺距h分别为:
式中的m和e为电子的质量和电荷量;B为螺线管内部轴向的磁感应强度大小。
从 (1) ～ (3) 式可以看出, 螺旋线轨迹的半径R与vx成正比, 与B成反比;周期T、螺距h与B成反比, 与vx无关。也就是说, 如果偏转板加上的是交流电压, 不同时刻通过共同起点 (可近似选在偏转板边缘的轴线上) 的电子将受到大小不同的电场力作用, 其横向速度vx也各不相同, 有着各自不同的螺旋线半径R, 但它们却有着相同的周期T和螺距h, 因此从共同的出发点出发的电子经过一个周期后又汇聚于轴线上的另一点, 这种现象就是电子束的磁聚焦现象, 该点到出发点的距离就是一个螺距[3,4,5,6]。如果从电子的出发点到荧光屏的距离L正好是螺距h的整数倍, 我们将在荧光屏上看到一个亮点, 否则, 由于具有不同横向速度的电子具有不同的螺旋线半径, 但具有相同的回旋角而在荧光屏上呈现一条亮线。调节适当的励磁电流I, 获得适当的磁感应强度B, 可使得螺距满足:
若取一次聚焦, 即n=1, 则螺距h=L。
此时螺线管内部的磁感应强度B可以表示为:
式中µ0为真空磁导率;N为螺线管的线圈匝数;I为螺线管的励磁电流;A为螺线管的长度;D为螺线管的直径;N、A、D为仪器参数, 由仪器厂家给出。
1.2 地磁场的测量
由式 (6) 可知, 当改变磁场B, 使电子束聚焦后, 若保持加速电压不变, 改变磁场的方向, 且保持B值的大小不变, 电子束在屏上的聚集状态应不变, 但事实上, 电子束在屏上的聚焦状态会随着磁场的方向改变而发生明显的变化, 这显然是由于地磁场的影响所致, 因为某一地点的近地磁场可以认为是一个均匀磁场, 它的大小和方向是稳定不变的, 它将会叠加在螺线管内的磁场上, 要使电子束在屏上的聚焦状态不随磁场方向的改变而改变, 就需要改变励磁电流的大小 (即改变B值的大小) 以补偿地磁场的影响。
将螺线管水平放置, 设螺线管内的磁感应强度为BL, 地球磁场Bd的磁感应强度沿螺线管轴线的分量为B/, 改变励磁电流的方向, 使BL与B/方向一致或相反, 此时对应的励磁电流分别为I+、I-, 聚焦时的磁感应强度B大小为:
由以上两式可得:
若螺线管的轴向与地磁场的水平方向平行, 则在水平面上对应的励磁电流最大 (或最小) , 式 (9) 中的B/即为地磁场的磁感应强度的水平分量B∥的大小;保持此时螺线管的方位不变, 再在垂直面上调节螺线管的倾角, 使励磁电流最大 (或最小) , 此时螺线管的轴向于地磁场的方向平行, 则式 (9) 中的B/就是地磁场的磁感应强度Bd大小, 由B∥和Bd的大小即可求出地磁场的磁倾角:
2 测量方法
测量可直接在电子束实验仪上进行, 电子束实验仪主要用于研究带电粒子在磁场中的运动规律, 它可完成有关电子束在电场和磁场中的偏转和聚焦等一系列实验, 是普通高校物理实验课程常用的仪器设备。测量的具体操作方法如下。
(1) 将电子束实验仪中的螺线管调至水平, 在水平面上旋转螺线管, 找到最大 (或最小) 聚焦励磁电流时螺线管的方位, 使螺线管的轴向与地磁场的水平分量B∥方向平行, 记录此时聚焦的励磁电流的大小I∥+。
(2) 改变励磁电流的方向, 再次调节励磁电流使电子束聚焦, 记录聚焦时的励磁电流大小I∥-。
(3) 保持螺线管在水平面上的方位, 在垂直面上旋转螺线管, 找到最大 (或最小) 聚焦励磁电流对应的方位, 使螺线管的轴向与地磁场Bd的方向平行, 记录此时聚焦的励磁电流的大小Id+。
(4) 改变励磁电流的方向, 再次调节励磁电流使电子束聚焦, 记录聚焦时的励磁电流大小Id-。
(5) 根据 (9) 和 (10) 式求出地磁场的磁感应强度水平分量B∥、地磁场的磁感应强度Bd大小和磁倾角β。
由于地磁场的磁感应强度较弱, 约为5×10-5T[2], [7], 因此在测量时应注意以下几点。
(1) 周围不应出现有铁磁性金属物体以避免对聚焦磁场的影响。
(2) 加速电压不能太高, 以便正反聚焦励磁电流差异的准确测出。
(3) 聚焦励磁电流的调节应从“零”或最小开始调节, 尤其是换向时应将励磁电流调至最小。
3 测量结果与讨论
3.1 仪器参数
螺线管线圈长A=253mm;螺线管线圈直径D=94mm;螺线管线圈总匝数N=1120匝;加速电压U=850V。
3.2 测量结果
一次聚焦是的励磁电流的测量结果见表1。
由表1测量数据得出地磁场的磁感应强度水平分量B∥=3.34×10-5T;地磁场的磁感应强度大小Bd=4.95×10-5T;地磁场的磁倾角β=46.8°。以上数据与上海地区的地磁场参量基本相符。
4 结语
通过以上的理论分析和实际测量, 可以看到利用电子束的磁聚焦现象测量地磁场是可行的, 测量方法实用有效, 测量的精确度较好。
摘要：在电子束磁聚焦现象的理论基础上分析了利用磁聚焦法测量地磁场的可行性, 并在电子束实验仪上测量地磁场的主要参量, 结果表明, 利用磁聚焦法测量地磁场实用有效, 测量结果精确度较好。
关键词：磁聚焦,地磁场,磁感应强度,励磁电流
参考文献
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磁场测量仪 篇5
光压的存在是麦克斯韦电磁波理论的推论之一,而光的量子理论也能对光压有圆满的定量解释。因此,证明光压的存在和实现光压的测量一直是不少物理学工作者研究的目标。1901年,俄国物理学家彼得·尼古拉耶维奇·列别捷夫(Peter Nikolaievich Lebedev,1866~1911)利用光压驱动薄金属片转动的原理首次实验测量出光压,证明了光的粒子性。继此之后,美国物理学家尼科尔斯(E.P Nichols)和哈尔(G.F.Hull)也分别用精密实验测定了光的压力。但是这些实验成本高、操作难度大。
本次实验从光压的作用效果入手,查阅大量文献后发现,将光压作用效果放大测量是基本所有光压测量实验用到的方法,而本组决定在测量思路上做些根本性改变,通过将“光压”与“磁场对直流通电导线”的作用效果等效起来,将难求得的量转化为易求且可进行细微调节的电流量。
1实验原理
1.1基于扭秤的偏转原理
在足够长轻质刚性杆上对称连结完全相同的两片铝制轻质扇叶,并在杆的中心使用悬丝将其通过杆中点竖直悬挂。用真空泵创造实验真空环境,消除“辐射计效应”后,选用500 mw TTL调制蓝色激光器发射激光作用于其中一片扇叶端点(A点),扇叶受光压的作用发生微小偏转。悬丝产生的扭力矩和电磁阻尼的作用下,扇叶在某θ角稳定。此时扭力矩:τ=Kθ,其中K为悬丝扭转系数。图1给出了实验装置的正视图和俯视图。
实验所用激光斑面积S=1.6×10-5m,且光照方向始终垂直于扇叶初始平面。光力矩为:其中为激光方向单位矢量,是沿扇叶稳定后所在平面的单位矢量,p为待测光压,为光照射A点到中心悬丝的垂直距离(图2)。
1.2强磁铁空间磁场的计算和测量
实验中需要计算强磁铁在导线上的磁场分布情况,从而求得导线在磁场中的受力情况。由于实验采用均匀磁化永磁体,故可采用等效磁荷法[5]计算强磁铁在导线上的磁场分布情况。下面对等效磁荷法做简单介绍。
只有面磁荷存在时,标量磁位φm与面磁荷的关系:
r为源点与场点距离,S为磁体边界面,σm为磁荷面密度,μ为磁导率。实验更加关心的是空间磁场分布,即:
则磁感应强度:
Br是磁体的剩磁感应强度。对于本实验实验,空间无其他介质(χ=0)则磁感应强度为:
由边界条件:軋为永久磁体边界面外法线单位矢量。对于本实验实验的磁体,H与B为线性关系,因此,μ0为常量,故(4)表示为:
实验用的磁铁为圆柱形磁铁(见图3)考虑场点P(x,y,z)点的H:
回到光压测量实验中,在没有激光照射的另一扇叶上粘附了直流导线,其与强磁铁空间相对位置见图4。根据等效磁荷法,从理论计算出实验中导线所处空间位置磁感应强度,并绘制了磁感应强度B与空间位置x函数曲线(见图5)
同时用朗威DIS lab(见图6)对强磁铁在导线处的磁感应强度进行测量,结果为图7所示。
把理论计算所得到的导线所处空间的磁感应强度B与空间位置x的函数关系曲线与实际用仪器测得的函数关系曲线进行对比(见图8),可见,理论算得磁感应强度与实验测得的磁感应强度基本相符,也进一步保证了实验的准确性。
1.3等效法进行光压测量
设空间P点相应磁感应强度为B(rp),实验中,强磁铁与通电导线的相对位置如图3所示。
当扇叶偏转一定角度后稳定时,给另一扇叶直流导线通电,通过调节电流大小,使扇叶在强磁吸引下刚好转回到初始位置(见图9)。
设实验中调节使扇叶转回初始位置的直流电流强度为I,通电直导线长度为a,则所受磁力矩为:
当扇叶回到初始位置,光力矩为:
其中为单位矢量。磁力矩等于光力矩,由(1)(2)式可得光压计算公式为:
2实验结果及分析
3结论
本方案将扭秤与“光压风车”结合基础上,采用等效法,将“光压”与“磁场对直流通电导线”作用效果等效,通过测量电流大小和导线上磁场强度分布,即可计算导线在磁场中的受力大小,从而求得光压大小,具有创新性。主要的结论如下:
(1)该装置能证明光压的存在。当激光照射扇叶时,扇叶发生偏转。
(2)利用等效法进行光压测量具有可行性。调节电位器从而改变电流的大小,可以使得扇叶刚好转回到初始位置,说明光压力可与安培力等效。
(3)等效磁荷法计算所得的磁场分布与实际相符。使用朗威DIS lab采集器测得的导线上的磁场强度与通过等效磁核法求得的导线上磁场强度基本相符。
(4)本实验得到,跟理论值基本相符。由光力矩等于导线受到的磁力矩可得压力的大小,通过压力的大小和激光光束面积即可计算光压,理论上,光压数量级约为,所以光压计算结果与理论上基本相符。
摘要：光压是非常微弱的量,约为10-6~10-7N·m-2,一直以来,测量光压是很困难的且方法较为复杂。实验从光压的作用效果入手,通过光压驱动扇叶转动,从而带动悬丝旋转。扇叶系统在悬丝产生的扭力矩和电磁阻尼的作用下稳定在某微小角度。外加磁场作用于一附在扇叶上的轻质直流通电导线,通过调节电流大小,使扇叶刚好转回到初始位置。此时光压产生力矩等于导线在磁场中受到的磁力矩。理论分析可导出电流与光压间的关系,由实验得到电流大小代入理论公式便可算得光压大小。
关键词：光压,等效法,扭秤,强磁场,直流电,等效磁荷法
参考文献
[1]郑华炽.П.Н.列别捷夫的光压实验[J].物理通报,1956(03):148-151.
[2]毛延哲,宋长安.光压和光能在真空中的定性研究[J].甘肃科技,2007(10):90-92+52.
[3]施坚.“光压”及其应用[J].科学大众,2009,07:62.
[4]许冬保.光压问题的分析及探究[J].物理教学,2011(12):44-46.
磁场测量仪 篇6
关键词：双水内冷,发电机,振动,保护,电涡流,励磁干扰
汽轮—发电机组是一种高速旋转机械, 在启动和运转过程中, 由于各种原因不可避免产生振动。振动在允许范围内, 属于正常情况;当振动超过允许值时, 就会产生严重影响, 所以准确地测量、监视振动是保证汽轮—发电机组安全经济运行的基本条件。我厂所用汽轮—发电机组轴振动监测系统是本特利公司3500系列的电涡流传感器-前置器, 其结构简单、可靠性高、性能稳定、线性度好和测量精度高。但电涡流传感器受变化的磁场干扰时, 会严重影响电涡流传感器正常测量, 对正确监控汽轮—发电机组轴系振动来讲就没有达到安全意义。简单介绍我厂#4汽轮—发电机组主要参数如下。
(1) 汽轮机主要技术参数。
汽轮机名称:双抽汽凝汽式汽轮机, 汽轮机型号:AA125-9.5/1.3/0.259型。
汽轮机型式:单轴、双缸、双排汽、双抽汽、反动式、凝汽式, 两级调整抽汽。
额定功率:125 MW (纯凝工况) , 回热抽汽:6级 (2高加+3低加+1除氧) 。
旋转方向:汽轮机向发电机为顺时针, 制造厂家:上海汽轮机有限公司制造。
(2) 发电机主要技术参数。
型号:QFS—135—2;转速:3000 r/min;超速:120%;
励磁:292 A;
定子绕组冷却水:280t/h;兆帕:0.2~0.3。
转子绕组冷却水:260t/h;兆帕:0.2~0.3
1 问题的提出
以下是我厂#4汽轮机—发电机组五瓦处轴振动测量系统改造原理及过程分析。
1.1 原理分析
由基尔霍夫定律得, 等效电感
从图2中可以分析出, 被测导体的磁场变化会影响到电涡流传感器的电感量L1, 从式 (1) 中可以得出L1的变化会影响到L的变化。因此从以下两方面分析磁场的变化对电涡流传感器的影响。
(1) 空载运行时。
发电机被原动机拖动到同步转速, 转子绕组通入直流励磁电流I1, 定子绕组开路 (定子电流为零) 。此时电机气隙中只有励磁电流所IF产生的励磁磁动势FF建立的励磁磁场。这时励磁磁场影响电涡流传感器交变磁场。
(2) 负载运行时。
发电机定子接上三相对称负载后, 定子绕组中就有三相对称电流, 该电流产生旋转磁动势及电枢反应磁通, 产生旋转磁场, 此磁场也会影响到电涡流的交变磁场。
1.2 介绍发电机工作原理、轴振测量原理
(1) 电涡流传感器的工作原理。
传感器的线圈L由高频信号激励, 线圈的周围空间产生正弦交变磁场H1, 当传感器接近导体表面时, 导体内就会产生高频感应电流i, 由于此电流在导体内是闭合的, 所以称为电涡流。同时, 电涡流又将产生一个交变磁场H2, H2的方向与H1的方向相反。由于磁场H2的反作用, 当被测导体与传感器线圈的距离改变时, 使通电线圈的有效阻抗发生变化, 即线圈原来的电感量变化, 电感量L的变化与被测距离有关。通过测量等效电感L、等效阻抗Z和品质因数Q值的变化量来测量位移d, 因此, 通过适当的测量电路, 可以将位移的变化转换为电压的变化。
(2) 以下为发电机工作原理。
定子上有三相对称线组, 每组有相同的匝数和空间分布, 其轴线在空间互差120度。转子上有磁极, 磁极线组中通以直流电流励磁, 产生恒定方向的磁场。当原动机拖动发电机转子以转速旋转时, 磁力线将切割定子的线组的导体, 根据电磁感应定律, 定子线组中将感应出交变电动势。每经过一对磁极, 感应电动势就交变一周, 若电机有P对极, 则感应电动势的频率F=p n/60 Hz, 三相绕组在空间位置上有120度的相位差, 其感应电动势在时间相位上也存在120度的相位差。若在三相绕组的出线端接上三相负载, 便有电能输出, 定子电流与磁场相互作用产生的电磁转矩与原动机的拖动转矩相平衡, 即发电机将机械能转换成电能。
2 投入历程
(1) 改造过程叙述如下。
改造前5瓦轴振动测量如图1所示。
改造后5瓦轴振动测量图如图2所示, 加了装置1。
(1) 装置1结构图如下。
(2) 原理如下。
截面3直接接触大轴, 当大轴振动时, 通过弹簧2传送至截面1, 电涡流传感器直接测量截面1的振动量, 截面1的材质跟大轴的材质是一样的。弹簧的长度避开励磁磁场范围。
3 结语
通过准确计算发电机带电负荷后沿转子表面分布的变化磁场所覆盖的范围, 依据计算所得的变化磁场所覆盖的范围增加对轴系振动量无衰减进行传递的机械装置1后, 进一步确定测量5瓦轴振的电涡流传感器位移-电量线性范围;通过重新安装、调试后投入运行正常, 得到了预期的效果——确实消除了变化的磁场对5瓦轴振的电涡流传感器干扰现象。实践证明该方法可以在上海汽轮发电机有限公司生产的型号为QFS—135—2双水内冷发电机组轴系振动量的测量, 在同类型机组上可以推广使用。
参考文献
[1]引用标准:《本特利3500系统运行技术指标及安装调试试验导则》[S].
[2]胡念苏.汽轮机设备及其系统[M].北京.中国电力出版社, 2003.