中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所 姜 浩 周 鷹 楊 云

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基于等效磁矩的永磁體磁性測(cè)量方法研究

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所 姜 浩 周 鷹 楊 云

【摘要】永磁體作為主要的磁性構(gòu)件，磁矩是其最重要的性能指標(biāo)之一。本文首先對(duì)磁矩測(cè)量原理進(jìn)行了介紹和分析，接著搭建了測(cè)試平臺(tái)，最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和不確定度分析。

【關(guān)鍵詞】磁矩測(cè)量；永磁體；磁矩計(jì)算模型；不確定度分析

0　引言

磁性是指自然界中鐵磁體物質(zhì)所特有的一種向外輻射磁場(chǎng)的屬性，一個(gè)物體磁性強(qiáng)弱，通常用磁矩描術(shù)。磁矩是一個(gè)矢量物理量，常用來衡量磁源的磁特性。永磁體作為主要的磁性構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于電磁屏蔽，艦船消磁，磁環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)等各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用過程經(jīng)常需要計(jì)算永磁體的充磁效果及在空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布。永磁體的磁性能檢測(cè)是材料開發(fā)和應(yīng)用中的一個(gè)重要課題。

目前在實(shí)際工程上測(cè)量永磁體磁矩時(shí)，常在永磁體周圍布置磁傳感器陣列，通過測(cè)量空間磁場(chǎng)，結(jié)合永磁體磁模型可以反推出永磁體的磁矩，進(jìn)而計(jì)算出永磁體的空間磁場(chǎng)分布。本文結(jié)合磁矩測(cè)量原理，在簡(jiǎn)化測(cè)量模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了永磁體磁矩計(jì)算公式。通過試驗(yàn)得出最佳測(cè)試參數(shù)，并進(jìn)行批量樣品實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有實(shí)際工程意義。

1　磁矩測(cè)量原理

一切磁場(chǎng)源在與它相距很遠(yuǎn)的地方都可以用等效偶極子來代替。當(dāng)測(cè)試距離遠(yuǎn)大于輻射源尺寸時(shí)，輻射源可以看作為一個(gè)磁偶極子。偶極子標(biāo)勢(shì)用下式表示：

實(shí)際測(cè)量過程為使模型簡(jiǎn)化，可只測(cè)量磁矩量具在其中單個(gè)軸線上的磁場(chǎng)，假定x=r，y=z=0。則式（2）可簡(jiǎn)化為：

則：

2　測(cè)量方案

當(dāng)測(cè)量距離較近時(shí)，永磁體如簡(jiǎn)單地等效為磁偶極子，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果方差較大；當(dāng)測(cè)量距離較遠(yuǎn)時(shí)，永磁體體積可忽略，計(jì)算結(jié)果方差較小，可簡(jiǎn)化等效為磁偶極子，因此測(cè)量重點(diǎn)在于確定一個(gè)合適的測(cè)量距離。

為得出最佳測(cè)量距離，按如圖1所示的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。其中，距離r為永磁體中心距離傳感器的探頭中心距離。為使更高效并具備推廣作用取r為被測(cè)試樣長(zhǎng)度的整數(shù)倍，進(jìn)行多次測(cè)試比對(duì)。

圖1　測(cè)量系統(tǒng)示意圖

本文測(cè)試永磁體的外形尺寸為110（L）×20 mm（W）×5 mm （H），測(cè)試過程取r=（6～13）L。為減小永磁體充磁后不均勻及傳感器探頭測(cè)試位置不精確等造成的誤差，進(jìn)行N/S兩極分別測(cè)試，將兩次測(cè)試結(jié)果進(jìn)行求平均得出磁矩值，并記錄兩極磁矩差值。同時(shí)每個(gè)距離的測(cè)試分別進(jìn)行三次，取三次平均值為最終磁矩值。測(cè)試結(jié)果取磁矩和磁矩差值兩項(xiàng)指標(biāo)。結(jié)果如圖2所示。

4) 港口群內(nèi)非核心樞紐港泊位資源的改善，尤其是支線泊位資源的改善對(duì)港口群整體轉(zhuǎn)運(yùn)效率的提升貢獻(xiàn)明顯。

圖2　磁矩大小及磁矩差值大小隨測(cè)試距離改變關(guān)系

從圖2可知，當(dāng)測(cè)試距離r≥10 L時(shí)，磁矩值已趨于穩(wěn)定，但r＞12 L時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)室均勻區(qū)限制及距離過大帶來的永磁體與磁強(qiáng)計(jì)不同軸引入的誤差變大，使同一永磁體進(jìn)行兩極測(cè)量時(shí)，差值變大。因此結(jié)合兩方面因素考慮，測(cè)試距離r在10-11倍被測(cè)試樣長(zhǎng)度范圍內(nèi)，效果最佳。

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證以上結(jié)論正確性，特對(duì)1200根磁矩測(cè)試結(jié)果在8.0～9.0Am2范圍內(nèi)的永磁體進(jìn)行二次測(cè)量，測(cè)試傳感器使用Mag-03并配2NPLC，0.01mV分辨力的萬(wàn)用表34410A，各實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，最終搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖4所示。

圖3　實(shí)驗(yàn)裝置

圖4　實(shí)驗(yàn)臺(tái)

批量化測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1　測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，測(cè)量值88.9%集中在8.400～8.800 Am2的區(qū)間，測(cè)量不合格率僅為0.2%，本次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試方法的正確性及測(cè)試結(jié)果的可信性。

4　不確定度分析

由式（4）可知永磁體測(cè)量過程中測(cè)量不確定度來源主要由磁感應(yīng)強(qiáng)度B和距離r測(cè)量?jī)刹糠纸M成：

4.1數(shù)字多用表等引入的不確定分量

數(shù)字多用表測(cè)量被測(cè)傳感器探頭的輸出電壓，輸出電壓為10V，其相對(duì)不確定度1.0×10-3，k=2，則由數(shù)字多用表測(cè)量引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定分量為：

4.2由環(huán)境干擾磁場(chǎng)引入的不確定度分量

在頻率為50 Hz的工業(yè)干擾上，實(shí)驗(yàn)室的最大環(huán)境干擾磁場(chǎng)不超過0.5 nT，假設(shè)其分布服從均勻分布，按復(fù)現(xiàn)的最小磁場(chǎng)1 μT計(jì)算，則由環(huán)境干擾磁場(chǎng)引入的不確定度分量為：

永磁體與探頭之間的距離由直尺測(cè)量得到，千分尺測(cè)量誤差為±1mm，按兩者距離為1250 mm計(jì)算，概率分布按服從均勻分布計(jì)算，則引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

4.4測(cè)試探頭質(zhì)心位置引入的不確定度分量

測(cè)量探頭質(zhì)心時(shí)，所用量具可能與其不對(duì)齊，假設(shè)其值在最大允許誤差范圍內(nèi)的概率分布服從均勻分布，由探頭質(zhì)心位置引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.5由被測(cè)永磁體放置的非正交度引入的不確定度分量

被測(cè)永磁體放置時(shí)，要求與測(cè)試探頭測(cè)量軸正交，但考慮實(shí)際可操作性，估計(jì)最大傾斜2°，假設(shè)其值在最大允許誤差范圍內(nèi)的概率分布服從均勻分布，由被測(cè)永磁體放置的非正交度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.6檢測(cè)重復(fù)性引起的不確定度

采用以3次測(cè)量，取算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果，由此引起的不確定度為：

不確定度分量一覽表見表2。

表2　B不確定度分量一覽表

以上各不確定度分量相互獨(dú)立，合成不確定度為：

擴(kuò)展不確定度為：

5　結(jié)束語(yǔ)

本文通過分析磁矩原理，采用等效偶極子代替法，來計(jì)算永磁體充磁效果。為得出最佳測(cè)試距離，通過試驗(yàn)的方法，以磁距平穩(wěn)和兩極磁矩差值小為指標(biāo)，確定最佳測(cè)量距離。通過批量化試樣測(cè)量，證明測(cè)試方案簡(jiǎn)單可性，性能穩(wěn)定可靠，能夠滿足檢測(cè)要求。最后對(duì)所搭建測(cè)試平臺(tái)的不確定度進(jìn)行分析。

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作者簡(jiǎn)介：

姜浩（1986—），男，湖北黃岡人，碩士，工程師，現(xiàn)供職于中船重工第七一〇研究所，研究方向：磁學(xué)計(jì)量及機(jī)械設(shè)計(jì)。