中國船舶重工集團公司第七一○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量方法研究

中國船舶重工集團公司第七一○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。本文首先對磁矩測量原理進行了介紹和分析，接著搭建了測試平臺，最后進行了實驗驗證和不確定度分析。

【關(guān)鍵詞】磁矩測量；永磁體；磁矩計算模型；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的屬性，一個物體磁性強弱，通常用磁矩描術(shù)。磁矩是一個矢量物理量，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)計等各個領(lǐng)域，應(yīng)用過程經(jīng)常需要計算永磁體的充磁效果及在空間產(chǎn)生的磁場分布。永磁體的磁性能檢測是材料開發(fā)和應(yīng)用中的一個重要課題。

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

1　磁矩測量原理

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

實際測量過程為使模型簡化，可只測量磁矩量具在其中單個軸線上的磁場，假定x=r，y=z=0。則式（2）可簡化為：

則：

2　測量方案

當(dāng)測量距離較近時，永磁體如簡單地等效為磁偶極子，會導(dǎo)致計算結(jié)果方差較大；當(dāng)測量距離較遠(yuǎn)時，永磁體體積可忽略，計算結(jié)果方差較小，可簡化等效為磁偶極子，因此測量重點在于確定一個合適的測量距離。

為得出最佳測量距離，按如圖1所示的測量系統(tǒng)進行測試。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為被測試樣長度的整數(shù)倍，進行多次測試比對。

圖1　測量系統(tǒng)示意圖

本文測試永磁體的外形尺寸為110（L）×20 mm（W）×5 mm （H），測試過程取r=（6～13）L。為減小永磁體充磁后不均勻及傳感器探頭測試位置不精確等造成的誤差，進行N/S兩極分別測試，將兩次測試結(jié)果進行求平均得出磁矩值，并記錄兩極磁矩差值。同時每個距離的測試分別進行三次，取三次平均值為最終磁矩值。測試結(jié)果取磁矩和磁矩差值兩項指標(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港口群整體轉(zhuǎn)運效率的提升貢獻明顯。

圖2　磁矩大小及磁矩差值大小隨測試距離改變關(guān)系

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

3　實驗驗證

為驗證以上結(jié)論正確性，特對1200根磁矩測試結(jié)果在8.0～9.0Am2范圍內(nèi)的永磁體進行二次測量，測試傳感器使用Mag-03并配2NPLC，0.01mV分辨力的萬用表34410A，各實驗裝置如圖3所示，最終搭建實驗臺如圖4所示。

圖3　實驗裝置

圖4　實驗臺

批量化測試結(jié)果如表1所示。

表1　測試結(jié)果

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

4　不確定度分析

由式（4）可知永磁體測量過程中測量不確定度來源主要由磁感應(yīng)強度B和距離r測量兩部分組成：

4.1數(shù)字多用表等引入的不確定分量

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

4.2由環(huán)境干擾磁場引入的不確定度分量

在頻率為50 Hz的工業(yè)干擾上，實驗室的最大環(huán)境干擾磁場不超過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1 μT計算，則由環(huán)境干擾磁場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量得到，千分尺測量誤差為±1mm，按兩者距離為1250 mm計算，概率分布按服從均勻分布計算，則引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

4.4測試探頭質(zhì)心位置引入的不確定度分量

測量探頭質(zhì)心時，所用量具可能與其不對齊，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)心位置引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.5由被測永磁體放置的非正交度引入的不確定度分量

被測永磁體放置時，要求與測試探頭測量軸正交，但考慮實際可操作性，估計最大傾斜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，由被測永磁體放置的非正交度引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.6檢測重復(fù)性引起的不確定度

采用以3次測量，取算術(shù)平均值作為測量結(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立，合成不確定度為：

擴展不確定度為：

5　結(jié)束語

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

參考文獻

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作者簡介：

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)計量及機械設(shè)計。