CN101091120A

CN101091120A - 用于测量磁通量的传感器

Info

Publication number: CN101091120A
Application number: CNA2005800424008A
Authority: CN
Inventors: L·范伯克斯托
Original assignee: Metis Instr & Equipment N V
Current assignee: Metis Instr & Equipment N V
Priority date: 2004-11-09
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2007-12-19
Also published as: US7659717B2; EP1810046B1; JP2008519268A; GB0424717D0; WO2006050587A1; US20080007258A1; EP1810046A1

Abstract

一种用于测量样品材料的磁通量的传感器包括：第一拾取线圈3a，用于产生拾取信号；以及第二拾取线圈3b，用于产生另一个拾取信号。第一和第二拾取线圈3a、3b被排列成使得它们具有基本上相等的、相对于背景场的灵敏度以及基本上相等的、相对于离线圈内中心位置的偏移的灵敏度。这些线圈具有不同的、相对于样品所产生的场的灵敏度。该传感器可以用于测量磁性材料在不断变化的背景场中的磁响应，例如，用于使用脉冲磁场的完整磁滞测量装备。本发明也可以应用于磁矩计，并且用于测量金属样品中的感应电流，此时有必要在存在不想要的背景场的情况下作出测量。

Description

用于测量磁通量的传感器

技术领域

本发明涉及一种用于测量磁通量或磁矩的传感器。它在磁性材料的测试方面有许多应用，涉及磁通计或磁矩计，还涉及测量金属样品中的感应电流。

发明背景

永久磁性材料常用在将电能转变为机械能的设备中。在这些设备中，通过永久磁体的磁场和流过线圈的电流所产生的磁场的相互作用，便产生了机械力。这种设备的典型示例是永久磁体马达，在这种马达中，流过绕组的电流产生磁场，该磁场与永久磁体所产生的磁场相互作用从而驱动马达。另一个示例是扬声器，在扬声器中，绕组可以相对于永久磁体自由移动。放大后的音频信号穿过绕组，并且所得到的磁场使该绕组和扬声纸盆产生音频信号。因此，永久磁体常与一个相对抗的外部场一起使用。

为了设备的稳定性，期望知道该设备内所用的永久磁性材料可以耐受外部磁场同时其自身的磁性状态不下降。随着对抗磁场强度不断增大，磁化方向变得不再稳定且磁化将最终反向。在技术文献中，用每单位体积的磁矩(磁化强度M)作为磁场H的函数而得到一组曲线来描述耐受外场的能力。这些曲线被称为磁滞曲线，因为它们描述了材料的磁性状态的记忆以及其对变化的复原能力。

对于典型的应用而言，与对抗磁场相结合的磁化行为才是重要的。在磁化强度-外场的图中，该重要区域位于第二象限。用于描述使材料开始反向磁化所必需的磁场的参数是矫顽场HcJ。图1示出了典型的永久磁性材料磁滞曲线的第二象限。

像NdFeB和SmCo这样的强永久磁性材料的出现给设备方面带来了一场革命，因为可以用明显更少的材料产生磁场，由此节省了重量和体积。通过使用这种材料，现在有可能生产出其矫顽场大于2MA/m的永久磁性材料。

为了产生磁滞图，有必要通过在较宽的强度范围中产生磁场(即矫顽场)来测试磁性材料。在矫顽场大于2MA/m的情况下，能测量完整磁滞曲线的磁场的产生过程需要特殊的技术。常规实验用电磁体使用桌面上大小的铁轭和极靴，能够实现1.6MA/m的场。产生该数字以上的场可能需要超过10kW的电功率。超导磁体可以实现10MA/m左右的场，但它们需要特殊的低温。因此，在购买和运营费用方面，它们相对昂贵。像电容器组这样的脉冲电源所产生的磁场取消了对大装配电源的需求，因为电力是从能量存储电源中获得的。结果便是，脉冲在时间方面受可用存储能量的限制。目前，研究设施处的脉冲场装置达到了50MA/m或更高。基于小型电容性放电的实验装备达到了25MA/m的场。考虑到这一点，期望通过使用电容性能量存储放电来产生用于测量高矫顽材料的完整磁滞所必需的磁场。

用于测量样品材料的磁矩的一种已知方式是用拾取线圈来测量从样品中发出的磁通量。拾取线圈中所感应出的电压(例如，按时间积分)正比于磁矩。最常见的拾取线圈***之一是Helmholtz线圈对。Helmholtz线圈对几何形状是特殊的几何形状，其对样品位置相当不灵敏，即距离中心位置的位移仅在第四阶才看得到。通常，该位移可能大到线圈半径的一半，才能使响应变化1％。通过使用更多的线圈，更高阶的补偿是可能的。Helmholtz线圈对样品位置不灵敏的特点可用于测量大样品尺寸和粗样品定位。

Helmholtz线圈是一对共轴的完全相同的圆形线圈。线圈之间的距离等于线圈的半径。具有较小距离的线圈组具有与单个线圈相似的灵敏度，其最大值处于中心处且在轴上离开得越远灵敏度就越小。作为轴向距离的函数的响应显示出负的二阶依赖性。对于具有较大距离的线圈组而言，响应与两个独立的线圈的响应相似，从而显示出最大值位于各线圈的中心附近，而最小值则位于中间。因为当从中间移开且在各线圈中心的方向上时灵敏度不断增大，所以该灵敏度显示出正的二阶依赖性。图2示意性地示出了Helmholtz线圈的几何形状，按半平面截取线圈的一个截面。旋转轴位于左边；线圈被显示成两个正方形。响应的强度被显示成从95％到105％范围中的灰度级，其级差为0.5％。

用于测量磁矩的备选方法是：当被置于磁场梯度中时测量样品上的力。另一种方法是测量固定位置处由样品所产生的磁通量密度(B场)。该方法与几何形状有关。

利用Helmholtz线圈对测量磁矩的方法只能用于当有一个稳定的背景场时。因其几何形状，与用于线圈中心处的磁性样品的通量相比，Helmholtz线圈对是一个用于背景场的通量的更佳的传感器。因此，背景场的变化在Helmholtz线圈对中或在任何线圈中产生了寄生信号。然而，如上所述，产生完整磁滞曲线所需的高矫顽场需要背景场并不恒定的技术。

对于不断变化的背景场中的磁矩的测量而言，补偿技术需要用于任何基于感应测量的方法。补偿将基于两个具有不同响应的线圈组的使用：一个线圈组更多用于测量样品的响应，而另一个线圈组则更多用于测量背景场的响应。样品的合适信号需要通过从前者中减去后者而重新构造。然而，如果第一组具有Helmholtz几何形状，则第二组的信号将对样品的位置很敏感。两个信号的差将显示增大的位置灵敏度。

迄今，尚未开发出任何传感器能显示出合适的背景补偿和Helmholtz线圈对的位置不敏感性。

本发明寻求改进特别是在不断变化的背景场中测量样品磁通量或磁矩的精确度。

发明内容

本发明的目的是，提供特别是在不断变化的背景场中改进样品磁通量或磁矩的测量的方法和装置。

本发明的第一方面提供了一种用于测量样品材料的磁矩的传感器，它包括两个或更多个用于产生拾取信号的拾取线圈。来自这两个线圈的信号的组合产生了相对于背景场的较低或基本上为零的灵敏度。通过安排这两个线圈并通过将来自这两个线圈的信号组合起来，从而补偿了背景场。例如，所得的对背景场效应的灵敏度小于可获得的拾取线圈之一的单独测量信号的10％或者小于或等于其千分之一。此外，相对于待测样品与线圈内中心位置的偏移，上述线圈排列具有较低的或基本上为零的灵敏度。对于离测试区的半径/尺寸的1/2中心的典型偏移，这通常是主拾取线圈的半径，所得的灵敏度可以小于单个信号的20％并且小于2％并且达1％。也实现了相对于样品所产生的场的相当大的灵敏度。与测得的样品有关的信号最好大于从拾取线圈之一中获得的单个信号的5％且达50％或更大，即，如果本发明的补偿机理不在那里的话。

本发明还提供了：用于测量样品材料的磁矩或它产生的磁通量的传感器，该传感器包括：第一拾取线圈，用于产生拾取信号；第二拾取线圈，用于产生另一个拾取信号；其中第一和第二拾取线圈排列成使得它们对于背景场具有基本上相同的灵敏度、对于样品离线圈内中心位置的偏移具有基本上相同的灵敏度、并且对于样品所产生的场具有不同的灵敏度。

此类传感器具有与Helmholtz线圈对相同的优点，并且对于定位的灵敏度与Helmholtz线圈对相似，同时还具有背景信号得到补偿这一附加的优点。这些属性使该传感器很适合于测量磁性材料在不断变化的背景场中的磁性响应，例如，用于使用脉冲磁场的完整磁滞测量设备。例如，背景场可以是0.25特斯拉或更大、1特斯拉或更大、5特斯拉或更大的脉冲场。这种大幅值脉冲场具有这样的优点，即可以获得较大的场从而绕着磁滞回线驱动非常硬的材料。它们具有这样的缺点，即脉冲场可以感应出较大的EMF，这需要得到补偿。本发明还可以应用于磁通计或磁矩计，并且可以用于测量金属样品中的感应电流，此时有必要测量不想要的背景场的存在性。

本发明的第二方面提供了用于测试磁性材料样品的测试装置，该测试装置包括：发生器，用于在测试区内产生不断变化的磁场；以及上述类型的传感器，至少具有位于测试区内的第一和第二拾取线圈。

本发明还提供了用于测试磁性材料样品的测试装置，该测试装置包括：具有未知磁背景场的测试区以及位于该区内且像上文定义的那种传感器。

本发明还提供了磁开环测试排列方式，即用于测量磁性材料样品的测试装置，该测试装置包括：位于测试区内的上文所描述的传感器，测试区周围的区域没有显著地附属的磁性材料，以便引导该样品所产生的磁通量。因此，这种排列方式可以是在一种开放的磁环中，拾取线圈和样品之间有显著的空气间隙。

可以在不将磁极靴用于测试区的情况下作出线圈排列。线圈以这样一种方式排列，使得组合信号显著依赖于样品的磁矩并且显著不依赖于样品的几何形状。

本发明还提供了用于测试磁性材料样品的测试装置，该测试装置包括：发生器，用于在测试区中产生基本上大于0.25特斯拉的磁场；以及位于该测试区内且像上文所定义的那种传感器。

上述任何测试装置都可以包括数据分析功能，可操作该功能以获得样品材料的磁滞曲线。

现在，将参照附图描述本发明。

附图说明

参照附图，仅作为示例，将描述本发明的各种实施方式，其中：

图1示出了永久磁性材料的磁滞曲线的示例；

图2示出了Helmholtz线圈的灵敏度；

图3示出了根据本发明一实施方式用于在磁场存在的情况下测量样品磁矩的整个测试装置；

图4详细示出了图3的传感器中所使用的拾取线圈；

图5示出了用作磁通计的备选实施方式；

图6示出了附加拾取线圈组的使用。

具体实施方式

本发明将在结合特定实施方式并参照附图的情况下进行描述，但本发明并不限于此，而是仅由权利要求书来限定。所描述的图仅是示意性的和非限制性的。在这些图中，为了解释说明，一些元件的尺寸可能会被夸大并且未按比例画出。说明书和权利要求书中所用的术语“包括”并不排除其它元件或步骤。

本发明将主要参照硬磁性材料的测试来进行描述，即对磁滞回线而言具有显著大的面积的材料。此外，这些磁性材料将具有显著大的剩磁和矫顽力。用于这些材料的饱和场通常将超过0.25特斯拉，例如0.5特斯拉或更大，例如1特斯拉或更大，例如5特斯拉或更大。

图3和4示出了一种测试装置的实施方式，该装置用于测量在背景磁场中永久磁性材料的样品的磁矩。图3示出了整个装置，图4示出了测试区和传感器线圈的详细图。用于测量样品材料的磁通量的传感器包括两个或更多个用于产生拾取信号的拾取线圈3a和3b。排列拾取线圈3a、3b，使得信号的线性组合相对于背景场的灵敏度可忽略并且相对于离线圈内中心位置的偏移的灵敏度也可忽略。这些线圈相对于样品所产生的场的灵敏度相当大。该传感器可以用于测量在不断变化的背景场中磁性材料的磁响应，例如，用于使用脉冲磁场的完整磁滞测量装备。本发明也可以应用于磁矩计，此时有必要测量不想要的背景场的存在性。

大线圈4(比如螺线管)连接到能量存储电源10，该电源能够在线圈4中产生脉冲磁场。例如，该场可以是1特斯拉幅值或5特斯拉或更大的脉冲场。该磁场将被称为背景场或矫顽场。在使用过程中，线圈4内的区域暴露于脉冲磁场。位于线圈4内的是一个空心的圆柱形支持物2。支持物2具有足够容纳测试样品1的直径。通常，这将是一段永久磁性材料。两个线圈3a、3b被安装在支持物2上。磁排列方式是一个开放的磁环，在样品和线圈之间有足够的空气空间。可以在不将磁极片用于测试区的情况下作出上述排列。

第一线圈3a包括第一绕组3a(1)和第二绕组3a(2)，两者沿支持物2的轴5间隔开。这两个绕组彼此串联。第二线圈3b也包括第一绕组3b(1)和第二绕组3b(2)，两者沿支持物2的轴5间隔开。这两个绕组也彼此串联。绕组3b安装在绕组3a两侧，使得与绕组3a相比绕组3b离测试样品1更远。图4所示线圈具有圆形横截面，尽管这不是必要的，并且该横截面可以采用其它形状(比如正方形)。

线圈3a、3b的这种排列方式具有如下效果：

-在测试顺序期间，对于线圈4所产生的背景场，线圈具有相等的灵敏度；

-对于用于表示样品1所产生的通量的信号，线圈具有不同的灵敏度；

-对于样品1离线圈阵列的中心位置的小偏移，线圈具有相等的灵敏度。

通过使各线圈3a、3b的匝数与线圈面积的乘积都相等，便可以在均匀的背景场中满足对背景场的灵敏度相等这一要求。应该注意到，借助于线圈的属性(比如尺寸或相对于样品的位置或背景场)，或通过在线圈后放置一个放大器(比如图4中的元件6)，便可以使线圈的灵敏度相等或不同。例如，放大器6可以提升来自线圈3a的信号的振幅，使得在放大之后，特定的信号成分(比如背景场)看起来与来自线圈3b的信号中的相同成分具有相同的振幅。

各拾取线圈3a、3b产生一种信号，该信号是从通过该线圈的磁通量中产生的感应电压。感应电压将包括因背景场所导致的成分以及因样品1所产生的场而导致的成分。因为线圈3a和3b具有相对于背景场的相等的灵敏度，所以在来自线圈3a、3b的信号中因背景场而导致的成分应该相等。与线圈3a相比线圈3b离样品1更远，这确保在信号3a、3b中因样品1所产生的磁通量所导致的成分将是不同的。来自绕组3a、3b的信号将彼此相减。可以从信号3a中减去信号3b。因背景场所导致的相等(或接近相等)的成分将彼此抵消。在支持物2中样品1的位置离中心位置的偏移将在来自线圈3a、3b的信号中产生基本上相等的成分，结果，信号3a、3b的相减过程将抵消样品偏离中心位置的效果。相减过程的整体效果是，所得的信号不受背景场和样品离中心位置的小偏移的影响。

可以用若干种方式来确定线圈3a和3b的位置。最简单的过程是用数值方式来确定线圈在轴上不同位置处所产生的磁通量。为了实现背景场的补偿，线圈匝数的比例反比于线圈中的通量，绕组方向则相反。对于可能的线圈组，通过适于计算磁场的有限差分或有限元方法，可用数值方式来计算对样品位置的灵敏度。这种通用方法都是已知的，例如参照：″Analysis and Computation ofElectric and Magnetic Fields″，K.J.Binns和P.J.Lawrenson，Pergamon出版社，1973；″Numerical Analysis″，R.L.Burden和J.D.Faires，第七版，WadsworthBrooks/Cole 2001；″The finite element Method″O.C.Zienkiewicz和R.L.Taylor，第五版，Butterworth-Heinemann，2000。通过迭代地改变拾取线圈的几何位置以便实现期望的样品位置补偿，便确定了线圈的最终位置。通常，写入软件搜索例程，以迭代地改变线圈的位置并且计算与灵敏度有关的参数的值。根据所获得的值，可以选择某些排列方式，以提供第一最佳化位置，之后是进一步的细颗粒的位置优化以获得更佳的结果。合适的初始线圈位置可以是：内线圈排列在Hehnholtz线圈距离处，而外线圈排列在Helmholtz线圈距离的两倍处。从这种初始状态起，迭代地改变位置。这些迭代的目的在于，排列这些线圈使得通过这两个线圈的排列方式并通过来自这两个线圈的信号的组合使背景场得到补偿。例如，可以用上述方法来排列这些线圈，使得所得的针对背景场的效果的灵敏度小于可获得的拾取线圈之一的单独测量信号的10％或者小于或等于其千分之一。此外，可以定位线圈排列方式，使得对于待测样品离线圈内中心位置的偏移的灵敏度很低或基本上为零。对于离测试区的半径/尺寸的1/2的中心的典型偏移(通常这是主拾取线圈的半径)而言，所得的灵敏度可以小于20％且小于2％且低至拾取线圈之一的单独的信号的1％。也实现了相对于样品所产生的场的相当大的灵敏度，即获得了良好的信噪比。与测量样品有关的信号可以被安排成使得它最好比来自拾取线圈之一的单独的信号的5％-50％要大，即如果本发明的补偿机制不存在的话。此外，所有上述信号都是在独立于样品几何形状的情况下测得的。因为测量安排是在开放的磁环中，所以样品的精确形状或尺寸不是关键的。

可以增大线圈的量，以在更大的范围中获得对样品位置的补偿。

来自线圈3a、3b的信号的相减过程可以按若干种方式实现。在最简单的形式中，绕组可以按这样一种方式相连，使得一个信号的检测与另一个信号的检测相反。在图4中按常规方式使用点记号来示出信号的检测。这将直接使信号彼此相减。或者，可以通过电学方式减去这些信号，在模拟域中实现相减过程。在另一个备选方案中，通过模块14中的模数转换器对各个信号进行单独采样，以提供信号的数字表示。然后，可以通过在数字上减去它们，在数字域中操纵这些数字信号。无论这些信号怎样组合，这些信号都将在数据获取模块14中被采样，然后在数据处理功能16中被处理，从而产生图1所示类型的磁滞曲线。被处理的数据可以被输出到存储装置或其它装置。控制功能16也协调能量存储源10的控制，以在合适的时间产生脉冲信号。可以通过标准个人计算机用合适的软件和接口来执行模块12、14和16的处理，以对来自线圈3a、3b的单独的信号或信号3a、3b的组合进行采样。

尽管图3中未示出，但是在支持物2内可以附加地提供样品支架，该支架与支持物2的中心轴共轴地对齐并且最好也在线圈阵列3a、3b内的中心处。样品支架将具有足够大的尺寸，以容纳预期范围中各种尺寸的测试样品。如上所述，传感器可以应对测试样品离线圈3a、3b内真正中心位置的小偏移，所以样品并非一定要位于样品支架内的中心处。

因此，上述传感器具有与Hehnholtz线圈对相同的关于定位灵敏度的优点，同时还具有背景信号得到补偿这样的附加优点。这些属性使该传感器很好地适用于测量磁性材料在背景场中的磁响应，例如，用于使用脉冲磁场的完整磁滞测量装备。

尽管该传感器特别适用于测量磁性材料在背景场中的磁响应，但是它也可以用作磁通计。参照图5，该装置使用了与图3所示相同的支持物2、线圈3A、3B的排列方式以及许多相同的下游数据处理功能。然而，背景场25不是由人工产生的场4来提供的，而是由其中对想要的通量(例如测试样品1的通量)进行测量的背景环境来提供的。通常，该传感器也可以用于测量金属样品1中的感应电流。

参照图6，可以添加附加的线圈以提供进一步的优点。对样品、背景场、2阶样品位置、4阶样品位置、背景场的轴向不均匀性、背景场的径向不均匀性、或背景场中心的2阶和4阶位置，各个附加的线圈组具有不同的响应。对于各个附加的线圈组，可以补偿一个附加参数。

根据本发明，使来自拾取线圈的信号组合起来-通常这将是信号的线性组合。作为示例，来自线圈i(它可能包括若干个分开的串联的线圈)的信号是Si。

S_{i} = a_{i} M + \underset{j}{Σ} b_{ij} D_{j}

其中M是磁化强度，ai是响应率，Dj是待补偿的效果，bij是对这些效果的各自响应率。通过使用附加线圈，在各个系数为ci的情况下添加了信号，并且待补偿的效果Dj被抵消了：

S_{compensated} = \underset{i}{Σ} c_{i} S_{i} = \underset{i}{Σ} c_{i} a_{i} M + \underset{j}{Σ} \underset{i}{Σ} c_{i} b_{ij} D_{j}

j：

\underset{i}{Σ} c_{i} b_{ij} = 0

任何上述测试装置都可以包括数据分析功能，可以操作该功能获得样品材料的磁滞曲线。本发明并不限于本文所描述的各种实施方式，在不背离本发明的范围的情况下可以修改或改变这些实施方式。

Claims

1.一种用于测量样品材料的磁矩的传感器，包括：两个或更多个用于产生拾取信号的拾取线圈；以及用于将所述拾取信号组合起来的装置，由此产生相对于背景场显著为零的灵敏度、相对于样品材料离线圈内中心位置的偏移显著为零的灵敏度、以及相对于样品材料所产生的场的显著的灵敏度。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述拾取线圈和样品材料按磁开环排列方式来排列。

3.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所得的组合信号相对于背景场的灵敏度小于来自拾取线圈之一的信号的10％或千分之一。

4.如上述任一权利要求所述的传感器，其特征在于，对于离传感器测试区半径一半的中心的典型位置偏移，所得的组合信号相对于样品材料位置的灵敏度小于来自拾取线圈之一的信号的20％、2％或1％。

5.如上述任一权利要求所述的传感器，其特征在于，所述组合信号相对于样品所产生的场的灵敏度优于来自拾取线圈之一的信号的5％一直到50％。

6.如上述任一权利要求所述的传感器，其特征在于，对于各个拾取线圈而言，线圈面积与线圈匝数的乘积基本上相等。

7.如上述任一权利要求所述的传感器，其特征在于，所述拾取线圈沿轴向彼此间隔开。

8.如权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述拾取线圈包括沿轴向彼此间隔开的多组绕组，一个拾取线圈的绕组位于其它拾取线圈的绕组的外面。

9.如权利要求7或8所述的传感器，其特征在于，所有的线圈都沿着轴彼此共轴地安装。

10.如权利要求7到9中任一项所述的传感器，其特征在于，所有的线圈都具有相同的面积。

11.如上述任一权利要求所述的传感器，其特征在于，所述线圈以这样一种方式排列，使得组合信号显著依赖于样品的磁矩且显著不依赖于样品的几何形状。

12.如上述任一权利要求所述的传感器，其特征在于，所述组合装置可操作用于将所述拾取信号之一从其它拾取信号中减去。

13.如权利要求12所述的传感器，其特征在于，所述组合装置包括连接第一和第二拾取线圈，使得一个拾取信号的检测与其它拾取信号的检测相反。

14.如权利要求12所述的传感器，其特征在于，所述组合装置包括用于在模拟域中作用于拾取信号上的电路。

15.如权利要求12所述的传感器，还包括模数转换器，所述模数转换器可操作用于对拾取信号进行采样从而产生一对数字数据信号，并且所述组合装置可操作用于作用于所述数字数据信号。

16.如上述任一权利要求所述的传感器，还包括附加的拾取线圈组。

17.如上述任一权利要求所述的传感器，还包括用于在一段时间内对拾取信号的组合进行积分的积分器。

18.一种用于测试磁性材料样品的测试装置，所述测试装置包括：

用于在测试区内产生变化的磁场的发生器；

如权利要求1到17中任一项所述的传感器，其拾取线圈定位于所述测试区内。

19.如权利要求18所述的测试装置，其特征在于，所述发生器产生脉冲磁场。

20.如权利要求19所述的测试装置，还包括数据分析功能，该功能可操作用于获得样品的磁滞曲线。

21.一种用于设计上述任一项权利要求所述的传感器的方法，其中，利用磁感应拾取信号的数值模拟来确定拾取线圈的几何排列方式以消除背景场的效应和样品位置的依赖性，并且根据所确定的几何排列方式来制造线圈。