本發(fā)明涉及一種用于磁導(dǎo)率測量的傳感器及測量方法，特別是用于顆粒/粉體材料磁導(dǎo)率的精確測量。

背景技術(shù)：

磁導(dǎo)率參數(shù)是一種非常重要的電磁特性參數(shù)，其準(zhǔn)確測量且有重要意義?，F(xiàn)有的磁導(dǎo)率測量方法多是針對線圈磁芯材料的測量，被測試樣預(yù)制為特定形狀，如棒狀、環(huán)形等，將其作為線圈的磁芯，進(jìn)行自感/互感的測量；進(jìn)而利用線圈感抗與磁芯材料磁導(dǎo)率的關(guān)系確定材料的磁導(dǎo)率。磁導(dǎo)率測量在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，如金屬結(jié)構(gòu)件的電磁無損檢測，采礦、冶金及化工行業(yè)的過程參數(shù)檢測，建筑和橋梁內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)完整性測試等。此外，電磁層析成像(electromagnetictomography,emt)是利用各種材料介質(zhì)在電導(dǎo)率/磁導(dǎo)率上的差異，對各種工業(yè)過程進(jìn)行斷層掃描成像，同時正逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)，其優(yōu)勢包括對人體無害、無核素輻射、非接觸、無創(chuàng)、可用于對病人的長期監(jiān)護(hù)、成本相對較低。

現(xiàn)有的磁導(dǎo)率測量傳感器和方法受試樣加工和傳感器制作的影響，磁導(dǎo)率的測量精度不高。首先，試樣的加工和制備周期較長，且機(jī)械加工精度會傳導(dǎo)至磁導(dǎo)率測量；其次，傳感器多采用長螺線管和環(huán)形螺線管的線圈形式，其自感/互感計(jì)算過分依賴?yán)硐刖€圈的自感/互感計(jì)算公式，而這些公式僅適用于滿足特定條件的線圈，未考慮有限長線圈兩端電磁場邊緣效應(yīng)的影響，導(dǎo)致自感/互感的計(jì)算存在較大的系統(tǒng)誤差，誤差甚至可達(dá)到10％以上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對顆粒/粉體材料磁導(dǎo)率測量的需求，其目的是提出一種用于磁導(dǎo)率測量的傳感器及測量方法。有限長螺線管與無限長螺線管理想模型的磁場分布有很大差別，通過建立電感計(jì)算公式可對磁導(dǎo)率測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而提高磁導(dǎo)率測量的精度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于磁導(dǎo)率測量的傳感器，其中：該傳感器包括一四抽頭的螺線管線圈，螺線管線圈自上而下依次引出四個抽頭，四個抽頭中第一抽頭連接與地相連的激勵電流源，第四抽頭與激勵信號源的地電位相連，形成電流回路，第二抽頭、第三抽頭連接儀表放大器的輸入端獲取差分電壓，并與電壓測量模塊相連。

同時提供一種利用用于磁導(dǎo)率測量的傳感器的測量方法。

本發(fā)明的效果是該帶多個抽頭的螺線管線圈的傳感器簡單易行，可直接對顆粒/粉體材料磁導(dǎo)率進(jìn)行測量，不須預(yù)先制備特定形狀的磁芯；傳感器的物理模型明確，可由解析公式可確定電感量與被測介質(zhì)磁導(dǎo)率之間的關(guān)系式，便于結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)修正；由中部抽頭進(jìn)行測量，可避免螺線管兩端邊緣效應(yīng)的影響，獲得更加精確的測量結(jié)果。磁導(dǎo)率的測量精度能夠達(dá)到0.5％。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的軸向磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖(l＝10r)；

圖2為本發(fā)明的螺線管傳感器與測量電路系統(tǒng)圖。

圖中：

1、第一抽頭2、第二抽頭3、第三抽頭4、第四抽頭

5、儀表放大器6、電壓測量模塊7、激勵電流源8、螺線管線圈

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的用于磁導(dǎo)率測量的傳感器及測量方法加以說明。

本發(fā)明的用于磁導(dǎo)率測量的傳感器的結(jié)構(gòu)是：該傳感器包括一四抽頭的螺線管線圈8，螺線管線圈8自上而下依次引出四個抽頭，四個抽頭中第一抽頭1連接激勵電流源7，第四抽頭4與地電位相連形成電流回路，第二抽頭2、第三抽頭3連接儀表放大器5的輸入端獲取差分電壓，并與電壓測量模塊6相連。所述電壓測量模塊6為lcr表、數(shù)字萬用表或具有交流電壓測量功能的儀器之一種。

對于螺線管線圈8為無限長的情況，記其管徑為r，繞有n匝線圈，當(dāng)其內(nèi)部均勻充滿各向同性磁導(dǎo)率為μ的介質(zhì)時，其電感量是由磁鏈ψm與電流i的關(guān)系確定，即

顯然，此處認(rèn)為線圈內(nèi)各處的磁感應(yīng)強(qiáng)度b為常數(shù)，螺線管線圈8為無限長時的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即：

b＝μh＝μni(2)

其中，n＝n/l為單位長度內(nèi)線圈的匝數(shù)。進(jìn)而得到以下關(guān)系：

然而，對于螺線管線圈8，其軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)際應(yīng)為：

如圖1、2所示，圖中給出bz及b0的對比圖，其中橫縱坐標(biāo)分別為z/r及bz/b0。當(dāng)螺線管線圈8為無限長時，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為常數(shù)；當(dāng)螺線管線圈8為有限長時，存在非常明顯的邊緣效應(yīng)。邊緣效應(yīng)使磁感應(yīng)強(qiáng)度分布不再均勻，采用中部抽頭在很大程度上避開邊緣效應(yīng)的影響。為此，本發(fā)明所述的磁導(dǎo)率測量方法是使激勵電流流過整個螺線管線圈8，測量其在中部位置均勻電磁場對第二抽頭2及第三抽頭3之間的線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢，進(jìn)而確定電感。假設(shè)第二抽頭2與第三抽頭3之間的距離為2kl，其中k≤1/2，則其電感可由下式確定：

通過上式，可以精確的確定某一對抽頭之間的電感值，即：

進(jìn)而，由電感l(wèi)m與其被測材料磁導(dǎo)率的關(guān)系，可確定其磁導(dǎo)率。通過比較bz及b0曲線的關(guān)系，可對測量結(jié)果做進(jìn)一步的修正。與此同時，注意到當(dāng)螺線管線圈8長度l遠(yuǎn)大于其半徑r時，在螺線管線圈8中部位置的磁場分布非常接近均勻分布。

當(dāng)設(shè)置多對抽頭時，可由上述方法獲得多個磁導(dǎo)率數(shù)值，通過取平均值等方法進(jìn)一步數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。本發(fā)明的有益之處在于可使磁導(dǎo)率的相對測量誤差達(dá)到0.5％以內(nèi)。

如圖2所示，螺旋管線圈8長度為l＝129mm，線圈半徑為r＝12.9mm，線徑為r＝0.71mm，匝數(shù)n＝150匝，截面積s＝πr²以線圈中心位置為中心，在水平上對稱的取一對抽頭，兩抽頭的間距為la＝48.4mm。依次記各端子為第一抽頭1、第二抽頭2、第三抽頭3、第四抽頭4。

本發(fā)明的用于磁導(dǎo)率測量的傳感器的測量方法包括有以下步驟：

步驟1)，在所述傳感器內(nèi)填滿被測介質(zhì)后，由激勵電流源7將交變電流注入第一抽頭1；同時第四抽頭4接地，在螺線管線圈8內(nèi)構(gòu)成電流回路，形成交變電磁場；

步驟2)，由儀表放大器5及電壓測量模塊6完成螺線管線圈8中間第二抽頭2和第三抽頭3之間差動電壓u的測量；根據(jù)公式確定第二抽頭2和第三抽頭3之間的電感l(wèi)；

步驟3)，根據(jù)公式建立的l與μ的關(guān)系式，確定被測介質(zhì)的磁導(dǎo)率μ。式中，s為被測介質(zhì)填充體的橫截面積，n為單位長度線圈的匝數(shù)，2kl為第二抽頭2與第三抽頭3之間的距離(k≤1/2)，z為線圈的軸向坐標(biāo)。

在本實(shí)施例中，測量空氣的磁導(dǎo)率數(shù)值為12.498×10^-7h/m，與理論數(shù)值(4π×10^-7h/m)的相對誤差為0.49％。