[發明專利]用于磁導率測量的傳感器及測量方法

在審

• 申請號: 201710258105.0
• 申請日: 2017-04-19
• 公開（公告）號: CN107085191A
• 公開（公告）日: 2017-08-22
• 發明（設計）人: 崔自強;張威揚;王化祥
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01R33/12
• 分類號: G01R33/12
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司12108
• 代理人: 王顕

技術領域

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

背景技術

磁導率參數是一種非常重要的電磁特性參數，其準確測量且有重要意義。現有的磁導率測量方法多是針對線圈磁芯材料的測量，被測試樣預制為特定形狀，如棒狀、環形等，將其作為線圈的磁芯，進行自感/互感的測量；進而利用線圈感抗與磁芯材料磁導率的關系確定材料的磁導率。磁導率測量在很多領域都有應用，如金屬結構件的電磁無損檢測，采礦、冶金及化工行業的過程參數檢測，建筑和橋梁內部金屬結構完整性測試等。此外，電磁層析成像(Electromagnetic Tomography,EMT)是利用各種材料介質在電導率/磁導率上的差異，對各種工業過程進行斷層掃描成像，同時正逐漸應用于醫學監護，其優勢包括對人體無害、無核素輻射、非接觸、無創、可用于對病人的長期監護、成本相對較低。

現有的磁導率測量傳感器和方法受試樣加工和傳感器制作的影響，磁導率的測量精度不高。首先，試樣的加工和制備周期較長，且機械加工精度會傳導至磁導率測量；其次，傳感器多采用長螺線管和環形螺線管的線圈形式，其自感/互感計算過分依賴理想線圈的自感/互感計算公式，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的影響，導致自感/互感的計算存在較大的系統誤差，誤差甚至可達到10％以上。

發明內容

本發明針對顆粒/粉體材料磁導率測量的需求，其目的是提出一種用于磁導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，通過建立電感計算公式可對磁導率測量數據進行修正，從而提高磁導率測量的精度。

為實現上述目的，本發明提供一種用于磁導率測量的傳感器，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率測量的傳感器的測量方法。

本發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/粉體材料磁導率進行測量，不須預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磁導率之間的關系式，便于結構優化和參數修正；由中部抽頭進行測量，可避免螺線管兩端邊緣效應的影響，獲得更加精確的測量結果。磁導率的測量精度能夠達到0.5％。

附圖說明

圖1為本發明的軸向磁場磁感應強度分布圖(l＝10R)；

圖2為本發明的螺線管傳感器與測量電路系統圖。

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

具體實施方式

結合附圖及實施例對本發明的用于磁導率測量的傳感器及測量方法加以說明。

本發明的用于磁導率測量的傳感器的結構是：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，當其內部均勻充滿各向同性磁導率為μ的介質時，其電感量是由磁鏈Ψ_m與電流I的關系確定，即

顯然，此處認為線圈內各處的磁感應強度B為常數，螺線管線圈8為無限長時的磁感應強度，即：

B＝μH＝μnI(2)

其中，n＝N/l為單位長度內線圈的匝數。進而得到以下關系：

然而，對于螺線管線圈8，其軸向磁感應強度實際應為：