磁性材料测量— 磁性测量导论

       磁性测量的范围不仅仅局限于磁性材料测试或磁场测量。直接或间接测量磁性参数，例如磁场强度H、磁感应强度B、磁导率μ、磁化系数Χ、磁致伸缩系数λ，常用于科学和技术的其他领域中，像古地磁学、磁考古学、矿山探测、位移或距离检测、电流检测、材料无损检测和医学诊断等。磁场测量实际应用是无限的，例如可以使用磁致伸缩传感器测试其他物质的数量，如酸度pH值、血凝固度、蓖麻油（蓖麻毒素）浓度甚至沙门氏菌的存在。

      尽管磁和电的测量需要类似的“工具”（两者都是通过电压或电流确定），但磁场测量通常更加复杂甚至更加不明确。多年来，仍假设磁性材料磁化由磁场强度H和磁感应强度B两个参数表示。然而，几年前的公认结论（国际标准紧随其后）是与磁感应强度相比，为少数人熟知的名词——极化强度 J(J=B-μ0H) 能更准确地描述材料的磁化状态。此外，现在有些专家认为更好的采用磁化强度M来描述磁性材料。在磁性材料磁场测量上有两个学派：一个是通过应用安培定律（通过测量励磁电流）间接测量；另一个通过测量线圈（应用法拉第电磁感应定律）直接测量。在真正选择测量磁场的传感器时，目前仍在讨论是测量磁场强度H还是磁感应强度B。因此，与建立了明确术语的电参量测量相比，磁性测量有许多基本问题仍在讨论中。

       在电气测量方面，电流与电压之间存在简单关系，可表达为欧姆定律。如图1.1所示测试样品，电势差由供电电压V表示，电流用I表示，电流值取决于材料的电阻率ρ，电阻为 R=ρL/A（L是样品长度，A是横截面积）。根据欧姆定律，电流为I=V/R，在电场E作用情况下，更精确地反映材料电阻率ρ的是电流密度J。

由图1.1还可得出，磁性材料的响应由磁场强度H作用下的磁导率μ表示，流过线圈的电流I产生H，也就是线圈中产生了磁通Φ。换句话说，磁场强度H作用下材料的磁导率μ可由磁通量密度（即磁感应强度）B=Φ/A表示。磁感应强度通常由二次侧n匝线圈感应电压来测量——电压值取决于磁感应强度的导数。在励磁磁场强度H和响应磁感应强度B之间，有相对简单的关系 B=μH……（1.2），但是通常磁性材料的测量比较复杂，远远超过同种情况的电气测量，因为：

（1） 通常典型导电材料（如长方体或圆柱形）电流分布是均匀的，只有少数情况例外（举例来说，高频电流导致集肤效应）。对于磁性材料而言，这种情况几乎完全相反——磁性材料测试样品磁化通常都是不均匀的，只有极少数例外（如椭圆形状的样品）。

（2）典型的导电材料中，电流和电压之间的关系是高度线性，只有一些个别的例外。因此，材料可以用单一标量值电阻R描述。相反，大多数典型磁性材料，磁场强度和磁感应强度关系是高度非线性的。因此，通常表达两者关系适用B=f(H)描述，这就是磁化曲线。

（3）大多数的导电材料具有相同质性，因此电流也分布均匀。由于磁性材料样品的晶粒和畴结构，在大多数情况下磁化都不均匀。

（4）除少数例外，大多数导电材料呈现各向同性，实际中需要的是电阻率张量。而大多数磁性材料具有各向异性的特性。

      因此，假设测试一个典型磁性材料样品，磁感应强度的分布很大程度上取决于样本的形状，因此不能简单地只讨论材料的磁特性。只能预先确定某些样品的属性（如环形铁芯、爱泼斯坦方圈、薄板或细长条形），一般建议采用闭合磁路，因开路样品需要外部磁轭磁化。

       即使采用标准的试验样品，因为铁磁材料是非线性的，还有另外一个问题需要解决。那就是磁场强度和磁感应强度两个都有可能是非正弦的（如果是使用交流试验方法），磁感应强度和磁场强度两者哪一个采用正弦的，测量结果有非常大的差异。公认的标准是磁感应强度必须是正弦的，这需要使用特殊的先进数控磁化设备，产生高值的磁感应强度。

       然而，即使测试样品采用确定的形状和严格的磁化波形，还有许多其他困难需要克服。因为材料通常各向异性，应该精确地确定磁化方向，这个问题再二维或三维测试中更加重要。测试结果很大程度上还要受到磁化频率的影响。在直流（静态）磁化情况下，也会出现额外问题，因为根据法拉第定律，若要产生感应电压，磁通必须是交变的。由于磁性材料测试中面临的大量困难，因此大多数测试只能在专业实验室中进行。

       磁滞回线通常被视为磁性材料具有的一种现象，因此也是一个最经常测试的磁特性。图1.2为磁滞回线的典型测试方法，因为磁感应强度为时间的导数，尽管先进的示波器可以执行操作，但通常积分放大器是必不可少的。励磁磁场强度通常取决于磁化电流值（电压降VH），根据安培定律H=I1N1/L（L是磁路长度，在环形样品中取平均周长，N1是磁化绕组匝数）。磁感应强度通常可由法拉第定律dB/dt=-V2N2/A得出。

      马蹄型永久磁铁通常被用作一个磁性的标志，现代稀土磁铁可产生的BH高于400kJ/m3，非常接近于理论极限假定为485kJ/m3。诸如1200kA/m以上（磁）矫顽力的非常大磁场的测量研究，促进了硬磁材料测试新方法的发展，其中一种解决方案是使用脉冲测试领域的技术。

磁场可影响许多其他的物理特性，例如电阻率、机械应力、光学特性等。因此，这些现象通常用于磁场传感器的设计。霍尔效应传感器、磁阻传感器和电感传感器等磁场传感器，不仅经常用于磁场的检测，还可用于磁性材料无损检测、材料评价和其他量的测量，特别是机械和电信号的测量。当然，也可以用于设计商用测量仪器，目前磁场测量仪器市场上，超导量子干涉器件具有测量几个fT(10-15T)低磁场的能力，这小到可以与人类大脑活动的磁场相类比。对于小磁场的测量，常用磁通门传感器，而霍尔效应传感器常用于测量大的磁场。

地球的磁场会造成磁测量中一个很大的问题，若测量几个fT(10-15T)的低磁场，就必须考虑强度超过其大小百万倍（大约50μT）的地球磁场的存在。此外，该领域伴随着类似或更大的工业磁干扰，特殊的磁屏蔽室是该领域内测量不可或缺的。