高斯计

----更新时间:2022-08-12

高斯计,是测量物体于空间上一个点的静态或动态(交流)磁感应强度, 由霍尔传感器(精度更高可选择磁通门传感器).经过物体磁力线穿过产生电流电压,主设备上面显示磁感应强度.

简介

  高斯计(现称毫特斯拉计)是根据霍尔效应制成的测量磁感应强度的仪器,它由霍尔探头和测量仪表构成。霍尔探头在磁场中因霍尔效应而产生霍尔电压,测出霍尔电压后根据霍尔电压公式和已知的霍尔系数可确定磁感应强度的大小。高斯计的读数以高斯或千高斯为单位。

  高斯计是用于测量和显示单位面积平均磁通密度或磁感应强度的精密仪器。

原理

  目前的高斯计几乎都是基于霍尔效应原理进行磁场测量的,采用霍尔传感器作为磁感应元件。用户可能会发现这样的问题,即使在同一个点上,使用不同型号的探头会产生不同的测量结果。这并非是测量的错误,而是由于霍尔传感器的尺寸不同以及装配的位置误差产生的结果。根据不同的需要,正确地选择高斯计和相应的霍尔探头尤为重要。

应用

了解高斯计

  显示磁场读数是高斯计最基本的功能。为使测量者获知读数,通常采用3种显示方案,即指针表头、数字表头和微处理器控制

  指针表头将电流转化为指针在表盘中的偏转位置,是最古老的读数显示方案,通常可提供5%的有效读数分辨准确度。即使指针位置不存在误差,测量者相对表盘的角度和估算经验也将显著提高读出误差,并且读数速率很低。因此,在对准确度和测量速率要求稍高的应用中,指针表头已趋淘汰。

  数字表头是针对指针表头读出误差问题的改进方案。数字表头内部集成ADC,将电压转换为数字量,并通过数码管或段式液晶显示为数字读数,从而为测量者提供直观的读数。数字表头具有固定的读数速率,并且无法外部控制。

  指针表头和数字表头均只能显示磁场读数,而无法提供更多的测量信息。无论使用二者之一,表头之前均为简单的模拟电路结构,因此必须大量使用易损低寿命的琴键开关和机械电位器实现有限的功能。

  现代测量不仅需要可显示的读数,还需要更多的功能。自动化测量至少需要高斯计与计算机之间的通讯接口,从而使计算机通过抗干扰的数字方式获取读数。使用表头的高斯计无法提供数字接口,只能通过与磁场值成正比的模拟输出接口与计算机外设的数字采集卡相连,外界干扰和处理环节增多将降低测量效用。

  很多情况下,例如调整探头位置等必须人工参与的环节,与测量值共同显示的最大值将提供足够的便利。然而,数字表头通常单行显示,无足够显示空间。而采用双表头时,记录最大值的表头之前必须配置复杂的依靠电容的最大值保持模拟电路,电容不可避免的漏电问题将造成严重的最大值误差。

  更高级的高速自动测量要求严格的测量实时性,即于某一时刻在同步触发信号触发多台仪器同步测量多个参数在此时刻的量值。数字表头的测量起始时刻点由表头内部电路决定,无法控制,因此只能得到一段时间内的平均值,而非某一时刻的准确测量值,无法适应高速测量要求。

  数字表头不具备运算功能,因此只能实现高斯G与特斯拉T之间的换算,而对于Oe与A/m之间的非10的n次幂换算无能为力。

  磁场读数之外的功能已成为高斯计不可或缺的组成部分,而使用表头的产品由于过于简单的结构愈发无法适应现代测量要求。使用内部微处理器的高斯计成为主流。

  对于现代高斯计,内部微处理器提供5个最重要的特征:

  首先,微处理器可灵活控制显示内容。配置图形点阵液晶后,高斯计可显示读数之外的大量测量信息,例如单位、最大值、直流/交流、自动/手动量程、计算机接口设置和触发方式。籍此,测量者可直观获得大量有助于监测测量过程的状态信息。

  其次,微处理器具有计算功能,因此对于单位换算、最大(最小)值保持、探头自动校零功能的实现具有明显优势。

  再次,微处理器具有存储功能。对于高斯计的参数设置可通过非易失性存储器保存,并在开机后自动重新设置。易失性存储器还可实现一定深度的高速磁场读数存储,从而使上位机由频繁的读数查询中解放出来,并通过批量读数提高测量效率。

  此外,微处理器具有强大的扩展功能,可轻易实现对ADC、DAC和键盘的控制,从而提高测量准确度,并避免使用易损的机械部件,提高仪器可靠性。对于外界触发信号,微处理器可作出实时测量响应,大幅度提高测量实时性。

  最后,微处理器提供面对计算机的接口。通过计算机接口,上位机不仅可获得读数,还可进行复杂的操作,或对高斯计运行状态的查询。与此类似,微处理器还提供对于数字化霍尔探头的接口,并通过固化在数字化探头内部的校准信息调整内部电路参数,在保证测量准确度的同时,使探头的校准独立于仪器本身,提高探头互换性和可靠性。

  微处理器的使用是现代仪器的基本特征。现代高斯计籍此获得更多的功能,而成本却与表头式产品持平。

  借助微处理器,功能可抽象并独立为模块,模块化设计使设计和生产成本降低,全自动校准进一步降低了高斯计的调试人工成本,从而使高性能价格比成为可能。

应用

高斯计的测试材料-硬磁材料解析

  高斯计一般是用来测试一些磁性材料的磁通量的仪器。为了更好的选择合适的产品,我们有必要了解一下哪些是硬磁材料,哪些是软磁材料

  高斯计的测试对象一:硬磁材料

  永磁功能材料常称永磁材料,又称硬磁材料,而软磁功能材料常称软磁材料。这里的硬和软并不是指力学性能上的硬和软,而是指磁学性能上的硬和软。

  1.磁性硬是指磁性材料经过外加磁场磁化以后能长期保留其强磁性(简称磁性),其特征是矫顽力(矫顽磁场)高。矫顽力是磁性材料经过磁化以后再经过退磁使具剩余磁性(剩余磁通密度或剩余磁化强度)降低到零的磁场强度。

  2.软磁材料则是加磁场既容易磁化,又容易退磁,即矫顽力很低的磁性材料。退磁是指在加磁场(称为磁化场)使磁性材料磁化以后,再加同磁化场方向相反的磁场使其磁性降低的磁场。

  目前,永磁材料是发现和使用都最早的一类磁性材料。我国最早发明的指南器(称为司南)便是利用天然永磁材料磁铁矿制成的。现在的永磁材料不但种类很多,而且用途也十分广泛。

  高斯计被测对象-常用的永磁材料主要具有4种磁特性:

  (1)高的最大磁能积。最大磁能积[符号为(BH)m]是永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度的量度;

  (2)高的矫顽(磁)力。矫顽力[符号为(H)c]是永磁材料抵抗磁的和非磁的干扰而保持其永磁性的量度;

  (3)高的剩余磁通密度(符号为Br)和高的剩余磁化强度(符号为Mr)。它们是具有空气隙的永磁材料的气隙中磁场强度的量度;

  (4)高的稳定性,即对外加干扰磁场和温度、震动等环境因素变化的高稳定性。

  当前常用的重要永磁材料主要有:

  (1)稀土永磁材料,这是当前最大磁能积最高的一大类永磁材料,为稀土族元素和铁族元素为主要成分的金属互化物(又称金属间化合物)。我国研制和生产的钕铁硼稀土合金永磁材料。

  (2)金属永磁材料。这是一大类发展和应用都较早的以铁和铁族元素(如镍、钴等)为重要组元的合金型永磁材料,主要有铝镍钴(AlNiCo)系和铁铬钴(FeCrCo)系两大类永磁合金。铝镍钴系合金永磁性能和成本属于中等,发展较早,性能随化学成分和制造工艺而变化的范围较宽,故应用范围也较广。铁铬钴系永磁合金的特点是永磁性能中等,但其力学性能可进行各种机械加工及冷或热的塑性变形,可以制成管状、片状或线状永磁材料而供多种特殊应用。

  (3)铁氧体永磁材料。这是以Fe2O3为主要组元的复合氧化物强磁材料(狭义)和磁有序材料如反铁磁材料(广义)。其特点是电阻率高,特别有利于在高频和微波应用。如钡铁氧体(BaFe12O19)和锶铁氧体(SrFe12O19)等都有很多应用。除上述3类永磁材料外,还有一些制造、磁性和应用各有特点的永磁材料。例如微粉永磁材料、纳米永磁材料、胶塑永磁材料(可应用于电冰箱门的封闭)、可加工永磁材料等。

  电与磁是大自然中一直存在的现象,例如闪电与磁石。人类很早就知道运用电与磁来改善生活,丰富生命。除了自然存在的电磁场外,人们为生活的便利开发了许多用电器具,如常用的手机、电视、吹风机、电磁炉、微波炉、计算机、冷气等家用电器,甚至捷运、电气火车、输变电设备等公共设施,方便了生活也增加了一些人为的电磁场。

  (1)永磁体的表面磁场测量:采用高斯计(特斯拉计)测量永磁产品表面磁场强度,主要是对永磁产品的质量及充磁后磁性能一致性的评估;通常测量中磁体表面中心点的磁场强度进行测量,通过对标准样品数据进行比较从而判断产品是否合格,同时也可以保证材料的一致性。

  (2)气隙磁场的测量:采用高斯计(特斯拉计)测量气磁场的应用比较广泛,在科研、电子制造、机械等领域均有用到。目前应用比较典型的行业主要有电机和电声两大行业。

  (3)余磁测量:如工件退磁后的退磁效果检测。

  (4)漏磁测量:如喇叭漏磁测量。

  (5)环境磁场测量

与特斯拉计区别

  特斯拉计(高斯计)是采用霍尔原理,配以霍尔偏值电路,放大电路,AD电路,显示电路,定标后用来测试磁感应强度(磁场强度)的仪器.

  在CGS单位制中,磁感应强度的单位是高斯,因此叫高斯计.在SI单位制中,磁感应强度的单位是特斯拉,因此叫特斯拉计.

  关系为:1T(特斯拉)=1000MT(毫特斯拉)=10000GS(高斯) 

  总之本质是一个东西,只是测量的单位不同而已,特斯拉单位太大,一般采用毫特斯拉单位,现在很多人都喜欢用高斯单位,感觉要直观一点.

与电磁场

  电磁场是电场与磁场的合称。 我们一般所称的「场」指的是空间中的一个区域,进入这个区域的物体都会感受到力的作用,例如我们生活在地球的重力场中,也生活在地磁的磁场中,闪电时我们更笼罩在强大的电场中。

  生活中常常会发现电场的存在,例如冬季脱毛衣发生的爆烈声,接触门的把手有触电感觉,这些都是因摩擦而产生的静电现象。在电力使用中,只要有电压存在,电线或电器设备周围就会有电场。电场一般是以千伏特/米(kV/m)作单位。

  将磁铁置于纸板下,撒铁粉在纸板上,就会发现磁铁两端之间产生相连的几圈条纹,这就是磁场。在电力使用中,只要有电流通过,导线的周围也会产生磁场。磁场的单位是以特斯拉(T)毫特斯拉(mT)或高斯(Gs)或毫高斯(mGs) 或微特斯拉(μT) 表示。

  1特斯拉(T)=10,000高斯(Gs)

  1毫特斯拉(mT)=10高斯(Gs)

  1高斯(Gs)=1,000毫高斯(mGs)

  1微特斯拉(μT)=10毫高斯(mGs)

电磁场的衰减和屏蔽

  电场与磁场的强度都会随着与发生源的距离加大而急速的降低,如发生源的电压、电流消失,电磁场也会消失不见。电力电磁场(60Hz)属于极低频电磁场(30~300Hz),变化缓慢,可将电场与磁场分开讨论。

  电场很容易屏蔽,如金属的外壳、钢筋混凝土、树木及人体皮肤等都可以得到相当好的屏蔽效果。电力设备如变压器、电缆等大多有金属外壳,其内部几乎没有电场,屋内式变电所之所有设备都在钢筋混凝土建筑物内,对电场屏蔽更佳,又人体皮肤对电场有极佳的屏蔽(约衰减一亿倍),进入人体电场几乎为零。因此世界上在电磁场对人体健康影响之研究(流行病学),已将电场排除,而以磁场为主。

  磁场几乎无法屏蔽,但方向相反、大小相同电流产生的磁场可以抵消,因此采用双绞线传输信号可以起到很好的降低电磁噪声的作用。

如何选用高斯计

  高斯计的选型首先应从测量对象入手,考虑以下几个方面:

  a、磁场类型:磁场分为直流磁场和交流磁场两种,永磁材料磁场强度应选用直流高斯计测量;

  b、仪器量程:明确被测对象的大概磁场范围,选择仪器的量程范围应大于被测量磁场;

  c、测量精确度:指仪器的分辨率,如分辨率是 1Gs 或者 0.1Gs 等;

  d、探头选择:通常仪器生产厂家的测试探头都有多种不同规格,以满足各种不同测试要求,测量表面磁场强度通常不需要考虑探头规格。

  ①气隙磁场测量:应访考虑探头的尺寸大小,如探头尺寸大于被测气隙,则无法进入到被测的气隙中,从而无法使用;

  ②探头方向选择:探头方向分横向和轴向两种,用户在探头选择时应根据被测对象考虑选择适应的探头;

  ③探头连接线:仪器生产厂家探头线缆的长度通常是固定的,如有特殊测量要求,需延长或缩短探头线时,应向厂家提出。高斯计

  e、供电方式:台式高斯计通常采用交流 220V 供电,便携式高斯计采用电池供电。

  f、功能选择

  ①常规功能:极性判断、最大值锁定等;

  ②便携性:如需户外操作或现场测量,可选择便携性较好的掌上高斯计(便携式),此类仪器体积小,重量轻,采用电池供电;

  ③生产线快速测量:仪器具有上、下限设置及报警功能;

  ④交流磁场测量:用于测量低频( 1 — 400Hz )交变磁场强度的大小;

磁性测量

1、 磁感应强度

磁感应强度是用来描述磁场性质的物理量,用B表示,磁场中某点的B的方向是该点的磁场方向,B的大小表示该点磁场的强弱。

在SI单位制(国际单位制)中,磁感应强度的单位是[伏特·秒/米2],而[伏特]·[秒]称为韦伯,所以磁感应强度的单位称为[韦伯/米2]或[特斯拉],简称[特],在CGSM单位制中,磁感应强度的单位是[高斯]。单位用符号表示:V为[伏特],s为[秒],m为[米],Wb为[韦伯],T为[特],Gs为[高斯],mT为[毫特]。

1T=1Wb/m2=104Gs=103mT (1)

2、磁力线、磁通与磁通连续定理

我们用磁力线来形象地描绘磁场,电流产生的各种不同磁场的磁力线如图1所示,磁力线是环绕电流的无头无尾的闭合线,电流方向与磁力线回车方向符合右手定则

我们规定,磁力线任何一点的切线方向是该点磁场(也就是B)的方向,通过垂直于B矢量的单位面积的磁力线数等于该点B矢量的大小。也就是说,磁场强的地方,磁力线较密,磁场弱的地方,磁力线较疏。

通过某一曲面的总磁力线数,称为通过该曲面的磁通,用Φ表示。磁通的计算如图2所示,在曲面上取面积元,其法线方向与该点的B的方向之间成θ角,通过该面积的元的磁通为:

dφ=B×cosθ×ds (2)

所以通过曲面的S的总磁通为

φ=∮B×cosθ×ds (3)

当B均匀,S是平面并与B垂直时,通过S平面的磁通为:

φ=B×S (4)

这是磁测量中经常用到的关系。

磁通连续定理:当S面是一个闭合面,由于磁力线是闭合线,那么穿进闭合面的磁力线必从闭合面的其它部分穿出,所以通过任一闭合面的总磁通量必等于零。即:

φ=∮Bcosθds=0 (5)

磁通的单位在SI单位制中是[韦伯],在CGSM单位制中是[麦克斯韦],简称[麦]符号用Mx表示。

1Wb=108Mx (6)

3、磁场强度、磁导率和安培环路定律

磁场强度是为了便于分析磁场和电流之间的关系而引入的一个物理量,它也是一个 矢量,用H表示,它与磁感应强度的关系是:

H=B/μ (7)

其中:μ是磁介质的磁导率,由磁介质的性质决

定。在SI单位制中,真空的磁导率为:

μ0=4π×10-7亨利/米 (8)

H的单位是[安培/米],在CGSM单位制中,真空的磁导率为1,H的单位是[奥斯特],简称[奥]。单位用符号表示:A为[安培],Oe为[奥],H为[亨利]。

1A/m=4π×10-3 Oe (9)

安培环路定律:在磁场中,H矢量沿任意闭合曲线

线积分等于包围在这闭合曲线内各电流的代数和。即:

∮H×cosα×dl=∑I (10)

式中:α为曲线的切线方向与该点磁场方向的夹角。

利用安培环路定律,我们可以较方便地计算出具有某种空间对称性的电流所产生的磁场。例如计算一个均匀密绕的环形螺线管内部P点的磁场强度,如图4所示。取过P点,半径为r的同心圆,作为闭合的积分曲线。由于对称关系,在同心圆周上各点的磁场强度相等,磁场强度的方向沿着同心圆的切线方向,即α=0,这样:

∮H×cosα×dl=H*2πr=NI (11)

于是P点的磁场强度:H=NI/(2πr)

式中:N为绕线匝数。从这个关系可以看到:磁场强度仅决定于产生磁场的电流的分布,而与磁介质的性质无关。

4、电磁感应定律

电磁感应定律说明了感应电动势与磁通变化之间的关系。定律指出:不论任何原因使通过某一回路的磁通Φ发生变化时,回路中产生的感应电动势为:

e = -dΦ/dt (12)

如果回路由N匝线圈组成,那么在磁通变化时,每匝都将产生感应电动势,总的感应电动势等于各匝的感应电动势之和。当每匝通过的磁通相同时,则有:

e = N×dΦ/dt (13)

电磁感应定律是磁测量中应用最普遍的定律之一。

当式(13)中的磁通按正弦规律作周期性变化时,可以推导出感应电动势的有效值与磁通的最大值的关系为:

U = 4.44×f×N×Φm (14)

友情链接:叶子词典|分类百科|soho小报