一种大尺寸物体交流磁化率的测量装置及其测量方法

技术领域

本申请属于空间引力波探测中的材料磁特性测量领域，更具体地，涉及一种大尺寸物体交流磁化率的测量装置及其测量方法。

背景技术

在空间引力波探测中，需要探测1mHz至10Hz范围内的引力波信号。由于引力波信号极端微弱，因此对检验质量所受到的干扰力的大小提出了严苛的要求。在检验质量所受的干扰力中，检验质量的磁化率与外界磁场的耦合产生的磁力噪声是引力波探测中的主要的噪声来源。根据国内外的相关研究，高于10Hz的高频磁场能够通过差频的方式将磁力耦合到低频信号中，从而对引力波探测造成干扰。并且由于检验质量为合金材料，其磁化率随磁场的频率会发生变化，因此，对检验质量的磁化率进行频率特性测量也即交流磁化率测量，对评估检验质量的磁噪声具有重要意义。

由于检验质量的尺寸达到了几厘米，目前的商用仪器如VSM、SQUID等无法对其交流磁化率进行测量。扭秤测量方法在不久前被应用于交流磁化率的测量当中，但是扭秤存在测量过程比较繁琐，测量周期长，测量需要维持高真空环境，更换样品不方便等缺点，，不利于高效的对材料的磁性进行系统性研究。中国专利CN 115718273 A提出了一种基于磁感应强度的磁化率测量装置及方法，但该装置施加给样品的为梯度磁场，交流磁化率的定义为样品在均匀磁场的作用下产生的总磁矩与外加磁场的比值，因为在高频交流磁场情况下，由于趋肤效应等因素的存在，样品的磁矩不再是均匀分布的，使得梯度场测量得到样品交流磁化率不再有明确的物理意义，因此该装置不适用于交流磁化率的测量。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本申请的目的在于提供一种大尺寸物体交流磁化率的测量装置及其测量方法，能够对厘米级以上的大尺寸物体进行交流磁化率测量。

为实现上述目的，第一方面，本申请提供了一种大尺寸物体交流磁化率的测量装置，包括磁场产生机构、磁场测量机构、相位参考机构和控制机构；

所述磁场产生机构，包括几何中心重合且半径不同的两对亥姆霍兹线圈，半径小的亥姆霍兹线圈设置在半径大的亥姆霍兹线圈的内侧，两对亥姆霍兹线圈通入频率间隔变化的反向正弦电流，用于产生覆盖样品所在区域的均匀磁场和远离样品的磁场幅值零点；

所述磁场测量机构，设置在所述磁场幅值零点处，其到两对亥姆霍兹线圈几何中心的距离大于10倍样品沿磁场方向的尺寸，用于当样品远离和靠近时测量其所在位置点处的磁场和相位；其中，样品靠近时，样品位于所述磁场产生机构产生的磁场均匀区；

所述相位参考机构，用于提供并测量与均匀磁场同相位的参考相位；

所述控制机构，用于根据所述参考相位，以及样品远离和靠近时所述磁场测量机构测得的磁场和相位，计算样品在不同正弦电流频率处的磁化率的相位和模值，得到样品在一定频率范围内的磁化率频谱分布。

本申请提供的大尺寸物体交流磁化率的测量装置，采用两对亥姆霍兹线圈产生一个远离样品的磁场幅值零点，磁场幅值零点的位置能够通过调节线圈的半径和匝数来进行调节，从而能实现对不同尺寸样品的交流磁化率测量；且将磁场测量机构设置在磁场幅值零点处，通过调节线圈的半径和匝数使磁场测量机构到两对亥姆霍兹线圈几何中心的距离远大于样品沿均匀磁场方向的尺寸，能有效降低交流磁矩不均匀分布带来的测量误差。

作为进一步优选的，所述样品为检验质量。

作为进一步优选的，所述相位参考机构包括远离样品设置的相位参考线圈和用于测量该相位参考线圈所产生磁场的磁力仪，所述相位参考线圈与两对亥姆霍兹线圈串联。

作为进一步优选的，当样品远离时，磁场测量机构测量得到线圈残余背景磁场的幅值B

样品在正弦电流频率为ω处的磁化率的模值|χ(ω)|的计算公式为：

感应磁场的幅值B

样品在正弦电流频率为ω处的磁化率的相位

式中，

作为进一步优选的，还包括位移机构和样品移动机构；

所述位移机构用于调节样品的方位，使样品远离或靠近磁场测量机构；所述样品移动机构用于调节磁场测量机构的空间位置，使所述磁场测量机构中的敏感元件位于所述磁场幅值零点处。

作为进一步优选的，所述位移机构包括磁力仪安装平台、磁力仪支架和位移台，所述磁场测量机构固定在磁力仪安装平台上，磁力仪安装平台与磁力仪支架刚性连接，磁力仪支架安装在位移台上，所述位移台用于接收并根据控制机构发送的第一控制信号调节磁场测量机构的空间位置。

作为进一步优选的，所述样品移动机构包括输送带、样品台支架、输送带安装平台和电机，样品台支架安装在地面上，输送带安装平台固定在样品台支架上，输送带安装平台上设有两个轴承，输送带套设在两个轴承上，样品放置在输送带上，电机通过传动带连接轴承，电机用于接收并根据控制机构发送的第二控制信号驱动轴承转动，从而带动输送带运动，使样品远离或靠近磁场测量机构。

作为进一步优选的，所述磁场产生机构固定在线圈安装平台上，所述线圈安装平台采用无磁非金属材料制成，所述线圈安装平台和样品移动机构安装在隔振平台上。

作为进一步优选的，两对亥姆霍兹线圈与线圈安装平台之间以及线圈安装平台与隔振平台之间采用刚性连接。

第二方面，本申请提供了一种基于上述所述的大尺寸物体交流磁化率的测量方法，包括如下步骤：

根据两对亥姆霍兹线圈的参数计算磁场幅值零点处，将磁场测量机构放置在该磁场幅值零点处附近；

向两对亥姆霍兹线圈通入方向相反的方波电流，并将磁场测量机构朝线圈轴向方向移动，同时观察磁场测量机构测得的磁场变化情况，直到测得的磁场幅值降低在设定范围内时，将磁场测量机构保持在该位置点；

将相位参考机构远离样品放置，并将其与两对亥姆霍兹线圈串联；

将样品远离磁场测量机构，然后向两对亥姆霍兹线圈通入频率ω的反向正弦电流，磁场测量机构对线圈残余背景磁场进行测量；测量一段时间后，将样品靠近磁场测量机构并保持一段时间，磁场测量机构对线圈残余背景磁场和样品在均匀磁场作用下产生的感应磁场的叠加场进行测量；

控制机构根据相位参考机构测得的参考相位以及线圈残余背景磁场和叠加场的幅值和相位，计算样品在频率ω处的磁化率的相位和模值；

改变正弦电流的频率，对样品在其他频率处的磁化率的相位和模值进行测量，最终得到样品在一定频率范围内的磁化率频谱分布。

可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

附图说明

图1是本申请一实施例提供的大尺寸物体交流磁化率的测量装置的结构图；

图2是本申请一实施例提供的外加磁场的轴向分布图；

图3是本申请具体实施例测得的在1500Hz时的时域曲线图；

图4是本申请具体实施例测得的在1500Hz时的频域曲线图；

图5是本申请具体实施例测得的在1Hz到1500Hz范围内的交流磁化率的模值谱图；

图6是本申请具体实施例测得的在1Hz到1500Hz范围内的交流磁化率的相位谱图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1为一对大亥姆霍兹线圈，1为一对小亥姆霍兹线圈，3为磁场测量机构中的磁力仪，4为磁力仪安装平台、5为磁力仪支架，6为位移台，7为相位参考线圈，8为相位参考机构中的磁力仪，9为隔振平台，10为线圈安装平台，11为步进电机，12为样品台支架，13为传动带，14为轴承，15为输送带安装平台，16为输送带。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要理解的是，在本申请的描述中，术语“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定；术语“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定；术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述对象的特定顺序；术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

另外，贯穿本说明书对“一个实施例”的引用；“一个实施例”、“一个示例”或类似的语言表示结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中；”的出现贯穿本说明书的“在一个实施例中”和类似的语言可能但不一定都指代相同的实施例。

本申请提供了一种大尺寸物体交流磁化率的测量装置，可用于对厘米级以上尺寸的样品进行交流磁化率测量，比如检验质量。图1是本申请一实施例提供的大尺寸物体交流磁化率的测量装置的结构图，如图1所示，该测量装置包括磁场产生机构、磁场测量机构、相位参考机构和控制机构(图中未示出)。

其中，磁场产生机构包括半径不同的两对亥姆霍兹线圈(即一对大亥姆霍兹线圈1和一对小亥姆霍兹线圈2)，两对亥姆霍兹线圈的几何中心重合，其中小亥姆霍兹线圈2设置在大亥姆霍兹线圈1的内侧。

工作时，利用外部变频正弦电源向两对亥姆霍兹线圈通入频率间隔变化的反向正弦电流，用于产生两个均匀区长度不同且方向相反的外加磁场，该磁场分布使样品处于均匀磁场之中，同时在距离样品一定的距离处产生一个磁场幅值为零的点。

根据两对亥姆霍兹线圈的磁场分布可知，本实施例提供的磁场幅值零点的位置以及磁场均匀区的体积是由大小两对线圈半径之比和匝数之比共同决定的。因此，本实施例提供的磁场幅值零点的位置以及磁场均匀区的体积可通过改变两对线圈半径和匝数来进行调节，从而实现对不同尺寸样品的交流磁化率测量。

磁场测量机构可采用对磁场梯度不敏感的磁力仪3，如磁通门磁力仪，磁力仪3的敏感元件设置在磁场产生机构产生的磁场幅值零点处，可降低亥姆霍兹线圈在磁力仪3处产生的残余背景磁场。

本实施例提供的磁力仪3用于当样品远离或靠近时，测量其所在位置点处的磁场的幅值和相位。即当样品远离磁力仪3时，即远端测量时，样品在外加磁场作用下产生的感应磁场几乎为0，磁力仪3测得的信号仅为线圈残余背景磁场的幅值和相位；当样品靠近磁力仪3时，即近端测量时，样品位于磁场产生机构产生的磁场均匀区，此时磁力仪3测得的信号为线圈残余背景磁场和样品在外加磁场下产生的感应磁场的叠加场的幅值和相位。

可以理解的是，体积为V的样品在r′点处产生的感应磁场的计算公式为：

式中，r是样品内的某个磁偶极子m(r)的位置坐标矢量，m(r)为r点处的磁矩，r′代表测量点(磁力仪3)的位置坐标矢量。式中积分遍及样品的整个体积V。

以立方体样品为例，磁偶极子近似的判定条件为：样品的几何参量V

为了更好的将样品等效为一个磁偶极子，从而使交流磁矩的不均匀分布引起的磁化率测量误差可以被忽略，一般需满足D/L≥10，其中，L代表样品沿外加磁场方向的尺寸，D代表磁力仪3到亥姆霍兹线圈中心的距离，D与大小两对亥姆霍兹线圈的匝数比有关，当大线圈的匝数比上小线圈的匝数越小时，D越大，反之，则D越小。

因此，本实施例为降低交流磁矩不均匀分布引起的磁化率测量误差，需通过根据样品的尺寸来调节两对亥姆霍兹线圈的匝数之比，从而使磁场幅值零点也即磁力仪放置点距离亥姆霍兹线圈中心点的距离足够远。在大亥姆霍兹线圈的匝数固定不变的前提下，一般地，样品的尺寸越大，小亥姆霍兹线圈需要的匝数越多。具体地，需要磁力仪3到两对亥姆霍兹线圈几何中心点的距离大于10倍样品沿磁场方向的尺寸。

相位参考机构可包括一个离样品足够远的相位参考线圈7和用于测量该线圈产生磁场的磁力仪8，相位参考线圈7与磁场产生机构中的两对亥姆霍兹线圈串联，因此相位参考线圈7产生的磁场与施加给样品的外加磁场具有相同的相位，利用远离样品所在区域从而不受样品产生磁场干扰的磁力仪8对相位参考线圈7产生磁场的相位进行测量，从而能够使磁力仪8测得的参考相位始终保持与外加磁场同相位，进而为磁力仪3提供相位参考信号，进而获得样品产生的相位信息。

本实施例提供的控制机构可采用本领域常用的控制器，用于根据磁力仪8测得的参考相位以及磁力仪3测得的线圈残余背景磁场和叠加场的幅值和相位，计算样品在不同正弦电流频率处的磁化率的相位和模值，最终得到样品在一定频率范围内的磁化率频谱分布。

本实施例提供的大尺寸物体交流磁化率的测量装置，采用两对亥姆霍兹线圈产生一个远离样品的磁场幅值零点，磁场幅值零点的位置能够通过调节线圈的半径和匝数来进行调节，从而能实现对不同尺寸样品的交流磁化率测量；且将磁场测量机构设置在磁场幅值零点处，通过调节线圈的半径和匝数使磁场测量机构到两对亥姆霍兹线圈几何中心的距离远大于样品沿均匀磁场方向的尺寸，能有效降低交流磁矩不均匀分布带来的测量误差。

在一个实施例中，如图1所示，上述提供的两对亥姆霍兹线圈可设置在线圈安装平台10，该线圈安装平台10可优选采用硬度较大的无磁非金属材料制成，如PMMA等，可避免剩磁和涡流等效应影响测量结果。

在一个实施例中，本申请提供的测量装置还可包括位移机构和样品移动机构。其中，位移机构用于精确调节磁力仪3的空间位置，使磁力仪3的敏感单元接近磁场幅值零点，从而使线圈残余背景磁场达到最小值，满足对样品产生的磁场信号进行测量的需求。

样品移动机构用于控制样品远离或靠近磁力仪3，从而得到样品产生的磁场信息，即当样品远离磁力仪3时，样品在外加磁场作用下产生的感应磁场几乎为0，磁力仪3测得的信号为线圈残余背景磁场的幅值和相位；当样品靠近磁力仪3时，此时磁力仪3测得的信号为线圈残余背景磁场和样品在外加磁场下产生的感应磁场的叠加场的幅值和相位。

具体地，位移机构可包括磁力仪安装平台4、磁力仪支架5和位移台6。

在本实施例中，磁力仪安装平台4用于固定磁力仪3，并与磁力仪支架5相连，两者之间尽可能的采用刚性连接，避免磁力仪3的位置发生晃动。磁力仪支架5用于连接位移台6和磁力仪安装平台4，该支架具有合适的高度，从而既能保证位移台6距离磁力仪3足够远，避免位移台6的磁性影响待测磁场，也能够避免由于磁力仪3距离地面太高，使磁力仪3产生比较大的晃动。位移台6用于接收控制机构发送的控制信号调节磁力仪3的位置，位移台6的移动步长越小，能够获得的残余背景磁场越小。

进一步地，本申请提供的测量装置还可包括隔振平台9，线圈安装平台10和位移台6安装在隔振平台10上。隔振平台10用于减小地面振动导致的亥姆霍兹线圈与磁力仪3的相对位置发生变化，由于磁力仪处于梯度场

样品移动机构可包括输送带16、样品台支架12、输送带安装平台15和电机11，样品台支架12安装在地面上，输送带安装平台15固定在样品台支架12上，输送带安装平台15上设有两个轴承14，输送带16套设在两个轴承14上，样品放置在输送带16上，电机11通过传动带13连接轴承14。

本实施例提供的样品移动机构的工作原理为：测量时将样品放置在输送带16上离样品最远的一端，即放置在输送带16的远端，电机11通过传动带13连接轴承14，从而驱动轴承14转动，轴承14的转动带动输送带16的运动，控制机构通过控制电机正转或反转，使样品靠近或远离磁力仪，从而得到样品产生的磁场信息。

优选地，本实施例提供的轴承14可采用无磁轴承，比如塑料轴承或陶瓷轴承，电机11可采用弱磁步进电机，以避免其磁性或导电性产生磁场对待测磁场产生影响。输送带16的长度应该足够长，从而使样品远离磁力仪时几乎不产生磁场信号。传动带13的长度应该足够长，以确保电机11能够远离磁力仪，避免电机产生的磁场耦合到待测磁场中。由于样品在移动过程中会导致输送带安装平台15产生晃动或发生形变，而亥姆霍兹线圈和磁力仪的相对位置变化非常敏感，因此样品台支架12应该单独安装在地面上，不与线圈和线圈安装平台10及隔振平台9产生接触，从而可避免样品移动过程中产生的振动传递到磁力仪处进而产生磁场噪声。

本申请还提供了一种基于上述测量装置的测量方法，该测量方法包括如下步骤：

(1)根据两对亥姆霍兹线圈的半径、间距和匝数等参数计算外加磁场的轴向分布(Z方向)，如图2所示，可以得到Z方向磁场的变化曲线与横坐标存在两个交点，此交点为磁场幅值零点，将磁力仪3放置在该磁场幅值零点处附近，并用夹具使之固定在磁力仪安装平台4上。

(2)向两对亥姆霍兹线圈通入方向相反的方波电流，此时磁力仪3测得的磁场幅值较大，然后将磁力仪3朝线圈轴向方向(Z方向)移动，同时观察磁力仪测得的磁场变化情况，若磁场幅值减小，则继续朝该方向移动磁力仪3，否则，朝相反反向移动磁力仪3，直到测得的磁场幅值降低在设定范围内，使得磁场噪声δB低于磁场测量分辨率需求ΔB，则停止移动磁力仪3，使磁力仪3保持在该位置不再变化。

在步骤(2)中，当测得的磁场幅值降低在设定范围内时，表明测量条件已经具备，可以开始对交流磁化率进行测量。

(3)将相位参考机构中的相位参考线圈7和磁力仪8远离样品放置，并将相位参考线圈7与两对亥姆霍兹线圈串联，用于测量外加磁场的相位。

需要说明的是，本实施例提供的步骤(3)可在步骤(1)之前执行，也可以在步骤(1)或(2)后执行，本实施例不作限制。

(4)将样品放置在输送带16的远端并固定，然后向两对亥姆霍兹线圈通入幅值为I

测量一段时间后，控制器控制电机11将样品移动至输送带16的近端并保持一段时间，此时磁力仪3测得的信号为线圈残余背景磁场B

式中，B

(5)控制器根据磁力仪8测得的参考相位

利用三角函数辅助角公式，可以得到：

需要说明的是，由于相位是一个相对量，不是一个绝对量，必须要跟一个不变的参考相位作差后才能得到相位的大小。因此，上述公式中涉及到的

根据

将B

在磁力仪距离样品足够远的条件下，样品在磁力仪3处产生的磁场B

式中，R代表磁力仪与两对亥姆霍兹线圈几何中心的相对位置矢量；K为只与两者相对位置有关的常数矩阵。根据以上已知的测量量和计算量，样品的交流磁化率的模值为：

式中，H代表施加给样品的外加磁场的大小；V代表样品的体积。至此，样品在频率ω处的模值|χ(ω)|和相位

(6)改变正弦电流的频率，对样品在其他频率处的磁化率的相位和模值进行测量，最终得到样品在一定频率范围内的磁化率频谱分布。

下面结合具体实施例对上述实施例提供的测量方法进行说明：

利用上述提供的测量方法对一块长方体(4cm×4cm×1cm)纯铜样品在1Hz到1500Hz范围内的交流磁化率进行测量。在1500Hz时测得的时域曲线如图3所示，频域曲线如图4所示。交流磁化率的模值谱如图5所示，相位谱如图6所示。测量结果符合本申请提出的交流磁化率的模值随频率增大而不断增大，最终趋于饱和的结论，证明本实施例提供的测量方法的精确性和可靠性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。