专利名称：一种测量材料电磁性质变化的装置及其方法
技术领域：
本发明属于测量技术领域，特别涉及一种利用电磁感应的基本原理测量材料电磁性质变化的装置及其方法。
背景技术：
当前测量物质的磁化率等磁性性质的主要方法有法拉第方法(Faraday Method)和电磁感应方法(Induction Method)等。
电磁感应方法是利用电磁感应的基本原理，测量磁场在感应线圈中感生的电流或是电压，进而计算出样品的磁化率的大小。振动探针式磁强计(vibrating sample magnetometer，VSM)，交流磁强计(AC Susceptometer)，超导量子干涉仪(SQUID magnetometers)等设备是这种方法的应用实例。以上所提到的几种装置及其使用方法，大多用于实验室中的科学实验工作，仪器精密，成本昂贵，使用中限制很多。申请号为031124739的中国专利公开了一种材料电磁性质变化的测试方法及其装置，采用了电磁感应方法的基本原理，包括以下步骤样品制备，磁路组装，线路连接及调试，测量及数据记录；以及一种基于上述材料电磁性质测试方法的专用装置，由两个采用C形铁芯的差动线圈以及相应的测量仪器组成；此发明成本低廉、使用方便、适用范围广，尤其适用于液态金属电磁性质变化的测量，但仍然存在测量过程中不能判断材料电磁性质变化的单调性的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种使用方便、成本低廉、能够在测量过程中判断材料的电磁性质变化单调性的、适用范围广的材料电磁性质变化的测量装置及其测量方法。
本发明是通过以下方式实现的一种测量材料电磁性质变化的装置包括信号发生器、计算机，初级绕组I，初级绕组II，次级绕组I，次级绕组II，C形铁芯I，C形铁芯II；初级绕组I、次级绕组I、C形铁芯I组成测量线圈，初级绕组II、次级绕组II、C形铁芯II组成基准线圈；绕组绕制时，采用同心式结构，初级绕组在内，缠绕在铁芯上，次级绕组在外，缠绕在初级绕组上，两绕组绕向相同；次级绕组匝数大于初级绕组的匝数；初级绕组I的输出端与初级绕组II的输入端相连，初级绕组I的输入端与初级绕组II的输出端组成信号输入端；其特征是还包括整流滤波装置I、整流滤波装置II、减法器、模数转换装置I、模数转换装置II；次级绕组I输入端与次级绕组II的输入端相连，接到信号地，次级绕组I的输出端与次级绕组II的输出端组成信号输出端；信号发生器的输出端接至线圈的信号输入端，次级绕组I的输出端接到整流滤波装置I输入端，次级绕组II的输出端接到整流滤波装置II的信号输入端，整流滤波装置I的信号输出端和整流滤波装置II的信号输出端接到减法器的信号输入端，减法器的信号输出端接到模数转换装置II的信号输入端，模数转换装置II的信号输出端接到计算机；温度测量装置的信号输出端接到模数转换装置I的信号输入端，模数转换装置II的信号输出端接到计算机。
一种基于上述装置的材料电磁性质变化的测试方法，根据当磁路中的样品在其本身的电磁性质变化时，整个磁路的输出信号发生变化的原理，通过测量基准线圈和测量线圈输出信号的差值，进而得知样品本身电磁特性的变化；包括以下步骤1)样品制备清洗、称量待测样品，在惰性气体的保护下，将待测样品加热至熔化，混合均匀，再冷却至室温；2)磁路组装使用两个都采用C形铁芯，并且材料、绕组匝数、绕组绕向完全相同的线圈，作为测量线圈和基准线圈，其中，测量线圈由初级绕组I、次级绕组I、C形铁芯I组成，基准线圈由初级绕组II、次级绕组II、C形铁芯II组成，将由步骤1)制成的待测样品置于测量线圈的C形铁芯的缺口中，将基准样品置于基准线圈的C形铁芯的缺口中，使磁路完全通过待测样品；3)线路连接及调试接通电源，打开信号发生器，调节信号发生器，产生适当的正弦交流信号输入到信号输入端，开始调试；4)测量及数据记录重新清洗，称量由步骤1)制备的待测样品，准备一个耐高温的容器，如石英玻璃管，测量其形状尺寸，将待测样品盛装在耐高温的容器中，然后使用高频感应炉将待测样品加热至完全熔化，再将熔融的待测样品与容器一起放入测量线圈的C形铁芯的缺口中，容器与铁芯间采用氧化铝保温砖或氧化锆保温砖及云母纸等保温及隔热材料隔热，使用信号发生器发生正弦交流信号，输入由初级绕组I的输入端与初级绕组II的输出端组成的信号输入端，开始测量及记录数据；
其特征是步骤3)线路连接及调试的具体过程包括当基准样品处于基准线圈的C形铁芯的缺口中，由步骤1)制成的待测样品处于测量线圈的C形铁芯的缺口中时，调节整流滤波装置I上面的调零电位器，使计算机采集的信号为零，然后取出待测样品，调节减法器上的放大倍率调节电位器，使计算机采集的信号为正向最大或负向最大处，即最大量程处；取出试样；步骤4)测量及记录数据的过程为当信号从次级绕组I的输出端与次级绕组II的输出端组成的信号输出端输出后，分别经过整流滤波装置I和整流滤波装置II整流滤波，减法器的减法运算和放大处理，模数转换装置的模数转换，再接至计算机存储；同时，使用温度测量装置测量并记录样品温度，处理数据，输出测量信号及温度随时间变化的图表。
本发明由于采用了两套整流滤波装置来处理从线圈的信号输出端输出的测量信号，然后通过减法器求得两路信号的差值后放大处理，从而使本发明能够确定材料电磁性质的变化时的单调性，适用于液态金属电磁性质变化的测量，能够得到液态金属的电磁性质及温度随时间变化的曲线。
图1为本发明的原理结构示意图，图2为本发明绕组的绕制示意图，图3为铝镍的电磁性质和温度随时间状态走势图，图4为铜锡的电磁性质和温度随时间的状态走势图。
图中1信号发生器，2温度测量装置，3模数转换模块I，4计算机，5模数转换模块II，6减法器，7整流滤波装置，8次级绕组I，9铁芯I，10待测样品，11初级绕组I，12初级绕组II，13基准样品，14铁芯II，15次级绕组II，16整流滤波装置II
具体实施例方式下面给出本发明的两个最佳实施例实施例1，使用本装置及相应方法对金属铝的测量过程及结果测量装置◆电路及磁路用以下方式组装初级绕组I[11]的输出端与初级绕组II[12]的输入端相连，初级绕组I[11]的输入端与初级绕组II[12]的输出端组成信号输入端；次级绕组I[8]输入端与次级绕组II[15]的输入端相连，接到信号地，次级绕组I[8]的输出端与次级绕组II[15]的输出端组成信号输出端；AG253信号发生器[1]的输出端接至线圈的信号输入端，次级绕组I[8]的输出端接到整流滤波装置I[7]的信号输入端，次级绕组II[15]的输出端接到整流滤波装置II[16]的信号输入端，整流滤波装置I[7]的信号输出端和整流滤波装置II[16]的信号输出端接到减法器[6]的信号输入端，减法器[6]的信号输出端接到模数转换装置II[5]的信号输入端，模数转换装置II[5]的信号输出端接到计算机[4]；Raynger 3i温度测量装置[2]的信号输出端接到模数转换装置I[3]的信号输入端，模数转换装置II[5]的信号输出端接到计算机[4]；绕组绕制时，初级绕组在内，次级绕组在外，两绕组绕向相同，初级绕组200匝，次级绕组1000匝；铁芯内径70mm，外径100mm，厚度为15mm，缝隙宽度为30mm。
测量步骤◆样品制备清洗、称量金属铝3.95g和金属镍2.86g样品。在氩气的保护下，加热至熔化，混合均匀，再冷却至室温；◆磁路组装将待测铝镍样品置于测量线圈的C形铁芯的缺口中，使磁路完全通过待测铝镍样品，此次试验采用空气作为基准样品，故在基准线圈的C形铁芯的缺口处不放任何物体；◆线路连接及调试接通电源，打开AG253信号发生器，调节AG253信号发生器，产生适当的正弦交流信号输入到信号输入端，由步骤1)制成的待测样品[10]处于测量线圈的C形铁芯的缺口中时，调节整流滤波装置I[7]上面的调零电位器，使计算机采集的信号为零，然后取出待测样品，调节减法器[6]上的放大倍率调节电位器，使计算机[4]采集的信号为正向最大值或负向最大值处，即最大量程处。取出试样。
◆测量及数据记录清洗，称量铝镍样品，测量石英玻璃试管的直径，将其盛装在耐高温的石英玻璃试管中，然后使用高频感应炉将其加热至完全熔化，再将熔融的铝镍样品与容器一起放入测量线圈的C形铁芯的缺口中，试管与铁芯间使用氧化铝保温砖及云母纸隔热，使用AG253信号发生器发生1000Hz的正弦交流信号，输入由初级绕组I[11]的输入端与初级绕组II[12]的输出端组成的信号输入端，当信号从次级绕组I[8]的输出端与次级绕组II[15]的输出端组成的信号输出端输出后，分别经过整流滤波装置I[7]和整流滤波装置II[16]整流滤波，减法器[6]的减法运算和放大处理，模数转换装置[5]的模数转换，再接至计算机[4]存储；同时，使用Raynger3i便携式红外温度测量仪[2]测量并记录铝镍样品温度；数据处理，输出测量信号及温度随时间变化的图表，测试结果如图3所示。
实施例2，使用本装置及相应方法对铜锡合金的测量过程及结果测量装置◆电路及磁路用以下方式组装初级绕组I[11]的输出端与初级绕组II[12]的输入端相连，初级绕组I[11]的输入端与初级绕组II[12]的输出端组成信号输入端；次级绕组I[8]输入端与次级绕组II[15]的输入端相连，接到信号地，次级绕组I[8]的输出端与次级绕组II[15]的输出端组成信号输出端；AG253信号发生器[1]的输出端接至线圈的信号输入端，次级绕组I[8]的输出端接到整流滤波装置I[7]的信号输入端，次级绕组II[15]的输出端接到整流滤波装置II[16]的信号输入端，整流滤波装置I[7]的信号输出端接到减法器[6]的信号输入端，整流滤波装置II[16]的信号输出端接到减法器[6]的信号输入端，减法器[6]的信号输出端接到模数转换装置II[5]的信号输入端，模数转换装置II[5]的信号输出端接到计算机[4]；Raynger 3i温度测量装置[2]的信号输出端接到模数转换装置I[3]的信号输入端，模数转换装置II[5]的信号输出端接到计算机[4]；绕组绕制时，初级绕组在内，次级绕组在外，两绕组绕向相同，初级绕组200匝，次级绕组1000匝；铁芯内径70mm，外径100mm，厚度为15mm，缝隙宽度为30mm。
测量步骤◆样品制备清洗、称量金属铜15.11g和金属锡9.89g样品。在氩气的保护下，加热至熔化，混合均匀，再冷却至室温；◆磁路组装将待测铜锡样品置于测量线圈的C形铁芯的缺口中，使磁路完全通过待测铜锡样品，此次试验采用空气作为基准样品，故在基准线圈的C形铁芯的缺口处不放任何物体；◆线路连接及调试接通电源，打开AG253信号发生器，调节AG253信号发生器，产生适当的正弦交流信号输入到信号输入端，由步骤1)制成的待测样品[10]处于测量线圈的C形铁芯的缺口中时，调节整流滤波装置I[7]上面的调零电位器，使计算机采集的信号为零，然后取出待测样品，调节减法器[6]上的放大倍率调节电位器，使计算机[4]采集的信号为正向最大值或负向最大值处，即最大量程处。取出试样。
◆测量及数据记录清洗，称量铜锡样品，测量石英玻璃试管的直径，将其盛装在耐高温的石英玻璃试管中，然后使用高频感应炉将其加热至完全熔化，再将熔融的铜锡样品与容器一起放入测量线圈的C形铁芯的缺口中，试管与铁芯间使用氧化铝保温砖及云母纸隔热，使用AG253信号发生器发生1000Hz的正弦交流信号，输入由初级绕组I[11]的输入端与初级绕组II[12]的输出端组成的信号输入端，当信号从次级绕组I[8]的输出端与次级绕组II[15]的输出端组成的信号输出端输出后，分别经过整流滤波装置I[7]和整流滤波装置II[16]整流滤波，减法器[6]的减法运算和放大处理，模数转换装置[5]的模数转换，再接至计算机[4]存储；同时，使用Raynger3i便携式红外温度测量仪[2]测量并记录铜锡样品温度；数据处理，输出测量信号及温度随时间变化的图表，测试结果如图4所示。
权利要求
1.一种测量材料电磁性质变化的装置包括信号发生器[1]、计算机[4]，初级绕组I[11]，初级绕组II[12]，次级绕组I[8]，次级绕组II[15]，C形铁芯I[9]，C形铁芯II[14]；初级绕组I[11]、次级绕组I[8]、C形铁芯I[9]组成测量线圈，初级绕组II[12]、次级绕组II[15]、C形铁芯II[14]组成基准线圈；绕组绕制时，采用同心式结构，初级绕组在内，缠绕在铁芯上，次级绕组在外，缠绕在初级绕组上，两绕组绕向相同；次级绕组匝数大于初级绕组的匝数；初级绕组I[11]的输出端与初级绕组II[12]的输入端相连，初级绕组I[11]的输入端与初级绕组II[12]的输出端组成信号输入端；其特征是还包括整流滤波装置I[7]、整流滤波装置II[16]、减法器[6]、模数转换装置I[3]、模数转换装置II[5]；次级绕组I[8]输入端与次级绕组II[15]的输入端相连，接到信号地，次级绕组I[8]的输出端与次级绕组II[15]的输出端组成信号输出端；信号发生器[1]的输出端接至线圈的信号输入端，次级绕组I[8]的输出端接到整流滤波装置I[7]输入端，次级绕组II[15]的输出端接到整流滤波装置II[16]的信号输入端，整流滤波装置I[7]的信号输出端和整流滤波装置II[16]的信号输出端接到减法器[6]的信号输入端，减法器[6]的信号输出端接到模数转换装置II[5]的信号输入端，模数转换装置II[5]的信号输出端接到计算机[4]；温度测量装置的信号输出端接到模数转换装置I[3]的信号输入端，模数转换装置II[5]的信号输出端接到计算机[4]。
2.一种基于权利要求1所述装置的材料电磁性质变化的测试方法，根据当磁路中的样品在其本身的电磁性质变化时，整个磁路的输出信号发生变化的原理，通过测量基准线圈和测量线圈输出信号的差值，进而得知样品本身电磁特性的变化；包括以下步骤1)样品制备清洗、称量待测样品，在惰性气体的保护下，将待测样品加热至熔化，混合均匀，再冷却至室温；2)磁路组装使用两个都采用C形铁芯，并且材料、绕组匝数、绕组绕向完全相同的线圈，作为测量线圈和基准线圈，其中，测量线圈由初级绕组I[11]、次级绕组I[8]、C形铁芯I[9]组成，基准线圈由初级绕组II[12]、次级绕组II[15]、C形铁芯II[14]组成，将由步骤1)制成的待测样品置于测量线圈的C形铁芯的缺口中，将基准样品置于基准线圈的C形铁芯的缺口中，使磁路完全通过待测样品；3)线路连接及调试接通电源，打开信号发生器[1]，调节信号发生器[1]，产生适当的正弦交流信号输入到信号输入端，开始调试；4)测量及数据记录重新清洗，称量由步骤1)制备的待测样品，准备一个耐高温的容器，如石英玻璃管，测量其形状尺寸，将待测样品盛装在耐高温的容器中，然后使用高频感应炉将待测样品加热至完全熔化，再将熔融的待测样品与容器一起放入测量线圈的C形铁芯的缺口中，容器与铁芯间采用氧化铝保温砖或氧化锆保温砖及云母纸等保温及隔热材料隔热，使用信号发生器[1]发生正弦交流信号，输入由初级绕组I[11]的输入端与初级绕组II[12]的输出端组成的信号输入端，开始测量及记录数据；其特征是步骤3)线路连接及调试的具体过程包括当基准样品处于基准线圈的C形铁芯的缺口中，由步骤1)制成的待测样品处于测量线圈的C形铁芯的缺口中时，调节整流滤波装置I[7]上面的调零电位器，使计算机[4]采集的信号为零，然后取出待测样品，调节减法器[6]上的放大倍率调节电位器，使计算机[4]采集的信号为正向最大或负向最大处，即最大量程处；取出试样；步骤4)测量及记录数据的过程为当信号从次级绕组I[8]的输出端与次级绕组II[15]的输出端组成的信号输出端输出后，分别经过整流滤波装置I[7]和整流滤波装置II[16]整流滤波，减法器[6]的减法运算和放大处理，模数转换装置的模数转换，再接至计算机[4]存储；同时，使用温度测量装置测量并记录样品温度，处理数据，输出测量信号及温度随时间变化的图表。
全文摘要
本发明属于测量技术领域，特别涉及一种利用电磁感应的基本原理测量材料电磁性质变化的装置及其方法；其特征是采用了两套整流滤波装置来处理从线圈的信号输出端输出的测量信号，然后使用减法器对处理后的两路信号做减法运算，求得两路信号的差值后再放大处理；信号输入计算机后，再利用软件作具体的分析处理，并输出表示样品电磁性质及温度随时间变化的图表；本发明具有结构简单、成本低廉、使用方便、适用范围广、测量精度高的特点，能够确定材料电磁性质的变化时的单调性，能适用于液态金属电磁性质变化的测量，为研究金属的结构变化，提供了一条新的途径。
文档编号G01R33/12GK1710441SQ20051004340
公开日2005年12月21日 申请日期2005年4月30日 优先权日2005年4月30日
发明者田学雷, 国洪轩, 刘锦波, 陈熙琛, 侯纪新, 郑洪亮, 田卫星 申请人:山东大学