一种测量物体磁特性的装置及方法与流程

1.本发明属于精密测量领域，更具体地，涉及一种测量物体磁特性的装置及方法。


背景技术：

2.材料，遍布人们生活的各个角落，这些材料中大部分是具有磁性的，特别的具有磁性的材料在科学研究、精密制造、航空航天等领域具有广泛的应用，但材料的磁性会对仪器设备以及科学研究装置产生干扰，那么对于材料的磁性的精确测量就显得尤为重要。
3.传统的测量物体磁特性的方法，无法同时对物体的磁化率、剩磁等参数进行测量，并且受限于待测样品的大小和形状，所以一种可以同时满足以上条件的测量物体磁特性的装置尤为重要。
4.扭摆是一种较为成熟的技术，对绕其悬丝扭转方向作用力敏感，对非扭转方向作用不敏感并有所抑制，利用扭摆的这一特性，可以将样品所受的磁力转化到扭摆敏感的方向上，这样便可以对磁力进行精确测量，进而得到样品的剩磁和磁化率等磁特性，即可通过扭摆悬挂被测物体的方式测量物体的磁特性。但通过扭摆装置悬挂测量物体磁性的前提是必须将所测物体悬挂，这样就会导致不便于悬挂的被测物体、形状不规则的被测物体以及尺寸较大的被测物体难以测量。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种测量物体磁特性的装置及方法，旨在解决现有常规方法无法高精度测量形状不规则或尺寸较大物体磁特性的问题。
6.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种测量物体磁特性的装置，包括：悬挂机构、载物台、磁场调制结构、载物台极板、传感极板以及测量与控制系统；
7.所述悬挂机构包括悬丝，用于通过悬丝将载物台悬挂，使得载物台在绕悬丝扭转的方向可以自由扭转；
8.所述载物台为镂空框架，其框架内部用于放置待测物体，所述待测物体与载物台底部固定连接；
9.所述磁场调制结构置于载物台周围，以向载物台及载物台内部提供磁场环境；所述磁场环境的磁场分布可控；
10.所述载物台极板与载物台的底部固定连接，所述传感极板在载物台下方，与载物台极板位置相对放置；
11.所述悬丝、载物台以及待测物体共同组成扭摆，所述待测物体在磁场环境中与磁场相互作用产生磁力矩，使得所述扭摆发生扭转；
12.所述测量与控制系统，用于通过测量载物台极板与传感极板之间电容的变化确定所述磁力矩的大小，并根据所述磁场环境的磁场分布情况、所述磁力矩大小确定所述待测物体的磁特性参数，所述磁特性参数包括：剩磁和磁化率。
13.在一个可选的示例中，所述测量与控制系统，用于通过测量载物台极板与传感极
板之间电容的变化确定所述磁力矩的大小，具体包括：
14.在载物台空载的情况下，所述载物台空载指的是载物台内未放置待测物体；所述磁场调制结构对载物台施加所述磁场环境，在此磁场环境中空载载物台会受到磁力矩作用，通过所述测量与控制系统测得空载载物台的磁力矩大小，表示为τ0；本技术中测量与控制系统以电容位移传感和静电控制为例，实际装置中可采用但不限于此种方式。
15.在载物台内放置待测物体时，所述磁场调制结构对载物台再次施加所述磁场环境，所述测量与控制系统测得载物台和待测物体在磁场环境中的合磁力矩，表示为τ
t
；
16.综合两次测量，待测物体在磁场中所受磁力矩τ
m
将由所述测量与控制系统测得的载物台与待测物体整体合磁力矩τ
t
减去空载载物台所受的磁力矩τ0得到，即τ
m
＝τ
t
‑
τ0。
17.在一个可选的示例中，该装置还包括：多个调平螺母；
18.所述多个调平螺母置于载物台上方，与载物台连接；
19.所述扭摆还包括所述多个调平螺母；
20.所述载物台、待测物体以及多个调平螺母构成的整体作为悬丝下方连接的物体，所述多个调平螺母用于调节悬丝下方连接物体的等效质心，使其等效质心置于所述悬丝所在的直线上，以保证扭摆的平稳。
21.在一个可选的示例中，所述载物台采用轻质材料加工，且所述轻质材料需为顺磁性材料。
22.在一个可选的示例中，所述载物台的设计使得待测物体的形状和质量均不受限制。
23.第二方面，本发明提供了一种测量物体磁特性的方法，包括如下步骤：
24.通过悬丝将载物台悬挂，使得载物台在绕悬丝扭转的方向可以自由扭转；所述载物台为镂空框架，其框架内部用于放置待测物体，所述待测物体与载物台底部固定连接；所述载物台底部固定连接有载物台极板，所述载物台下方放置有传感极板，传感极板与载物台极板位置相对放置；
25.向载物台及载物台内部提供磁场环境；所述磁场环境的磁场分布可控；所述悬丝、载物台以及待测物体共同组成扭摆，所述待测物体在磁场环境中与磁场相互作用产生磁力矩，使得所述扭摆发生扭转；
26.通过测量载物台极板与传感极板之间电容的变化确定所述磁力矩的大小，并根据所述磁场环境的磁场分布情况、所述磁力矩大小确定所述待测物体的磁特性参数，所述磁特性参数包括：剩磁和磁化率。
27.在一个可选的示例中，所述通过测量载物台极板与传感极板之间电容的变化确定所述磁力矩的大小，具体包括：
28.在载物台空载的情况下，所述载物台空载指的是载物台内未放置待测物体；对载物台施加所述磁场环境，在此磁场环境中空载载物台会受到磁力矩作用，测得空载载物台的磁力矩大小，表示为τ0；
29.在载物台内放置待测物体时，对载物台再次施加所述磁场环境，测得载物台和待测物体在磁场环境中的合磁力矩，表示为τ
t
；
30.综合两次测量，待测物体在磁场中所受磁力矩τ
m
将由载物台与待测物体整体合磁力矩τ
t
减去空载载物台所受的磁力矩τ0得到，即τ
m
＝τ
t
‑
τ0。
31.在一个可选的示例中，该方法还包括如下步骤：
32.将多个调平螺母置于载物台上方，与载物台连接；所述载物台、待测物体以及多个调平螺母构成的整体作为悬丝下方连接的物体，所述多个调平螺母用于调节悬丝下方连接物体的等效质心，使其等效质心置于所述悬丝所在的直线上，以保证扭摆的平稳。
33.在一个可选的示例中，所述载物台采用轻质材料加工，且所述轻质材料需为顺磁性材料。
34.在一个可选的示例中，所述载物台的设计使得待测物体的形状和质量均不受限制。
35.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
36.本发明提供一种测量物体磁特性的装置及方法，利用高精度扭摆装置和可调制的磁场，通过将一个轻质镂空的载物台悬挂于悬丝的一端，将待测物体置于载物台内部，可以对不便测量的待测物进行磁特性测量，且对于形状不规则的物体，通过调平螺母调节载物台与待测物体的整体质心，使得等效质心置于悬丝所在的直线，保证扭摆平稳。本发明通过镂空载物台和调平螺母实现了对形状不规则、不便直接悬挂以及大质量大体积的样品的磁特性测量。本发明可以实现在同一台装置上对剩磁和磁化率两种磁特性进行测量，免去了测量不同磁特性采用不同仪器的繁琐。同时，本装置载物台的设计，更换样品时，不需要对装置的其他结构进行修改和重新组装，极大地简化了更换样品的步骤。
附图说明
37.图1是本发明实施例提供的载物台结构示意图；
38.图2是本发明实施例提供的磁特性测量装置平面原理图；
39.图3是本发明实施例提供的磁特性测量装置结构原理图；
40.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为载物台、2为待测样品、3为磁场调制线圈、4为悬挂机构、5为调平螺母、6—13为分别处于不同位置的传感极板、14为载物台极板、15为测量与控制系统、16为整个传感极板。
具体实施方式
41.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
42.本发明的目的在于提供一种测量物体磁特性的装置及方法，实现对于不便被悬挂、形状不规则或尺寸较大物体磁特性测量的研究。
43.在一个实施例中，本发明提供的磁特性装置，包括载物台、待测样品、磁场调制线圈、悬挂机构、调平螺母、传感极板、载物台极板、测量与控制系统。载物台采用低磁、轻质材料制作。磁场调制线圈可以施加不同大小不同方向的电流，并且可以调节安放位置。
44.本发明的技术效果体现在：本发明采用高精度扭摆技术，将载物台用低扭转刚度悬丝进行悬挂，以使得载物台在绕悬丝(z轴)扭转的方向可以自由扭转。载物台与悬丝构成了单级扭摆结构，该结构在绕悬丝扭转的方向上是自由状态，极度灵敏，对于外界在该方向
的施加的作用力可以迅速准确的响应。载物台采用镂空框架式设计，其上可以放置较大体积的、非标准形状的待测物体。磁效应是一种体效应，在宏观物体中的表现尤为明显。当磁场调制线圈施加不同方向的电流，并且在待测物体两侧进行对称和非对称的放置时，两线圈中间区域会产生不同的磁场环境，待测物体在磁场调制线圈施加的磁场中，由于自身剩磁和磁化率等磁特性与磁场相互作用，该作用力产生磁力矩，反映在悬丝、载物台和待测物体共同组成的扭摆上，则体现为扭摆受力发生扭转，由于载物台与载物台极板采用一体化、绝缘设计，故而该扭转角度的变化转化为载物台极板与传感极板共同组成的极板对的电容的变化。
45.图1是本发明实施例提供的载物台结构示意图；如图1所示，本发明提供的载物台1采用轻质和顺磁性材料镂空加工制作，轻质和镂空结构为扭摆系统提供了高的灵敏度，顺磁性保证了该载物台可以做到几乎不影响周围的磁场环境。本实例中给出的载物台的结构主要由上下圆环和周围四根支撑杆组成，其中上圆环加装有四根丝杆，丝杆上分别加装有调平螺母，以调节调节悬挂机构4下方连接物体的等效质心，使其等效质心置于悬挂机构4悬丝所在的直线上，以保证扭摆的平稳。其中丝杆的数量要大于2根，每根丝杆上的调节螺母至少为1个，才可以实现调节的目的。
46.且本发明提供的载物台1上放置有调平螺母5，与载物台1连接；扭摆还包括多个调平螺母5；载物台1、待测物体以及多个调平螺母5构成的整体作为悬丝下方连接的物体，多个调平螺母5用于调节悬挂机构4下方连接物体的等效质心，使其等效质心置于悬挂机构4悬丝所在的直线上，以保证扭摆的平稳。
47.更进一步地，传感极板共有8块，x轴方向4块、y轴方向4块。x轴四块极板两两相对设置，构成2对差分电容，y轴同x轴，也构成2对差分电容。
48.更进一步地，载物台极板与其两侧的传感极板分别构成多对平行板电容，多对平行板电容间又构成多对差分电容。
49.电容的变化由后端电容位移传感与反馈系统探测到得到电容值，根据电容与角度的传递函数和角度与作用力的传递函数，可以依次计算出扭转角度值和磁力值。关于物体在一定磁场中所受磁力大小与自身的剩磁、磁化率的关系，可由已有的成熟的公式计算，这里不再赘述。
50.测量与控制系统在测量扭转的同时还可以控制载物台的平动自由度，该平动信号表现为y轴的2对电容极板对电容的变化，反馈系统根据电容变化计算平移量并输出反馈电压，将载物台极板拉回平衡位置。反馈系统可以有效减少其他环境因素引起的扰动。通过以上方式对待测样品的剩磁和磁化率的测量可以分别达到10
‑9am2和10
‑7的水平。
51.更进一步地，电容位移传感与反馈系统中的反馈部分可设计不同类型的控制器实现，诸如pid控制、嵌入式emc控制等。
52.更进一步地，所述整套装置置于真空腔中。
53.图2是本发明实施例提供的磁特性测量装置平面原理图；图3是本发明实施例提供的磁特性测量装置结构原理图；如图2和图3所示，本发明提供的磁特性的装置包括：载物台1、待测样品2、磁场调制线圈3、悬挂机构4、调平螺母5、传感极板6—13、载物台极板14、测量与控制系统15以及整个传感极板16。
54.需要说明的是，本发明实施例以磁场调制结构为磁场调制线圈为例进行举例说
明，本发明具体所采用的产生测量磁场环境的磁场调制结构不限于磁场调制线圈，还可以是其他可以产生磁场环境的部件或者装置，不发明不对具体的磁场调制结构做任何限定。
55.其中为便于解释说明，提供磁场调制线圈移动的位移台未画出。为了便于说明本发明的实施方式，此处放置某一形状待测样品为例说明。但在实际应用中并不局限于这一形状样品。
56.该发明可用于对不同形状的宏观物体的磁特性进行探究，此处以对待测样品的剩磁和磁化率研究为例说明情况。
57.利用悬挂机构4悬挂下端载物台1，二者共同组成了单级扭摆系统，该系统对绕悬丝方向的扭转自由度敏感，配合传感极板16和测量与控制系统15，可以对载物台极板14即载物台1的扭转进行高精度测量。其中，在载物台1上方附有调平螺母5，以调节载物台本身的稳定性。并且载物台1采用轻质和顺磁性材料镂空加工制作，轻质和镂空结构为扭摆系统提供了高的灵敏度，顺磁性保证了该载物台可以做到几乎不影响周围的磁场环境，并保证在磁场调制线圈3进行磁场调制时，在一般精度测量中，该载物台1的影响可以忽略不计。
58.在本实施例中，为保证高精度测量，可以在载物台空载的状态下，进行磁场的调制，所得的数据为该装置的本底数据。当载物台上施加待测物品时，再次进行磁场调制，所得数据为待测样品和载物台共同的对磁场的响应，此时将载物台的本底数据扣除，即可得到待测样品的磁特性数据。
59.载物台1两侧的一对磁场调制线圈3可以对载物台1周围的磁场进行调制，其调制方式主要有对称式和非对称式，并且通过在磁场调制线圈3中施加不同方向的电流可以构建三种磁场配置：轴对称磁场、梯度磁场、中心对称磁场。
60.通过这以上磁场调制方式可以使载物台1上的样品周围产生不同的磁场梯度，因为待测样品本身的剩磁和磁化率，待测样品受到磁场梯度的影响，则会产生不同的磁作用力，具体表现为待测样品受到此作用力发生旋转，具体到载物台1和悬挂机构4构成的单级扭摆系统上，则表现为由悬挂机构4悬挂下端载物台1以及待测样品2组成的扭摆系统发生扭转，该扭转角度量转化为载物台1下端的载物台极板14和电容位移传感极板6
‑
13之间的电容值的变化，该电容变化量经电容位移传感测得，并通过反馈控制0的位置，将电容位移传感极板控制与载物台极板框架14的中心，即差分电容为零的位置，此时静电反馈控制力矩与框架整体所受的磁力矩平衡，即测得磁场中框架整体的磁力矩大小通过已测得的磁力矩大小并结合磁力矩计算公式，即可得到待测样品的剩磁和磁化率，此处的磁力矩计算公式为通用公式，这里不再赘述。
61.本发明实施例中，载物台极板14与极板8构成平行板电容，载物台极板14与极板9构成另一平行板电容，这里两个平行板电容的差值即为差分电容，这个值可以被测量与控制系统15测得，通过差分电容值的大小，可以得到载物台极板14(即载物台1)在传感极板8和9之间的位置。同理，对于极板10和11、极板6和7、极板12和13，同样可以通过差分电容值得到载物台极板的位置。对于扭转角度的测量，极板8和极板9所构成的电容差、极板8和极板9所构成的电容差，两个电容差之差，可以换算得到载物台极板14在6、7、8、9四块极板中的位置，具体则是由于载物台绕悬丝扭转引起的，这样我们就可以得到在载物台的扭转角度值。
62.本发明实施例中，由悬挂机构4悬挂下端载物台1组成的扭摆系统会由于环境扰动
产生水平方向上两个自由度的平动，这种平动的信息对本测量而言是噪声信息，我们要进行抑制。首先是对该平动值进行测量，该平动信息表现为传感极板6
‑
13和载物台极板14之间电容值的变化，该变化量由测量与控制系统15测得，具体为，极板10和极板11所构成的电容差、极板12和极板13所构成的电容差，两个电容差之和，可以换算得到载物台极板14在10、11、12、13四块极板中的位置，具体则是载物台的平动信息，该平动值经过测量与控制系统15捕获并计算得出响应的反馈电压施加到载物台极板14上，通过电压差产生的静电驱动力，将载物台极板14拉回到平衡位置，以达到对载物台1平动的抑制效果。
63.对于该装置，由于其极高的灵敏度，故而需要将其置于高真空系统中，以减少大气气体分子和外界环境温度变化所带来的扰动。
64.本发明实施例中，传感极板和载物台极板的材料可以用玻璃，精细打磨以保证表面的平整度，并进行表面镀金处理以保证其表面良好的导电性。
65.本发明实施例中，悬挂机构的悬丝可以用石英丝或者钨丝。
66.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。