高性能永磁材料磁性測量若干問題探討及測量技術(shù)進(jìn)展.tmp

1、問題的由來近幾年來,我國的永磁材料產(chǎn)業(yè),無論是燒結(jié)磁體還是粘結(jié)磁體都取得了很大的發(fā)展,這主要體現(xiàn)在磁體性能和產(chǎn)量的提高兩個方面。如現(xiàn)在我國許多NdFeB磁體生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)可以生產(chǎn)N48、N48BH、N42SH、N35UH等高牌號的NdFeB燒結(jié)磁體,有的企業(yè)甚至可以生產(chǎn)N53、52M、40UH等世界一流的高牌號產(chǎn)品1,并且整個燒結(jié)NdFeB永磁材料產(chǎn)業(yè)正在向高剩磁Br、高矯頑力HCJ和高磁能積(BHmax指標(biāo)提升商品化材料水平。國際上產(chǎn)業(yè)化的高矯頑力材料的HCJ 已經(jīng)超過2880kA/m(36kOe,甚至達(dá)到3260kA/m(41kOe2,國內(nèi)HCJ達(dá)到1990kA/m(25kOe的產(chǎn)品已經(jīng)非常

2、普遍,高剩磁材料Br可達(dá)1.5T,普遍可以達(dá)到1.4T左右水平;國際上實驗室水平已經(jīng)達(dá)到(B Hm a x=460k J/m3(57.8 MGOe3。Sm-Co系稀土永磁材料的性能雖還遠(yuǎn)低于其理論值,但其性能也在進(jìn)一步提升之中。國產(chǎn)永磁鐵氧體廠家已經(jīng)可以生產(chǎn)FB5系和FB6系產(chǎn)品,實驗室已達(dá)FB9系水平。如果軟磁相是Fe,納米晶交換彈性耦合磁體的理論磁能積高達(dá)1000kJ/m3 (126MGOe4,據(jù)此估算,其剩磁Br可達(dá)到2.24T左右。各向同性和各向異性粘結(jié)磁體的性能和產(chǎn)量也在不斷提高,新材料和特殊用途永磁材料不斷涌現(xiàn),這些都為永磁測量提出了新的課題。研制或確定新的磁性材料牌號,都要以材料

3、的各種磁性能指標(biāo)為依據(jù),這就使得磁性測量在磁性材料的發(fā)展中起著十分重要的作用。如何能夠盡可能準(zhǔn)確地測量出材料的各種磁性參數(shù),也就成為一個重要的環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在普遍采用的一些永磁測量方法及由此而建立起來的一些永磁測量儀器,都是基于傳統(tǒng)永磁材料,特別是低矯頑力材料發(fā)展起來的。隨著永磁材料性能的提高及品種增多,這些傳統(tǒng)測量方法的弱點也就顯示了出來,并不可避免地出現(xiàn)了一些新問題,由此也出現(xiàn)了一些新的測量方法。只有對這些問題進(jìn)行深入研究和分析,才能對所測得的各種性能值有更深入的理解,這對新材料的研究無疑是非常有益的。本文擬在這方面做一些初步的探討,以期引起材料研究人員和生產(chǎn)企業(yè)的注意,也為相關(guān)的永磁測試人員提

4、供一定的參考。隨著高性能永磁材料(如粘結(jié)磁體及納米晶交換耦合磁體等新材料的出現(xiàn),用傳統(tǒng)的基于對低矯頑力材料研究而發(fā)展起來的永磁測量方法來測量這些材料時出現(xiàn)了許多新的問題,如取樣、均勻磁化、飽和磁化及磁場的測量方式等。對這些問題的研究和再認(rèn)識,對新材料的研究和發(fā)展具有重要意義。本文就一些問題進(jìn)行了定性分析,提出了解決這些問題的方法和途徑,并對新出現(xiàn)的一些測量技術(shù)進(jìn)行了分析。高性能永磁材料磁性測量若干問題探討及測量技術(shù)進(jìn)展中國計量學(xué)院理學(xué)院應(yīng)用物理系劉亞丕物質(zhì)的磁性和物體的磁性我們都知道,磁性有物體磁性和物質(zhì)磁性之分。所謂物質(zhì)磁性,是指與物體的形狀、尺寸等無關(guān)而只與物質(zhì)的成份和微觀結(jié)構(gòu)等有關(guān)的磁性

5、,是物質(zhì)的內(nèi)稟屬性,也就是通常所說的材料磁性。而物體磁性,是指材料磁性受物體形狀、尺寸等影響而表現(xiàn)出來的磁性。例如,開路樣品的磁性就與其形狀、尺寸等密切相關(guān),這種與樣品形狀、尺寸等有關(guān)的磁性就是物體磁性。在材料研究中,我們一般感興趣的都是物質(zhì)磁性,而在使用過程中,我們一般關(guān)心的則又是物體磁性。如在磁路設(shè)計中,永磁體形狀的設(shè)計原則是盡量使其工作點在物體的最大磁能積點附近等,就是建立在對材料磁性和物體磁性的分析基礎(chǔ)上的,這樣設(shè)計出的磁體就能把物質(zhì)磁性最充分地發(fā)揮出來。造成物體磁性和物質(zhì)磁性差異的主要原因是退磁場的存在。在同一磁化場下,物體的磁化強(qiáng)度要小于物質(zhì)的磁化強(qiáng)度,其原因主要也是由于退磁場的影

6、響。這也是磁性測量不同于一般機(jī)械測量或電測量的特殊之處,因此,樣品的選擇在磁性測量中具有非常重要的意義,即測出的樣品磁性(物體磁性能否反映或代表物質(zhì)磁性就成為取樣的關(guān)鍵。在磁性材料發(fā)展初期,由于材料性能,特別是矯頑力不是很高,一般實驗室的磁場都能把樣品磁化到飽和,并測量出材料完整的磁滯回線,所以人們關(guān)心的大都是物質(zhì)的磁性,并以此為基礎(chǔ)來計算物體的磁性,對磁路設(shè)計人員這當(dāng)然是非常有利的。當(dāng)時人們做了大量的研究工作,以選擇合適的樣品形狀和大小,如長徑比L/D、最大飽和磁化場等,盡量使樣品磁性與物質(zhì)磁性相接近,即使所測磁性能與樣品形狀等無關(guān),并由此認(rèn)為,測量出的樣品磁性就是物質(zhì)磁性,這也是我們制訂測

7、試標(biāo)準(zhǔn)和測試儀器標(biāo)準(zhǔn)的一般原則。如果樣品具有代表性,就可以此來測出物質(zhì)的磁性。隨著永磁材料的發(fā)展,材料的矯頑力越來越高,測量所需的磁化場相應(yīng)地不斷提高,特別是飽和充磁所需的磁場,一般的磁化裝置很難滿足要求。要測量出物體的磁性能,特別是矯頑力,受電磁鐵磁場的限制,樣品長度就不可能很長。對稀土永磁材料,若以產(chǎn)品為樣品進(jìn)行測量,如果取樣不當(dāng),或者試樣尺寸、形狀不同,所測得的物體磁性能就與測量標(biāo)準(zhǔn)樣品得到的物質(zhì)磁性相差甚大,從而不具有代表性。材料性能越高,這種差異就越明顯,代表性也就更弱。對粘結(jié)磁體尤其如此。粘結(jié)磁體有各向同性和各向異性之分,產(chǎn)品形狀及充磁方式多種多樣,同是環(huán)形樣品,充磁方式也有很多種

8、。如,多極磁環(huán)的磁性與取一個標(biāo)準(zhǔn)樣品的磁性之間的差異是非常明顯的:首先,制備磁環(huán)和標(biāo)準(zhǔn)樣品二者的工藝條件不完全相同,再則二者的磁化狀態(tài)也不完全相同,使用狀態(tài)更是差別很大,更何況多極磁環(huán)本身由于極數(shù)不同,有6極、12極等,使其磁化狀態(tài)也不盡相同。如果用傳統(tǒng)的永磁測試儀器,可能根本就無法測量出非軸向取向的多極磁環(huán)的磁性能,但它的磁性是真實存在的,就充分說明了二者之間的差別。由此不難看出,要測量物體磁性還是物質(zhì)磁性,就成為一個很重要的問題?，F(xiàn)在有的設(shè)計圖紙中要求的性能一般就是產(chǎn)品性能,也就是物體磁性能,就可以說明這一點。這就要求我們在供貨時要清楚對方認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)樣品大小以得到物質(zhì)磁性或者直接以產(chǎn)品為樣

9、品進(jìn)行測試來得到物體磁性。樣品通常由于測量只能抽樣進(jìn)行,測量出的只能是樣品的磁性。樣品要具有代表性,就應(yīng)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)抽取樣品,關(guān)于抽樣原則在標(biāo)準(zhǔn)GB/T2828中已有嚴(yán)格規(guī)定。抽取的樣品要加工成符合要求的標(biāo)準(zhǔn)樣品,才能進(jìn)行測試。只有閉合環(huán)形樣品測得的物體磁特性曲線才與物質(zhì)磁特性曲線是作者簡介:劉亞丕(1967-,甘肅天水人,1988年畢業(yè)于蘭州大學(xué)物理系磁學(xué)專業(yè),獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位;2000年獲蘭州大學(xué)物理系凝聚態(tài)物理學(xué)專業(yè)磁性薄膜與超晶格,核磁共振方向理學(xué)博士學(xué)位,為浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程博士后科研流動站與橫店集團(tuán)東磁有限公司國家級博士后科研工作站2002年出站博士后,目前在中國計量學(xué)院從事科研與

10、教學(xué)工作。一致的。對開路樣品,如果要測量材料磁性,相應(yīng)地對取樣就提出了要求,以保證測出的樣品磁特性能充分反映材料磁性。以前,設(shè)計人員一般都希望測量出物質(zhì)磁性,并以此作為設(shè)計依據(jù)。但在很多情況下,考慮到測量精度、磁化裝置的磁化能力及物質(zhì)磁性和物體磁性的差異,要獲得物質(zhì)磁性,就必須對試樣的幾何形狀、尺寸、加工工藝和樣品內(nèi)部磁性能的均勻性及取樣方法(如在所抽取樣品中的取樣部位、取樣方向等等做出具體規(guī)定。為保證樣品在磁場均勻區(qū)內(nèi),試樣的尺寸與電磁鐵極頭的大小之間還須滿足一定的關(guān)系,這些在現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3217及IEC404-5中都有詳細(xì)規(guī)定,但這些規(guī)定在試樣的剩磁和矯頑力等都不大的情況下是適用的

11、,這時極頭還遠(yuǎn)未飽和。因為隨著極頭的飽和,其磁導(dǎo)率會急劇下降,由此使磁場均勻區(qū)大為縮小,相應(yīng)地樣品大小也要做相應(yīng)調(diào)整。由于對高性能材料樣品的長徑比與其性能之間的關(guān)系,也就是在L/D為多大時樣品性能就能代表物質(zhì)磁性能等還缺乏系統(tǒng)研究,為了避免這方面的問題,在材料標(biāo)準(zhǔn)中,一般都約定一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)樣品,以方便相互比較。但應(yīng)保證所取的標(biāo)準(zhǔn)樣品具有充分的代表性。稀土永磁材料的出現(xiàn)為器件的小型化、微型化提供了條件,即稀土磁體大都具有很小的長徑比,退磁場非常大。隨著材料性能的進(jìn)一步提高,所使用材料的體積將進(jìn)一步縮小。如果直接測量產(chǎn)品(器件的磁性,由于產(chǎn)品的長徑比很小,退磁場很大,這就給其性能的測量帶來了許多

12、問題,如樣品長度L小,探測線圈的體積就不可能太大等。關(guān)于這方面已有文章進(jìn)行過專門討論5,在此不再贅述。另外,永磁材料還有各向同性與各向異性之分,在取樣時應(yīng)注意,這在下面還要討論。粘結(jié)永磁樣品也有其特殊性,也應(yīng)加以注意。大塊稀土永磁樣品的測試,除要求電磁鐵要有更大的極頭、勵磁電源的功率更高、磁通計的量值更寬、充磁設(shè)備的容量更大等之外,也會出現(xiàn)許多問題。如,在磁場均勻區(qū)不是很大的情況下,僅探測器(如霍爾片等的放置位置就會嚴(yán)重影響測量結(jié)果6。材料的均勻磁化問題對開路樣品的測量,主要問題是如何排除樣品形狀、尺寸等對均勻磁化的影響及其對測量結(jié)果的影響。材料的均勻磁化問題包括測量前飽和充磁時磁化的均勻性和

13、測量中磁化場的均勻性(即磁場均勻性兩個方面。除橢球外,在大小為的均勻外磁場中,由于退磁場的作用,場,下,其中是樣品的磁化強(qiáng)是退磁因子。N一般不是常數(shù),而可見,開路樣品受退磁場影響,即使在均勻磁場中其磁化也是不均勻的,因材料各處退磁場的大小是不一樣的。因為退磁場的不均勻,必然影響到樣品磁化的均勻性,這就必然會影響到測量結(jié)果。所以要測量物質(zhì)的磁特性曲線,樣品必須做成環(huán)形的,以避免退磁場的影響,并使樣品均勻磁化。因此,對開路樣品,所測得的樣品磁特性曲線與物質(zhì)磁特性曲線有很大差別,且隨樣品形狀和材料不同其差別也不一樣。此時測量出的B-H或M-H關(guān)系實際是物體(樣品的磁特性曲線,而測出的B-Hi或M-H

14、i關(guān)系才是物質(zhì)的磁特性曲線,因為物質(zhì)內(nèi)的實際磁化場是內(nèi)場Hi。退磁場大小與樣品的形狀和尺寸等有關(guān)。由于樣品的退磁場主要決定于樣品的幾何形狀和尺寸,是樣品各點位置的函數(shù),所以有退磁場存在時,大多數(shù)情況下不能保證樣品絕對均勻磁化。理論證明,只有橢球體樣品才能滿足均勻磁化的要求。在測量中,大多數(shù)情況下是設(shè)法使樣品部Hidi0=+Hd=M分磁化均勻,測量出均勻磁化部分的磁參數(shù)B、M、H來代替材料的真正磁性。為此,必須正確選取樣品的形狀和尺寸。這一選取要考慮三個因素:使其磁化均勻,使測量有足夠的靈敏度,還要減小渦流的影響。為盡量減小退磁場的影響,在給定誤差的情況下,磁導(dǎo)率越高的材料,要求其退磁因子要越小

15、,即要求其長徑比L/D要更大;對于磁導(dǎo)率低的材料,退磁因子可以大些,即長徑比L/D也可小些7。由于退磁場不能簡單地直接用公式計算出來,所以,應(yīng)采用合適的磁化裝置,盡量能測量出樣品的內(nèi)場、并盡量減小B線圈的尺寸,這樣,用磁場線圈測量內(nèi)場Hi,開路樣品的物質(zhì)磁性就可由均勻磁化部分的B或M對內(nèi)場Hi的曲線來描述,以減小樣品的形狀、尺寸對非均勻磁化的影響及其對測量結(jié)果的影響。由于電磁鐵是非閉合磁路,在測量中必須注意樣品與極面接觸處氣隙的影響和磁極尺寸的影響。對大尺寸樣品(如2inch,磁極尺寸會直接影響到極間磁化場的分布。這主要表現(xiàn)在,這主要表現(xiàn)在,磁化場不是很強(qiáng)時,電磁鐵兩個極頭間中部的場強(qiáng)沿垂直于

16、極軸軸線的橫向距離的增大而減弱的比率要比電磁鐵磁極附近的減弱率大。當(dāng)磁化場增強(qiáng)時,電磁鐵兩個極頭間中部的場強(qiáng)增強(qiáng),但仍隨橫向距離增加而減弱,而在電磁鐵磁極中心至電磁鐵磁極邊緣附近,磁場則隨橫向距離的增大而增強(qiáng)8。測量低Hc材料時,在電磁鐵中就可把樣品磁化到飽和,此時可認(rèn)為樣品無退磁場,所以對測量結(jié)果影響不大。但對高Hc樣品,一方面,其磁化是在脈沖場或超導(dǎo)螺線管中進(jìn)行,此時不但退磁場Hd不均勻,而且脈沖場或超導(dǎo)螺線管中磁場的均勻性也是一個問題,況且也很難避免樣品在磁化過程中不發(fā)生位移,就使得其磁化的均勻性得不到保證。另一方面,隨材料Br和Hc增大,測試時極頭局部飽和的現(xiàn)象更容易出現(xiàn),磁化場的均勻

17、性也很難得到保證,加之退磁場不可忽略,其內(nèi)場將更加不均勻。這兩個現(xiàn)象都會嚴(yán)重影響到測量的準(zhǔn)確性。材料的飽和充磁問題表征永磁材料磁性的B r、H c及(BHmax等參量的大小一般都是指先把材料磁化到飽和,再減小磁場所得到的極限磁滯回線上所測得的值,因此,它們的測量值與磁化場的大小是有密切關(guān)系的。只有把材料磁化到飽和后再進(jìn)行測試所得到的參量值才是最大值,才能標(biāo)志材料的性能。實驗證明,對硬磁材料,當(dāng)HHm時,其Br和Hc等值就不隨磁化場的增大而變化,其中Hm為最低飽和磁化場,其大小對不同材料是不同的。所以,不同材料的Hm 在GB/T3217中也做了規(guī)定。IEC404-5及GB/T3217中規(guī)定“當(dāng)磁

18、化場強(qiáng)度由某一值增加50%時,試樣的Br和HCB(或HCJ增加均不超過1%,該磁場值就被認(rèn)為是這種永磁材料的最低飽和磁化場強(qiáng)度值”。一般認(rèn)為,在閉路磁化狀況下,對永磁材料,選取Hm(410HCJ為宜。其中對Hc20kA/m的高矯頑力永磁材料,Hm一般選取為約(45HCJ。對開路磁化的情況,由于退磁場的影響,其Hm要選得更大7。由于高矯頑力材料飽和磁化所需的磁場在電磁鐵中很難達(dá)到,所以一般都是先脈沖充磁,再進(jìn)行測量。按照IEC404-5及GB/T3217中的規(guī)定,永磁材料的最低飽和磁場為被測樣品HCJ的35倍,但由于退磁效應(yīng)、渦流效應(yīng)、磁后滯效應(yīng)等的影響,要使脈沖場和直流場的磁化作用等效,要求脈

19、沖場有更高的峰值,僅用峰值是矯頑力的3 5倍來估計充磁磁場顯然是不夠的。在GB/T3217中對內(nèi)稟矯頑力大于600kA/m 的稀土永磁材料,規(guī)定其初始飽和磁化場 為11.5HCJ,但標(biāo)準(zhǔn)中也同時說明,要考核其重復(fù)性,則需更高的磁化場:“測量前,用脈沖磁化器或超導(dǎo)螺線管磁化試樣,最大磁化場至少應(yīng)為該材料內(nèi)稟矯頑力HCJ的35倍”。這就對高矯頑力材料的飽和磁化場提出了更高的要求,對HCJ達(dá)到2400kA/m(30kOe的材料,一般其飽和場至少要8000kA/m(100kOe,這在一般的脈沖裝置中也很難達(dá)到,也是一般企業(yè)所難以達(dá)到的,所以對這種材料的準(zhǔn)確測量就存在很大的問題。這樣,對同一樣品,由充磁

20、磁場差異帶來的影響也就成為一個很大的問題。為此,在有的材料標(biāo)準(zhǔn)中,一般都規(guī)定一個最低飽和磁化場,以方便比較。在永磁測量中一般都使用圓柱形和條形樣品。這不僅是因為其易于加工,還因為各向異性永磁材料的磁性能與晶粒取向密切相關(guān),采用條形樣品可以測出磁的各向異性。高性能稀土永磁材料都是各向異性的,在制造過程中加磁場成型,就決定了其磁化的方向。粘結(jié)永磁也有各向同性和各向異性之分。對各向異性樣品,充磁方向(測量方向一定要與其取向一致。前面已經(jīng)提到,對于這類圓柱形和條形樣品,即使是在均勻的外磁化場中,其磁化也是不均勻的。其退磁因子不僅與樣品的尺寸、磁化強(qiáng)度的大小等有關(guān),還與磁化歷史有關(guān),這就使得飽和磁化更加

21、困難。為此,樣品制備好之后,一般要求在進(jìn)行磁性測量或充磁前必須將樣品充分退磁,而一般的退磁方法很難滿足完全退磁的要求,加熱退磁又存在氧化和性能改變的風(fēng)險。我們都知道,對低Hc材料,為使其磁狀態(tài)穩(wěn)定及避免磁滯的影響,樣品都需在飽和場中進(jìn)行磁鍛煉。磁鍛煉是使樣品在給定的磁場下達(dá)到穩(wěn)定磁化狀態(tài)的一種方法,做法是在磁化電流下?lián)Q向(即反復(fù)磁化若干次。對高矯頑力材料,根本無法進(jìn)行磁鍛煉,這就使得其磁狀態(tài)很難達(dá)到穩(wěn)定,即很難避免磁滯的影響。所以,脈沖磁化場必須要有足夠的脈沖寬度,否則很難磁化到飽和,或者飽和磁化的效果很難得到保證5。靜態(tài)測試與動態(tài)測試磁性材料的磁性能分為動態(tài)磁性能和靜態(tài)磁性能兩個方面。靜態(tài)磁

22、特性是指磁性材料在直流磁場磁化下的磁特性,即磁性材料在直流磁場磁化下得到的基本磁化曲線、磁滯回線及由它們所定義的各種磁參數(shù)。磁性材料一般都具有磁滯現(xiàn)象,即材料磁化的變化慢于外磁場變化,這就使得動態(tài)磁特性和靜態(tài)磁特性間有很大的不同,從而測量速度的影響也就變得不容忽視。永磁材料的磁性能一般都是指靜態(tài)磁性能,所以永磁測量一般都是在靜態(tài)下測得的,這樣就可以盡可能地消除磁滯的影響。在自動測試中,一般要求進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)測試,也就是說測量速度不能快,以實現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)測試的要求。為進(jìn)行準(zhǔn)確測量,自動測試時必須對測量速度進(jìn)行控制,特別是在Br 點和HCJ點,應(yīng)盡可能在準(zhǔn)靜態(tài)條件下進(jìn)行測試,以保證足夠的精度和重復(fù)性。在高

23、Br和高HCJ材料的測試中,如果測量速度過快,一方面,由于磁滯,會使測試結(jié)果不真實;另一方面,對高Br材料及在極高的磁場中,材料的磁通密度非常高,根據(jù)電磁感應(yīng)定律,極易引起大的渦流,必定還會伴隨樣品和磁化裝置的渦流自感和磁后效等動態(tài)效應(yīng)的影響,樣品的磁狀態(tài)也難以達(dá)到穩(wěn)定,從而嚴(yán)重影響測量結(jié)果,這種影響在Br和HCJ點上更為突出。另外,對高HCJ 材料,所需磁化電流很大,將使得測試電源長時間工作在大電流下,測量速度越慢,就要求其耐大電流的能力要越強(qiáng),對其耐大電流的能力是一個嚴(yán)峻的考驗?？梢?要獲得高的HCJ和Br準(zhǔn)確度,測量速度就一定要慢,以克服磁滯及渦流對測量結(jié)果的影響,否則就會得到一個虛假的

24、HCJ和Br值。極頭飽和帶來的影響永磁樣品一般都是放在電磁鐵中進(jìn)行產(chǎn) 經(jīng) 測量的，主要原因在于這樣能構(gòu)成閉合 磁路， 以消除退磁場的影響。 電磁鐵與樣 品構(gòu)成閉合磁路的原理在于存在鏡像效 應(yīng) ： 此時樣品的等效長度會變?yōu)闊o限 長，因此其退磁因子會減小至零。 此時電 磁鐵的幾何形狀和使用材料的磁導(dǎo)率值是 最重要的因素。 電磁鐵與樣品構(gòu)成閉合磁 路， 必須同時滿足兩個條件：、 電磁鐵極 用霍爾探頭測量磁場（包 括溫度系數(shù)）帶來的影響 磁場的測量主要有基于電磁感應(yīng)原理的 感應(yīng)法 （包括沖擊法、 磁通計法、 電子積分 器等） 和基于電磁效應(yīng)的方法 （如霍爾效應(yīng) 法、 磁電阻效應(yīng)法， 磁共振法等方法）在

25、自 。 頭和磁軛應(yīng)具有較高的磁導(dǎo)率 、 ； 樣品端 動測試儀器中， 一般都是使用霍爾效應(yīng)法， 面與極頭端面應(yīng)緊密接觸 （要求極頭和樣 即用霍爾磁強(qiáng)計來測量磁場。 用霍爾效應(yīng)測 品端面都必須具有較高的光潔度， 且為鏡 量磁場時， 以下一些因素是不能忽視的。 面） 極頭端面面積遠(yuǎn)大于樣品的截面積。 ， 霍爾元件和其他半導(dǎo)體元件一樣，對 這也就要求極頭不能飽和，為磁等位面。 和 中都說明： “工作時，極頭中的磁通密度應(yīng) 比其飽和磁通密度低得多， 以保 證極面近似于磁等位面。實用 上， 對于電工純鐵極頭的磁通密 度應(yīng)小于 ，對于含鈷 的鐵鈷極頭的磁通密度應(yīng)小 于” 而磁體及納米 。 交換耦合磁體的剩磁

26、均比較高， 都超過標(biāo)準(zhǔn)小于的要求。 此 時，極頭將不再是磁等位面。 極頭飽和對高 材料和大塊樣品的 測量將帶來較大的影響， 因為在測量高 和高 的永磁材料時，極頭更易出現(xiàn)飽 和或局部飽和現(xiàn)象。當(dāng)極頭飽和時， 其磁 導(dǎo)率降低， 極頭內(nèi)鏡像的磁極化強(qiáng)度值將 大大減弱，也就是鏡像效應(yīng)將減弱， 這使 得退磁場的影響變得更不可忽略。另外， 也會影響到磁場測量的真實性， 這一點在 下面還要論述。 這些都會影響到測量的準(zhǔn) 確性。 在這種情況下， 樣品的長徑比對測量 結(jié)果將產(chǎn)生很大的影響。因為， 在一定的 長徑比下，樣品與極頭間的鏡像效應(yīng)越 強(qiáng)，退磁場的影響將越小。 這也是研究長 徑比對測量結(jié)果影響的原因，

27、也是標(biāo)準(zhǔn)中 規(guī)定樣品大小及長度的原因之一。 如果樣 品的長徑比、尺寸不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， 就只 能以產(chǎn)品為樣品來進(jìn)行測量了， 這樣不同 儀器的測量結(jié)果間的可比性會更強(qiáng)些。 溫度變化特別敏感，它的性能參數(shù)，如 霍爾電壓、輸入電阻、輸出電阻、霍爾 靈敏度等都隨溫度變化而變化，即霍爾元 件的性能都會隨溫度的變化而變化。雖然 可以采取一定的補(bǔ)償措施，但由于這種變 化的非線性，很難進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償，從而 使測量結(jié)果不真實。 由霍爾效應(yīng)引起的測量誤差主要來自 以下四個方面： 、霍爾系數(shù)隨溫度而改 變，使得在測量時引入誤差，特別是在室 溫變化時和在測量樣品的溫度系數(shù)時會引 入誤差；、 磁電阻效應(yīng)引起的誤差：霍爾 元

28、件的電阻會隨著磁場變化，因此，當(dāng)供 電電壓一定時， 供電電流會隨磁場而改變， 這種改變是非線性的，這一影響在被測磁 場較強(qiáng)時尤為顯著；在一定溫度下，當(dāng)霍 爾元件的控制電流恒定時， 隨磁場增加， 霍 爾元件的輸出電壓不呈線性增加，尤其在 強(qiáng)磁場情況下更為明顯；、 霍爾系數(shù)也隨 磁場而變；、 不等位電動勢的誤差， 這種 電勢還受溫度影響。這些誤差都是霍爾元 件所固有的，所以是很難避免的。 另外，在測量高 或高 材料時， 樣品所處的極頭區(qū)域極可能會飽和，因 此，磁體內(nèi)的磁場比樣品旁邊氣隙中的磁 場要小。此時用霍爾探頭測得的磁場將不 再是樣品的內(nèi)場，從而會引入測量誤差。 溫度系數(shù)（）和（ ）是稀土永

29、磁材料十分重要的參數(shù)， 特別是對永 磁，但對其測量方法，國家標(biāo)準(zhǔn)中未給予 詳細(xì)規(guī)定。在測量溫度系數(shù)時，若用霍爾 年第 期 產(chǎn) 經(jīng) 磁強(qiáng)計來測量磁場，由于霍爾效應(yīng)本身 與溫度有關(guān)，在高溫下也就不適宜于測 量磁場，也不適宜用它來測量溫度系數(shù) 較大的材料的磁性能。 可見，當(dāng)用霍爾磁強(qiáng)計來測量強(qiáng)磁 場時，由霍爾效應(yīng)引入的非線性誤差將 非常顯著，且不可能進(jìn)行補(bǔ)償，此時， 已經(jīng)不適宜用來測量磁場強(qiáng)度，對高性 能材料尤其如此?，F(xiàn)在有些測量儀器用 線圈來測量磁場，就不存在上述問題。 個面的磁性，并取其平均值就是基于這 方面的考慮。粘結(jié)磁體及納米復(fù)相永磁 等的測量也有其特殊性，這主要表現(xiàn)在： 粘結(jié)磁體一方面磁體

30、形狀復(fù)雜， 充磁方式 復(fù)雜，又有同性和異性之分，測量時一般 都需專門取樣， 而納米復(fù)相永磁一般也都 是做成粘結(jié)磁體使用， 所以在測量時都應(yīng) 加以注意。 對稀土永磁，開始測量時正向磁化場 如果不夠大，也會帶來影響：由于稀土永 磁一般是先充磁， 再放到電磁鐵中進(jìn)行測 量， 此時其磁狀態(tài)應(yīng)該在退磁曲線上某一 點。測量一開始，還須加正向磁化場，以 使樣品真正回到剩磁點。 材料矯頑力不同， 所需的正向磁化場的強(qiáng)度也會有差異。 每 次測量完成后， 極頭都會存在一定的剩磁， 有時也會影響到測量結(jié)果。 樣品放置不當(dāng)， 在極頭與樣品間還會產(chǎn)生應(yīng)力， 從而影響 測量結(jié)果。關(guān)于這些，已有文章進(jìn)行專門 討論 ，在此不

31、再贅述。另外，在平時 還應(yīng)注意不要損壞極頭， 保持極頭的光潔 度和平整度、平行度，并注意清除極頭上 吸附的異物。 測試儀器的其它 因素帶來的影響 還有一個方面的問題，也應(yīng)引起足 夠的重視。 現(xiàn)在國內(nèi)使用的絕大多數(shù)永磁 自動測試儀器， 都須借助標(biāo)準(zhǔn)樣品來校準(zhǔn)。 從嚴(yán)格意義上講， 這種測量方法屬于相對 測量，而不是絕對測量， 當(dāng)然標(biāo)準(zhǔn)樣品也 是傳遞標(biāo)準(zhǔn)的一種方法。 但現(xiàn)在所使用的 標(biāo)準(zhǔn)樣品都是性能不高的鋁鎳鈷或鐵氧體 磁體，其 都很低，根本不能完成全量 程的標(biāo)準(zhǔn)傳遞， 即對高性能材料的測試， 這 種相對測量方法存在很大的局限性。 除以上這些因素之外， 影響永磁測量 的因素還有很多。 例如， 在滿足

32、 及 中對極頭尺寸、 磁場均勻 區(qū)范圍及樣品尺寸等規(guī)定的條件下， 且在 極頭沒有飽和時， 磁場的均勻性才可以得 到保證；但當(dāng)極頭飽和時， 在極間距不變 的情況下，磁場均勻區(qū)的半徑會明顯減 少。 測量大塊樣品時， 尤其要注意這一點。 測試樣品形狀對測量結(jié)果也會產(chǎn)生很 大的影響。對同一材料，不同長徑比 的樣品， 測量出來的性能可能會有很大差 別，對高 材料及高 材料，由于樣 品形狀復(fù)雜 （不只是矩形或圓形）這種差 ， 別可能會更加明顯。 對 鐵 氧 體 永 磁 ，受 制 造 工 藝 的 影 響，即使對同一樣品，正反兩面的性能 也會有差別，性能越高，差異可能會越 明顯，所以鐵氧體永磁的測量也有其特

33、殊性?，F(xiàn)在有的測量方法規(guī)定要測量兩 新的測量技術(shù)及儀器 基于上面這些原因，國內(nèi)外一直在研 究新的測量技術(shù)。 這種技術(shù)主要體現(xiàn)在兩 個方面：一種是對傳統(tǒng)的測量方法進(jìn)行改 進(jìn)，以使其能適應(yīng)新材料發(fā)展的需要。人 們現(xiàn)在所面臨的最大問題是高矯頑力材料 的測試問題， 現(xiàn)在的普通電磁鐵一般都不 足以測量出超高矯頑力材料的性能， 所以 提高電磁鐵的測量磁場就成為各個生產(chǎn)測 量儀器廠家的主要任務(wù)之一。 這就需要加 大電磁鐵的體積，增大勵磁電源的功率， 相應(yīng)的儀器價格也就很高。 但這樣做也會 帶來很多負(fù)面影響，正如前面所提到的， 除極頭飽和等一系列問題外， 電磁鐵的功 率越大，一方面其線圈的發(fā)熱也越明顯， 所能

34、提供的最大磁場值會隨電磁鐵溫度的 升高而下降，其效率也就會降低；另一 方面就要求測量速度要快， 否則電路承受 年第 期 產(chǎn) 經(jīng) 不了，這 樣 也 就 不 能 滿 足 準(zhǔn) 靜 態(tài) 的 要 求。由于現(xiàn)在能否測量出其矯頑力值是 一個主要因素，所以對其準(zhǔn)確性的考慮 還在其次。德國的瑪格力磁電有限公司 （）對其傳統(tǒng)的電磁鐵進(jìn) 行優(yōu)化設(shè)計后，在 的電源功率下， 其型電磁鐵的最大磁場可達(dá)到超過 的磁場（此時極間距為 ） ，同時 還能保證相同的測量精度，不能不說是 一個進(jìn)步。 另一種方法是完全拋棄現(xiàn)在基于電磁 鐵的傳統(tǒng)測量方法， 這當(dāng)然是可以理解的。 從上面的分析可以看出， 傳統(tǒng)方法的弊病 很難完全得到克服， 其發(fā)展空間也不是很 大， 所以就發(fā)展出所謂脈沖磁場測試裝 置， 這當(dāng)然是因為脈沖磁場能提供更大的 可。測量速度也是一個很重要的因素。前 面已經(jīng)提到永磁材料主要是測量其直流磁 特性，如果測量速度太快，會帶來很多 問題。由于磁滯的存