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摘 要：本文首先对磁性参数检测方法的全球技术态势进行了分析，其次通过对中国专利文献的整理，介绍了3种磁性参数——磁滞回线、磁化率、磁致伸缩的检测方法的发展情况，并针对磁致伸缩参数检测的各种检测方法进行比较，以便针对不同的应用场合选择合适的诊断方法。
关键词：磁性参数；磁致伸缩；检测；技术分析
1 磁性参数检测全球技术分析
近年来随着国民经济的发展，金属软磁材料的需求量大幅增加，如何获取这类金属软磁材料的准确磁性参数，对生产和研究也有着越来越重要的意义。笔者通过有关磁性参数检测的技术文献进行分析，可以发现：磁性参数检测主要分为3个技术发展方向——磁滞回线测量、磁化率测量、磁致伸缩测量。从全球专利申请的国家分布来看，磁性参数检测的相关技术主要来源于日本、美国，这与实际了解的日本、美国是发展磁性参数检测技术最早、技术最先进的国家的事实是相符的，同时日本是资源短缺型国家，一直致力于材料、能源相关产业的发展，如软磁材料相关领域。其次是德国和中国。而在日本企业中，相关领域的前八位为来自日本的新日铁公司、岩崎电气株式会社、三菱电气株式会社、日立株式会社、横河电气株式会社、先讯美资电子公司、富士通株式会社、索尼公司。
2 磁性参数检测中国技术分析
磁性参数检测技术的研究，国内开展于20世纪80年代，而国外20世纪20、30年代就已经开始，至今仍在不断发展。对于磁性参数而言，磁滞回线、磁化率、磁致伸缩是3种主要的参数。
下面根据该技术发展详细介绍这三种磁性参数——磁滞回线、磁化率、磁致伸缩检测方法中国技术的发展情况。
2.1 磁滞回线的测量
磁滞回线是铁磁性物质和亚铁磁性物质的一个重要特征，其表示磁场强度周期性变化时，强磁性物质磁滞现象的闭合磁化曲线，其表明了强磁性物质反复磁化过程中磁化强度与磁场强度之间的关系。
中国最早关于磁滞回线测量的专利申请是1988年11月1日、由电子工业部第九研究所提出的，具体参见CN2047030U。研究人员发现在利用永磁测量仪的积分器对样品测量线圈所感应的电压信号进行积分，经衰减变为磁通密度信号B，采用同样的方法或者霍尔效应法，从磁场探头得到磁场强度信号H，绘出B-H曲线图时发现，当所测量的是异型截面样品时，需对感应积分所得到的B信号进行相应的补偿修正，使得测量变得复杂。考虑到这种弱点，研究人员提出了一种在永磁测量仪中设置主补偿器和辅助补偿器的永磁测量仪，其可对空气磁通带来的误差进行模拟补偿，以得到无失真的磁通密度信号B，省去补偿修正的工作量。
2.2 磁化率的测量
磁化率，表征磁介质属性的物理量，常用符号cm表示，等于磁化强度M与磁场强度H之比引。
中国最早关于磁化率测量的专利申请是1999年3月22日由南京师范大学提出的，具体参见CN2385347Y。研究人员发现物质的磁化率是研究城市环境污染、水道湖泊重金属污染一个有价值的分析参数，而现有的磁化率仪较昂贵、且灵敏度不够高、测量速度较慢。针对这些弱点，研究人员研制了一种集传感技术和单片型微机数据采集处理技术于一体的野外室内两用的便携式智能化磁化率仪。该智能化磁化率仪由探头和主机组成；探头是由一个线圈绕制成的电感元件L和电容元件C组成的串联谐振槽路；槽路与反馈元件组成正弦波振荡电路；然后连接至波型变换器的输入；则输出为一前、后沿陡峭的方波；再将其输入至87C51内部进行频率检测，当线圈中放入样品后，计数值发生变换，将差值处理后输出至面板上的液晶显示屏显示数据，完成对磁化率的测量。
2.3 磁致伸缩的测量
磁致伸缩是铁磁物质（磁性材料）由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化。磁致伸缩的测量方法可以分为小角转动法、应变电阻法、光学法、隧道探头法、电容法。
2.3.1 小角转动法
小角转动法是指基于各向异性磁电阻、巨磁电阻或隧道磁电阻的元件，通过小角度磁化旋转进行测量磁致伸缩常数。小角转动法测量步骤如下：首先，承载着一个或多个磁电阻元件的基底插入弯曲夹具中；下一步，施加一个平行于基底的DC磁场，施加交变磁场，测量磁电阻元件发出的信号；通过弯曲所述基底施加平行于所述基底的机械应力，以及改变DC磁场，直至达到施加所述机械应力之前测量出的信号。
2.3.2 应变电阻法
电阻应变法是一种将磁致伸缩引起的相对形变，通过应变片转化为电阻变化的方法，通过测量电阻的变化，间接计算出磁致伸缩材料的磁致伸缩性能。
CN101109790A（申请日20070820，北京航空航天大学）采用了电阻应变法对磁致伸缩性能进行测量，其外部结构包括有温度控制组件、直流稳压电源、电阻应变仪、压力组件、氮气源、磁场组件、基座。具体测试步骤如下：
第一步：将被测试样放置在托盘4中，被测试样的一端与压力包301的左端部305接触，另一端与A磁芯201的A磁杆段203的端部接触；电阻应变仪的应变片贴在被测试样上；
第二步：通过调节直流稳压电源5输出的电压改变A励磁线圈211、B励磁线圈212产生的磁场强度，并记录下磁场强度；调节氮气源5向压力包301施加的应力，并记录下压力；
第三步：根据被测试样制作的工作环境，选取被测试样测试温度环境选择不同的附件装置提供测试温度，并记录下测试温度；
第四步：根据磁场强度、压力、测试温度条件下，由电阻应变仪采集得到被测试样的磁致伸缩系数。
2.3.3 光学法
光学法是指利用光学原理测量磁致伸缩的检测方法。上海复旦天欣科教仪器有限公司于2009年提出了一种利用表面磁克尔效应测量磁致伸缩的装置，具体参见CN101726711A（申请日20091217，上海复旦天欣科教仪器有限公司），其结构包括电磁铁、电磁铁磁极、控制与信号处理系统、电子天平、直流电机、起振箱、激光器、起偏器、检偏器、光探测器。电磁铁采用双轭形式，轭铁上开有通光槽，电磁铁的两极之间的距离可调，将电磁铁设置于测试平台的中间部位，直流电机、起振箱、激光器、起偏器、检偏器、光探测器分别设置于测试平台的适当位置，控制与信号处理系统和电子天平设置于测试平台上方的支架上，通过激光器光路检测样品自由端长度的变化量，从而测试磁致伸缩系统。 2.3.4 隧道探头法
隧道探头法原理是利用探头测量磁致伸缩系数。兰州大学于2011年提出了极端低温下超磁致伸缩材料特性测量装置，参见CN102540114A（申请日20110601，兰州大学），该测量装置即是利用探头检测超磁致伸缩元件变形量、超磁致伸缩元件的预应力以及驱动磁场大小。测量装置结构主要包括波纹管、空腔、空气压缩机、承压杜瓦瓶、杜瓦液氮储存容器、承压支承座、上支承座、下支承座。其测量步骤如下：驱动线圈，通电后生成驱动磁场；超磁致伸缩元件，在驱动磁场下发生伸缩；气压装置，与磁致伸缩元件顶端接触，利用空气形成的压力，施加给磁致伸缩材料以获得预应力；杜瓦液氮装置，用于创造极端低温环境；低温Hall探头，检测超磁致伸缩元件变形量、超磁致伸缩元件的预应力以及驱动磁场大小。
2.3.5 电容法
电容法是根据平行板电容的原理，在外加磁场下，通过测量被测样品与传感器极板之间的电容变化，平板电容器的电容与两极板的间距成反比关系，间接测量样品的伸长或缩短量。CN102707248A（申请日20120530，安泰科技股份有限公司）提出了一种双通道电容法测量磁致伸缩的装置及其方法，该双通道电容法是对电容法进行的改进，是目前中国专利申请中最新的关于电容法的研究，工作原理是，采用合适的样品，样品两端平行的断面各与一个电极形成一组平行板电容，从而共形成两组平行板电容器，构成双通道测量，减少了样品一端固定环节，避免了固定环节带来的机械误差对测量结果造成的影响，样品在不同磁场作用下产生磁致伸缩后，样品伸长或缩短，两组电容同时增加或减小，两个极板之间的电压幅值与距离成正比，电压信号经过系列处理后建立与距离的联系，将双通道数据相加直接读取样品伸缩量，实现了样品的磁致伸缩测量。
2.3.6 检测方法的比较
以下对磁致伸缩各种检测方法进行比较，可根据实际情况和各个方法的优缺点进行选择。总体来说，电容法是一种较优的方法，电容法比小角转动法和应变电阻法具有更高的测量精度，原理简单，成本较低，在以后的研究中可对其进行深入研究。
3 磁性参数检测技术发展展望
通过以上技术分析可以看出，磁性参数检测主要包括磁滞回线、磁化率、磁致伸缩3种参数的检测，且磁致伸缩的检测呈现出多种方法并行发展的态势，且在软磁材料的应用已经非常成熟。随着软磁材料的应用越来越广泛，如何对现有方法——小角转动法、应变电阻法、光学法、隧道探头法和电容法进行改进使其应用场合更广泛、精度更高、成本较低，是该领域今后的研究重点，且本领域技术人员正不断努力实现低成本、高精度、非接触的磁性参数检测。
参考文献
[1]李德录.电工钢片磁性能检测技术分析[J].中国集体经济月刊，2007，（5）：72.
[2]李震，李佐宜，王鲜然，等.基本磁性参数综合测试系统[J].仪表技术与传感器，2003，（9）：28-30.
（作者单位：国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心）
关键词：磁性参数；磁致伸缩；检测；技术分析
1 磁性参数检测全球技术分析
近年来随着国民经济的发展，金属软磁材料的需求量大幅增加，如何获取这类金属软磁材料的准确磁性参数，对生产和研究也有着越来越重要的意义。笔者通过有关磁性参数检测的技术文献进行分析，可以发现：磁性参数检测主要分为3个技术发展方向——磁滞回线测量、磁化率测量、磁致伸缩测量。从全球专利申请的国家分布来看，磁性参数检测的相关技术主要来源于日本、美国，这与实际了解的日本、美国是发展磁性参数检测技术最早、技术最先进的国家的事实是相符的，同时日本是资源短缺型国家，一直致力于材料、能源相关产业的发展，如软磁材料相关领域。其次是德国和中国。而在日本企业中，相关领域的前八位为来自日本的新日铁公司、岩崎电气株式会社、三菱电气株式会社、日立株式会社、横河电气株式会社、先讯美资电子公司、富士通株式会社、索尼公司。
2 磁性参数检测中国技术分析
磁性参数检测技术的研究，国内开展于20世纪80年代，而国外20世纪20、30年代就已经开始，至今仍在不断发展。对于磁性参数而言，磁滞回线、磁化率、磁致伸缩是3种主要的参数。
下面根据该技术发展详细介绍这三种磁性参数——磁滞回线、磁化率、磁致伸缩检测方法中国技术的发展情况。
2.1 磁滞回线的测量
磁滞回线是铁磁性物质和亚铁磁性物质的一个重要特征，其表示磁场强度周期性变化时，强磁性物质磁滞现象的闭合磁化曲线，其表明了强磁性物质反复磁化过程中磁化强度与磁场强度之间的关系。
中国最早关于磁滞回线测量的专利申请是1988年11月1日、由电子工业部第九研究所提出的，具体参见CN2047030U。研究人员发现在利用永磁测量仪的积分器对样品测量线圈所感应的电压信号进行积分，经衰减变为磁通密度信号B，采用同样的方法或者霍尔效应法，从磁场探头得到磁场强度信号H，绘出B-H曲线图时发现，当所测量的是异型截面样品时，需对感应积分所得到的B信号进行相应的补偿修正，使得测量变得复杂。考虑到这种弱点，研究人员提出了一种在永磁测量仪中设置主补偿器和辅助补偿器的永磁测量仪，其可对空气磁通带来的误差进行模拟补偿，以得到无失真的磁通密度信号B，省去补偿修正的工作量。
2.2 磁化率的测量
磁化率，表征磁介质属性的物理量，常用符号cm表示，等于磁化强度M与磁场强度H之比引。
中国最早关于磁化率测量的专利申请是1999年3月22日由南京师范大学提出的，具体参见CN2385347Y。研究人员发现物质的磁化率是研究城市环境污染、水道湖泊重金属污染一个有价值的分析参数，而现有的磁化率仪较昂贵、且灵敏度不够高、测量速度较慢。针对这些弱点，研究人员研制了一种集传感技术和单片型微机数据采集处理技术于一体的野外室内两用的便携式智能化磁化率仪。该智能化磁化率仪由探头和主机组成；探头是由一个线圈绕制成的电感元件L和电容元件C组成的串联谐振槽路；槽路与反馈元件组成正弦波振荡电路；然后连接至波型变换器的输入；则输出为一前、后沿陡峭的方波；再将其输入至87C51内部进行频率检测，当线圈中放入样品后，计数值发生变换，将差值处理后输出至面板上的液晶显示屏显示数据，完成对磁化率的测量。
2.3 磁致伸缩的测量
磁致伸缩是铁磁物质（磁性材料）由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化。磁致伸缩的测量方法可以分为小角转动法、应变电阻法、光学法、隧道探头法、电容法。
2.3.1 小角转动法
小角转动法是指基于各向异性磁电阻、巨磁电阻或隧道磁电阻的元件，通过小角度磁化旋转进行测量磁致伸缩常数。小角转动法测量步骤如下：首先，承载着一个或多个磁电阻元件的基底插入弯曲夹具中；下一步，施加一个平行于基底的DC磁场，施加交变磁场，测量磁电阻元件发出的信号；通过弯曲所述基底施加平行于所述基底的机械应力，以及改变DC磁场，直至达到施加所述机械应力之前测量出的信号。
2.3.2 应变电阻法
电阻应变法是一种将磁致伸缩引起的相对形变，通过应变片转化为电阻变化的方法，通过测量电阻的变化，间接计算出磁致伸缩材料的磁致伸缩性能。
CN101109790A（申请日20070820，北京航空航天大学）采用了电阻应变法对磁致伸缩性能进行测量，其外部结构包括有温度控制组件、直流稳压电源、电阻应变仪、压力组件、氮气源、磁场组件、基座。具体测试步骤如下：
第一步：将被测试样放置在托盘4中，被测试样的一端与压力包301的左端部305接触，另一端与A磁芯201的A磁杆段203的端部接触；电阻应变仪的应变片贴在被测试样上；
第二步：通过调节直流稳压电源5输出的电压改变A励磁线圈211、B励磁线圈212产生的磁场强度，并记录下磁场强度；调节氮气源5向压力包301施加的应力，并记录下压力；
第三步：根据被测试样制作的工作环境，选取被测试样测试温度环境选择不同的附件装置提供测试温度，并记录下测试温度；
第四步：根据磁场强度、压力、测试温度条件下，由电阻应变仪采集得到被测试样的磁致伸缩系数。
2.3.3 光学法
光学法是指利用光学原理测量磁致伸缩的检测方法。上海复旦天欣科教仪器有限公司于2009年提出了一种利用表面磁克尔效应测量磁致伸缩的装置，具体参见CN101726711A（申请日20091217，上海复旦天欣科教仪器有限公司），其结构包括电磁铁、电磁铁磁极、控制与信号处理系统、电子天平、直流电机、起振箱、激光器、起偏器、检偏器、光探测器。电磁铁采用双轭形式，轭铁上开有通光槽，电磁铁的两极之间的距离可调，将电磁铁设置于测试平台的中间部位，直流电机、起振箱、激光器、起偏器、检偏器、光探测器分别设置于测试平台的适当位置，控制与信号处理系统和电子天平设置于测试平台上方的支架上，通过激光器光路检测样品自由端长度的变化量，从而测试磁致伸缩系统。 2.3.4 隧道探头法
隧道探头法原理是利用探头测量磁致伸缩系数。兰州大学于2011年提出了极端低温下超磁致伸缩材料特性测量装置，参见CN102540114A（申请日20110601，兰州大学），该测量装置即是利用探头检测超磁致伸缩元件变形量、超磁致伸缩元件的预应力以及驱动磁场大小。测量装置结构主要包括波纹管、空腔、空气压缩机、承压杜瓦瓶、杜瓦液氮储存容器、承压支承座、上支承座、下支承座。其测量步骤如下：驱动线圈，通电后生成驱动磁场；超磁致伸缩元件，在驱动磁场下发生伸缩；气压装置，与磁致伸缩元件顶端接触，利用空气形成的压力，施加给磁致伸缩材料以获得预应力；杜瓦液氮装置，用于创造极端低温环境；低温Hall探头，检测超磁致伸缩元件变形量、超磁致伸缩元件的预应力以及驱动磁场大小。
2.3.5 电容法
电容法是根据平行板电容的原理，在外加磁场下，通过测量被测样品与传感器极板之间的电容变化，平板电容器的电容与两极板的间距成反比关系，间接测量样品的伸长或缩短量。CN102707248A（申请日20120530，安泰科技股份有限公司）提出了一种双通道电容法测量磁致伸缩的装置及其方法，该双通道电容法是对电容法进行的改进，是目前中国专利申请中最新的关于电容法的研究，工作原理是，采用合适的样品，样品两端平行的断面各与一个电极形成一组平行板电容，从而共形成两组平行板电容器，构成双通道测量，减少了样品一端固定环节，避免了固定环节带来的机械误差对测量结果造成的影响，样品在不同磁场作用下产生磁致伸缩后，样品伸长或缩短，两组电容同时增加或减小，两个极板之间的电压幅值与距离成正比，电压信号经过系列处理后建立与距离的联系，将双通道数据相加直接读取样品伸缩量，实现了样品的磁致伸缩测量。
2.3.6 检测方法的比较
以下对磁致伸缩各种检测方法进行比较，可根据实际情况和各个方法的优缺点进行选择。总体来说，电容法是一种较优的方法，电容法比小角转动法和应变电阻法具有更高的测量精度，原理简单，成本较低，在以后的研究中可对其进行深入研究。
3 磁性参数检测技术发展展望
通过以上技术分析可以看出，磁性参数检测主要包括磁滞回线、磁化率、磁致伸缩3种参数的检测，且磁致伸缩的检测呈现出多种方法并行发展的态势，且在软磁材料的应用已经非常成熟。随着软磁材料的应用越来越广泛，如何对现有方法——小角转动法、应变电阻法、光学法、隧道探头法和电容法进行改进使其应用场合更广泛、精度更高、成本较低，是该领域今后的研究重点，且本领域技术人员正不断努力实现低成本、高精度、非接触的磁性参数检测。
参考文献
[1]李德录.电工钢片磁性能检测技术分析[J].中国集体经济月刊，2007，（5）：72.
[2]李震，李佐宜，王鲜然，等.基本磁性参数综合测试系统[J].仪表技术与传感器，2003，（9）：28-30.
（作者单位：国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心）