0 引言
飞行器本身磁矩的大小与飞行器所用材料的物质磁导率和成品件的物体磁导率都有重要影响。受材料取样、加工工艺、加工设备、运输存储环境等因素的影响，弱磁材料在加工过程可能会被二次磁污染，使其磁性能发生变化，目前对成品零部件的磁导率测量方法尚无较好的方法。由于加工好的零部件多种多样，其磁导率不能按照材料的检测方法进行定量测量。因此，如何结合现有弱磁材料测量方法准确测量航空标准件的磁导率值，是本文要讨论的问题，我们的目标是通过对材料测量方法的分析比对，提出最航空标准件最适用的磁导率几种测量方案，并给出各种测量方案的适用范围。
1 磁导率测试的通用方法
磁性材料的磁导率测试的通用方法，国际标准有IEC 404，美标有ANSI/EIA 364-54，英标有BBS 5884。国内常用的磁导率测量标准有 GB/T 35690《弱磁材料相对磁导率的测量方法》，JJG 99《砝码》中也有针对砝码磁导率值的测量方法。但这些方法都是针对磁性材料物质本身做的磁导率测试，对于样品形状已经确定的航空标准件很难做到精确测量，为了提高磁性材料的测量能力，国防弱磁一级计量站在原有磁天平和砝码磁化率计的基础上，近年又新购了振动样品磁强计，脉冲磁强计，软磁交流测量仪等多台测量仪器，硬件平台有了大的提升。基于飞行器科研与生产的需要，考虑到实际工作的应用，我们结合磁性材料测量的方法和原理，提出了专门针对零部件磁导率的企业标准：Q-710 15《 磁化率测量方法》。
测量弱磁材料磁导率从测量原理上来分，主要分为磁力法和电磁感应法。根据磁力法类的仪器主要有磁天平，砝码磁化率计，磁平衡测量仪等；依据电磁感应法的测量仪器主要有振动样品磁强计，磁导率仪，螺线管弱磁材料测量系统，磁矩线圈弱磁材料测量系统等。测量方法不同，对被测样品的形状尺寸要求不同，测量结果的分辨力也差别较大。
图1 磁导率测试的通用方法
2磁导率测量设备及原理简介
2.1 磁天平法
磁天平法基本原理是通过非均匀磁场作用在磁性物质上的力的值，来计算出材料的磁性参数，从测量方法上分磁天平又可以分为古依法和法拉第法。磁天平的样品可以是圆棒、方棒、板材、丝材、箔材，利用试样管还可以是粉末和液体，质量需小于配套天平的量程210 g ，截面直径尺寸为Φ8～10 mm，长度不小于150 mm；
图2 磁天平法基本原理
2.2 砝码磁化率计法
砝码磁化率计法是将一块标准永久磁铁放置在质量比较仪上，在距离标准磁铁z0高度的测试支架中心点放置被检的航空标准件，通过调整永久强磁铁的磁极N和S极，对测试支架上的航空标准件产生一个磁力，电子天平读出这个磁力的大小，通过公式计算出航空标准件在轴线方向（Z向）的磁导率值。使用砝码磁化率计测量的样品形状需为圆柱体、圆锥体，多层台体等回转体，质量范围为2g～50kg；
A 磁铁，B 称盘，C 支撑盘，D 调节块，E 砝码
图3 砝码磁化率计法
2.3 磁平衡法
磁平衡法为工业领域提供了一种较简便的相对测量方法，通过与标准插入件相比较从而判断试样的相对磁导率的范围。小样品的相对磁导率不能用标准方法测量，但可采用磁平衡法进行测量。它还适用于现场测量材料或者完整组件的相对磁导率。
图4 磁平衡法
2.4振动样品磁强计
振动样品磁强计（简称VSM），VSM是一种用交流信号完成对磁性材料直流磁特性测量的高灵敏度的磁矩测量仪器，采用小样品在探测线圈之间做小振幅振动，这时样品可视为一个磁矩为nl的磁偶极子，探测线圈感应由于样品振动而带来的磁偶极子场的变化，可以推出线圈的感应电势与样品的磁化强度成正比。VSM可以测量块状、粉末、薄片、单晶和液体等形状和形态的材料。一般要求为球状、小立方块或片状等规则几何形状。小于0.2 g样品的体积一般不超过40×40×30 mm3，试样直径应小于1 cm。
图5振动样品磁强计
2.5 螺线管法
螺线管法和磁矩法测量原理相似。励磁回路均为螺线管线圈，不同的是感应回路中一个用测量线圈，一个用的是磁矩线圈。这两种方法都可以通过以下公式计算的到磁导率值。
螺线管法磁化率测量装置包括;螺线管，励磁电源，感应线圈，磁通表，电流表等。可以通过磁通计，被测样品横截面积，横截面的匝数计算得到感应回路中的磁感应强度J。试样应为圆形或矩形截面的柱体，也可由多股线材或条带组成的横截面积至少为100 mm2 的棒状柱体。试样的最大截面面积由感应线圈的内径决定，长径比大于10:1，长度大于150mm。
图6 螺线管法
磁矩法弱磁材料测量仪包括：螺线管，磁矩测量线圈，磁通表，电流表等。首先需要通过磁通和磁矩线圈常数计算得到磁偶极矩，然后再除以被测样品的体积，计算得到磁感应强度J。试样的要求与螺线管法相似，同为圆形或矩形截面的柱体，也可由多股线材或条带组成的横截面积至少为100 mm2 的棒状柱体，不同的是磁矩法要求试样的长径比为1:1。
图7 磁矩法
磁导率仪的探头由一个磁体A和磁场测量线圈B组成。磁体产生磁场C，当接近磁导率材料E时，磁场D发生变化。此时探头中的线圈感应到磁场的变化F，从而计算出材料的磁导率。磁导率仪对被测件的外形没有要求，使用情况见下图。可见磁导率仪小巧便携，特别适合外场测试或者测试大型工件，但由于磁导率仪测准确度偏低，并不适用于航空标准类高精度测量的需求。
图8 磁导率仪
图9
表1 用不同仪器方法下的磁化率κ测量能力对比
通过以上3个方面的对比，我们找出了7种磁导率测量方法的优缺点，结合航空标准件体积小，形状不规则的特点，我们选择磁化率计法和VSM法作为测量的最佳方案。
表2 磁化率计法和VSM法作为测量的最佳方案
经过分析，结合实验室现有的测量能力，我们拓展了砝码磁化率的使用范围，发现用它可以有效测量出部分小零件的相对磁化率值。
图10 磁导率仪测量结果示意图
图11 磁天平测量铝标样测量结果
图12 用VSM测得的纯Ni样品的磁滞回线
3 结束语
磁导率的测量是间接测量，测出磁心上绕组线圈的电感量，再用公式计算出磁芯材料的磁导率。所以，磁导率的测试仪器就是电感测试仪。在此强调指出，有些简易的电感测试仪器，测试频率不能调，而且测试电压也不能调。例如某些电桥，测试频率为100Hz或1kHz，测试电压为0.3V，给出的这个0.3V并不是电感线圈两端的电压，而是信号发生器产生的电压。至于被测线圈两端的电压是个未知数。如果用高档的仪器测量电感，例如 Agilent 4284A 精密LCR测试仪，不但测试频率可调，而且被测电感线圈两端的电压及磁化电流都是可调的。了解测试仪器的这些功能，对磁导率的正确测量是大有帮助的。
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