一种抗磁性物质密度的精确测量方法技术

本发明专利技术公开了一种抗磁性物质密度的精确测量方法，包括如下步骤：(1)根据样品材料确定介质溶液；(2)将样品置于介质溶液中；(3)将介质溶液置于磁悬浮检测装置中，即置于两个同极对置的方形磁铁中间；两个方形磁铁的尺寸均为50mm*50mm*25mm，相互距离60mm；(4)测量被测样品浮起的高度；(5)计算样品密度。与现有技术相比，本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术所需求的装置操作简单，成本低廉，测量结果易于观测，测量精度高，易于实现自动化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种检测方法，具体涉及一种抗磁性物质密度的精确测量方法。
技术介绍
密度是物质最基本的重要物理特征之一，不同物质的密度一般不同。同时，不同的内部微观结构、物质构成在宏观上也会体现在密度的变化上。密度的测量在科研、生产过程和生活中均具有重要的意义。2200年前阿基米德发现的浮力原理是密度检测应用最广的方法，其衍生方法包括：浸渍法、比重瓶法、浮沉法、密度梯度柱法和密度计法。近年来，基于新技术开发出气体压差方法、超声波法、理想气体状态方程法等，用于测量不同状态的物质的密度，精度最高可以达到0.007g/cm3。磁性也是物质所具有的基本物理特征之一。任何物质在磁场中均会被磁化。根据磁化产生的附加磁场方向，物质分为顺磁性物质与抗磁性物质。其中顺磁性物质的附加磁场与激励磁场方向相同，反之，抗磁性物质产生的附加磁场与激励磁场相反。结合物质磁性以及阿基米德原理提出的磁-阿基米德悬浮使物体在磁场中的悬浮条件不再苛刻，可以取得较多应用。对于阿基米德原理及其衍生方法，其对密度的测量通常较难达到较高精度现有的密度检测方法，若要达到高精度的测量，通常需要使用昂贵的测量设备。并且，基于阿基米德原理的测量方法通常对小尺寸样品灵敏度不高，容易造成较大的测量误差。而其他密度测量方法则应用到较新的技术方法，测量设备较为昂贵，并且操作和计算方法繁琐，对小尺寸样品的密度测量的应用发展比较局限。
技术实现思路
本专利技术针对现有测量密度的方法的问题，基于磁悬浮理论，提出了一种基于磁-阿基米德原理的抗磁性物质密度的精确测量方法。本专利技术方法的测量装置主要由两块相同尺寸为50mm×50mm×25mm，表面磁感应强度相同，磁感应强度大小为0.425T的方形磁铁同极对置相距60mm构成。本专利技术适合于尺寸较小的且为抗磁性样品密度测量。本专利技术原理基于磁阿-基米德原理。具体实施步骤如下：1)配置合适的介质溶液。2)将试样置于溶液中。3)将溶液置于磁悬浮检测装置中。4)测量样品在溶液中的悬浮高度。5)计算样品密度。上述密度的磁悬浮检测方法，其计算公式如下：ρs＝ρm-(660.739-48.232x+1.322x2-1.475×10-2x3)χm式中，ρs与ρm分别为被测样品密度与介质溶液密度(g/cm3)，χm为介质溶液磁化率(无量纲)。作为优选，配置介质溶液时，保证样品在溶液中浮起距离为10～50mm。作为优选，介质溶液为顺磁介质水溶液，进一步优选为MnCl2水溶液。作为优选，配置介质溶液时，介质溶液密度略小于样品密度。作为优选，配置介质溶液前，进行介质溶液的密度与磁化率的标定。作为优选，所述样品为最大尺寸不大于5mm。本专利技术尤其适合于尺寸较小的样品密度测量，检测精度较高。作为优选，所述样品为中心对称结构。作为优选，所述样品为圆形样品。上述密度的磁悬浮测量方法，应当在检测前根据产品材料估测产品的密度，同时配置相应的介质溶液。如需要精确计算溶液磁化率，可以用古埃法测量溶液磁化率。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一种全新的检测物质密度的方法，所需求的装置操作简单，成本低廉，测量结果易于观测，测量精度高，易于实现自动化。附图说明图1是本专利技术磁悬浮装置原理图。图2是本专利技术对50mm*50mm*25mm表面磁感应强度为0.425T磁铁，距离为60mm时，平行于xOy平面分量在中心截面的计算云图。图3是本专利技术对标准密度球实验结果的拟合结果。具体实施方式为使本专利技术被更清楚地理解，下面根据本专利技术的具体实例及附图，对本专利技术进行进一步的说明。如图1所示，是本专利技术的磁悬浮装置原理图，包括磁铁1、磁铁4，介质溶液2，样品3，介质溶液容器5。容器5要求透明易于测量内部样品高度。磁铁1、磁铁4之间距离为d。被测样品3在溶液中悬浮高度为Z。磁铁1、磁铁4均为50mm*50mm*25mm的方形磁铁，中心表面磁感应强度0.425T的磁铁，距离60mm同极对置构成。其中，测量方法如下：一种抗磁性物质密度的精确测量方法，包括：(1)根据样品材料估计样品密度。配置合适浓度的介质溶液，保证样品在溶液中可以浮起超过10mm。在进行实验前，可对介质溶液的密度和磁化率进行标定，标定时，配置浓度为整数摩尔每升的溶液，然后进行密度与磁化率的标定，参见表1。配置介质溶液时，在合适的范围内，介质溶液密度略小于样品密度。(2)将样品置于介质溶液中。(3)将介质溶液置于磁悬浮检测装置中，即置于磁铁1、磁铁4之间。(4)测量被测样品浮起的高度。(5)计算样品密度。采用本方法对PV(硫化橡胶)原料(最大尺寸约5mm的圆柱状颗粒)进行密度测量，选用的介质溶液为2.5mol/L的MnCl2溶液，不同浓度MnCl2溶液所对应的密度和磁化率如表1所示：表1是不同浓度MnCl2溶液所对应的密度和磁化率。浓度(mol/L)密度(g/cm3)磁化率11.0991.774×10-41.51.1482.771×10-421.1963.724×10-42.51.2444.650×10-431.2925.438×10-4样品经过酒精清洗表面后，置于氯化锰溶液中，放进装置中。静置10分钟，待样品位置稳定，用毫米尺测量悬浮高度。高度读数为35.6mm，经过计算可以得到样品的密度为1.218g/cm3。上述密度的磁悬浮检测方法，其计算公式如下：ρs＝ρm-(660.739-48.232x+1.322x2-1.475×10-2x3)χm上述密度的磁悬浮检测方法，其原理如下：顺磁性物质在磁场中，产生的附加磁场与原磁场方向相同，物质受到磁场的引力；反之，抗磁性物质会受到磁场的斥力：式中，χ为物质磁化率，顺磁性物质磁化率为正值，抗磁性物质磁化率为负；μ0＝4π×10-7N/A2为真空磁导率；V为磁场中物质体积(m3)；为物质所在位置磁场的磁感应强度(T)；为向量梯度算子。当磁场中存在顺磁介质溶液时，磁场对介质溶液产生引力，因此会对浸入其中的物质产生一个由磁场产生的附加浮力：逆磁性样品在顺磁性溶液中会受到重力、浮力和磁场作用力三个力的综合作用。当三个力平衡时，样品悬浮悬浮达到稳定状态：式中，为重力，为浮力，为磁场对样品产生的作用力：由上述几式可知，若样品保持稳定悬浮，则在x轴与y轴分量必须为0。当样品可以保持稳定悬浮时，可以整理得到：通常，被悬浮物质磁化率在数值上比介质溶液小几个数量级，可以忽略：当给定磁场和介质溶液磁化率时，样品的悬浮高度z仅与样品本身密度相关。由上式，根据样品悬浮高度可以对样品密度进行计算。对于本文提出的密度检测装置，在两块磁铁中间区域，样品会被推到两磁铁中心连线上，因此，当物质能够在专制中悬浮起来时，其在两磁铁中心连线上可以达到稳定悬浮。由于的计算公式复杂繁琐，因此通过对实验结果进行拟合，得出密度的近似计算公式。实验选用标准密度球在2.0mol/L的MnCl2中进行一组实验，标准密度球选用1.07～1.30g/cm3，间隔为0.01g/cm3的24个样品在测量装置中进行悬浮，记录悬浮高度，如表2。表2标准密度球密度(g/cm3)悬浮高度(mm)1.0751.31.0850.21.0949.21.148.21.1146.91.1245本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗磁性物质密度的精确测量方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据样品材料确定介质溶液；(2)将样品置于介质溶液中；(3)将介质溶液置于磁悬浮检测装置中，即置于两个同极对置的方形磁铁中间；两个方形磁铁的尺寸均为50mm*50mm*25mm，相互距离60mm；(4)测量被测样品浮起的高度；(5)计算样品密度；其中：ρs＝ρm‑(660.739‑48.232x+1.322x2‑1.475×10‑2x3)χm。ρs为被测样品密度，g/cm3；ρm为介质溶液密度，g/cm3；χm为介质溶液磁化率。

【技术特征摘要】
1.一种抗磁性物质密度的精确测量方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据样品材料确定介质溶液；(2)将样品置于介质溶液中；(3)将介质溶液置于磁悬浮检测装置中，即置于两个同极对置的方形磁铁中间；两个方形磁铁的尺寸均为50mm*50mm*25mm，相互距离60mm；(4)测量被测样品浮起的高度；(5)计算样品密度；其中：ρs＝ρm-(660.739-48.232x+1.322x2-1.475×10-2x3)χm。ρs为被测样品密度，g/cm3；ρm为介质溶液密度，g/cm3；χm为介质溶液磁化率。2.根据权利要求1所述的抗磁性物质密度的精确测量方法，其特征在于，两个方形磁铁为中心表面磁感应强度为0.425T的磁铁。3.根据权利要求1所述的抗磁性物质密度的精确测...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵朋，颉俊，张承谦，傅建中，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33