一种用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法技术

本发明专利技术公开了一种用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，包括：(1)配置介质溶液，所述介质溶液为顺磁性介质溶液；(2)将介质溶液置于设有两块方形磁铁的磁悬浮检测装置，所述两个方形磁铁尺寸相等，左右同轴布置，且同极相向设置；(3)将样品用柔性件悬挂固定于介质溶液中，且使样品置于方形磁铁中心线上，所述样品为抗磁性材料；(4)测量被测样品横向悬浮距离；(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，测量范围广、精度高，易于实现自动化。

【技术实现步骤摘要】
一种用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法
本专利技术涉及一种检测方法，具体涉及一种用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法。
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。密度的定义为单位体积内物质的质量，2200年前阿基米德发现的浮力原理是大部分现有密度测量的基础原理，不同的密度测量方法均基于密度的基础计算公式：ρ＝m/V。常用的测量方法为浮力法，比重瓶法，密度计法和密度梯度法。浮力法主要用于测量固体或测量互不相容的液体。比重瓶法可以较精确地测量固体和液体的密度。密度计法主要用于液体密度的测量。密度梯度法通过两种密度不同且互溶的液体构造适当的密度梯度来检测小尺寸样品的密度。这些测量的方法主要都基于阿基米德原理，原理比较简单，但是缺点在于，较难取得较高的测量精度，或者若要取得较高精度的结果，成本比较昂贵。其中，前两种测量方法的精度取决于质量测量的精度，密度计法取决于密度计的制造精度。因此，前三种方法想要取得较精确的结果，就需要精度高但昂贵的设备。而密度梯度法受限于密度梯度的制造方法，因此测量的误差较大。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。现有的磁悬浮密度测量方法，其测量范围受到顺磁介质溶液密度的局限，因此很难超过2.3g/cm3。哈佛大学Mirica等[NEMIROSKIA,SOHS,KWOKSW,etal.Tiltedmagneticlevitationenablesmeasurementofthecompleterangeofdensitiesofmaterialswithlowmagneticpermeability[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety,2016,138(4):1252-1257]提出利用倾斜装置来扩大密度测量范围的新方法，将测量范围从0.8～2.3g/cm3扩大到0.0～23.0g/cm3。然而，物质与容器壁间的摩擦力难以消除，对不同的检测物质，需要添加不同质量分数的葡萄聚糖以提高顺磁溶液粘度并反复旋转容器使物质与容器壁分离，该方法操作繁琐，且需要对溶液密度进行多次标定。
技术实现思路
本专利技术针对现有测量密度的方法存在的技术问题，提出了一种成本低、测量范围广、精度高、实施简便的用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法。一种用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，包括如下步骤：(1)配置介质溶液，所述介质溶液为顺磁性介质溶液；(2)将介质溶液置于设有两块方形磁铁的磁悬浮检测装置，所述两个方形磁铁尺寸相等，左右同轴布置，且同极相向设置；(3)将样品用柔性件悬挂固定于介质溶液中，且使样品置于方形磁铁中心线上，所述样品为抗磁性材料；(4)测量被测样品横向悬浮距离；(5)按式(I)计算样品密度；所述式(I)为：其中：H是柔性件的长度，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，无量纲；χs为被测样品的磁化率，无量纲；g为重力加速度，m/s2；μ0为真空磁导率，N/A2；a为方形磁铁的长度和宽度，mm；h为方形磁铁的高度，mm；l为样品在介质溶液中横向悬浮位移，即样品稳定时重心距离初始位置的横向位移，mm；d为两个磁铁之间的距离，mm；J为垂直于磁化方向的平面上的面电流密度，A/m2。本专利技术中，上述的样品的“初始位置”是指在没有磁化作用前(或者假设没有磁化作用下)，样品受重力、介质溶液的浮力和柔性件拉力作用下在介质溶液中的初始位置，当受到两个磁铁磁化作用力后，样品会发生一定的位移，在磁化方向上产生的位移就是所述的“横向悬浮位移”。本专利技术中，所述表面中心是指其中一块方形磁铁面向另外一个方形磁体的一侧表面的中心。本专利技术中，所述的柔性件的长度一般是指从柔性件一端固定端到样品中心之间的距离。本专利技术中，配制介质溶液时，介质溶液密度小于样品密度，保证样品在溶液中不会浮起。本专利技术中，所述两个方形磁铁可以为完全相同的两个方形磁铁。可以是N极相向设置，也可以是S极相向设置。作为优选，两磁铁之间距离不大于70mm。本专利技术中，两个方形磁铁置于同一水平高度，两个方形磁体的中心连线水平设置。一般情况下，介质溶液的磁化率可通过现有的方法简单快速的检测得到。本专利技术中，为方便介质溶液的快速配制，配制介质溶液前，可进行介质溶液的密度与磁化率的标定。选择此技术方案，在检测样品前，可预先估算样品的密度，进而确定介质溶液的密度，然后通过密度与磁化率的标定结果，确定合适的磁化率，最后按照要求配制适当的磁化率的介质溶液。为进一步提高检测精度，作为优选，所述样品为中心对称结构。作为进一步优选，所述样品为球形样品、椭圆球样品、扁球形样品、圆盘状样品、圆柱状样品、双圆锥样品、正方体样品、横截面为正方形的长方体样品。作为优选，所述样品为圆形样品，比如可以是球形样品、扁球形样品、圆盘状样品等。作为最优的选择，所述样品为球形样品。作为优选，所述样品为最大尺寸不大于7mm。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。本专利技术中，所述的介质溶液为顺磁性介质，可选的介质溶液包括以Mn、Fe、Gd元素为溶质的溶液。作为优选，所述介质溶液为MnCl2、FeCl3、GdCl3、Gd-DTPA溶液。所述的溶液可以为醇溶液或者水溶液，所述醇溶液可以是甲醇溶液、乙醇溶液或者异丙醇溶液。作为进一步优选，所述介质溶液为MnCl2的水溶液或醇溶液。所述介质溶液为浓度为0.5～5mol/L的MnCl2水溶液或者0.5～5mol/L的MnCl2醇溶液。作为进一步优选，所述样品为密度为2.3～23g/cm3的样品。作为优选，所述介质溶液为浓度为1～3mol/L的MnCl2水溶液或者0.8～1.5mol/L的MnCl2醇溶液。作为优选，所述柔性件为长度为150mm-250mm的细线，一端固定在其中一块方形磁铁的表面中心正上方，另一端固定所述样品。初始状态下(假设此时没有磁化作用)，样品位于其中一块方形磁铁的表面中心处，样品竖直悬挂于柔性件上，此时的位置即为初始位置；在磁化作用下，样品发生一定的位移，达到平衡状态。作为进一步优选，所述柔性件为长度为190mm-200mm的细线。本专利技术中，所述柔性件自身的重量可以忽略。样品移动前后，偏离中心线的距离可以忽略。所述磁-阿基米德原理密度测量方法，其原理如下：由于本文使用的是两块N极相对的方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)配置介质溶液，所述介质溶液为顺磁性介质溶液；(2)将介质溶液置于设有两块方形磁铁的磁悬浮检测装置，所述两个方形磁铁尺寸相等，左右同轴布置，且同极相向设置；(3)将样品用柔性件悬挂固定于介质溶液中，且使样品置于方形磁铁中心线上，所述样品为抗磁性材料；(4)测量被测样品横向悬浮距离；(5)按式(I)计算样品密度；所述式(I)为：

【技术特征摘要】
1.一种用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)配置介质溶液，所述介质溶液为顺磁性介质溶液；(2)将介质溶液置于设有两块方形磁铁的磁悬浮检测装置，所述两个方形磁铁尺寸相等，左右同轴布置，且同极相向设置；(3)将样品用柔性件悬挂固定于介质溶液中，且使样品置于方形磁铁中心线上，所述样品为抗磁性材料；(4)测量被测样品横向悬浮距离；(5)按式(I)计算样品密度；所述式(I)为：其中：H是柔性件的长度，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，无量纲；χs为被测样品的磁化率，无量纲；g为重力加速度，m/s2；μ0为真空磁导率，N/A2；a为方形磁铁的长度和宽度，mm；h为方形磁铁的高度，mm；l为样品在介质溶液中横向悬浮位移，即样品稳定时重心距离初始位置的横向位移，mm；d为两个磁铁之间的距离，mm；J为垂直于磁化方向的平面上的面电流密度，A/m2。2.根据权利要求1所述的用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，其特征在于，配制介质溶液时，介质溶液密度小于样品密度。3.根据权利要求1或2所述的用于检测密度的水平方向磁悬浮检测方法，其特征在于，配制介质溶液前，进行介质溶液的密...

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