编者按
第十二届全国高等学校物理实验教学研讨会于2024年7月27日-8月1日在江西九江顺利召开，会上展示的自制教学实验仪器体现了研制者的创新能力和实践水平。为提升实验教学质量和推动实验教学改革，全国高等学校实验物理教学研究会委托《物理实验》杂志对参会的优秀自制教学仪器进行宣传和推广。
“匀强磁场测量及铁磁性材料表层探伤实验装置”采用可调组合式直流线圈提供较大空间范围的匀强磁场，基于磁探伤原理进行漏磁场探测及铁磁性材料表面探伤实验。通过设计三维霍尔传感器测量头，利用电动二维位移台和电压蓝牙传输模块实现自动磁场扫描和数据读取。利用该装置可以开展匀强磁场搭建与三维磁场测量、铁磁性材料表面及浅表层伤痕检测拓展实验等内容。磁场匀强范围为200mm*50mm*50mm,磁场测量灵敏度为1μT，能够探测铁磁性材料表层5mm内的伤痕，探伤位置精度为亚毫米量级。该装置采用开放式设计，实验内容具可拓展性，数据采集效率高，可以作为普物物理实验及开放设计性实验教学使用。该装置由浙江大学物理实验教学中心肖婷、王宙洋和郑远共同研制。
仪器视频
01仪器研制背景
金属表面检测是国际和国内的研究热点，对工业生产具有重要应用价值。金属表面检测的方法包括超声波检测法、光学检测法、红外热波检测法、振动检测法、涡流探伤法、电磁无损检测法等。对于铁磁性材料如钢铁工件，其表面探伤方法中，相较于超声波检测、光学检测等方法需要复杂的检测电路或者庞大的图像数据处理，电磁无损探伤方法具有易于实现、成本低廉等优点，广泛应用于工业检测。
作为教学应用背景的仪器，在亥姆霍兹线圈的基础上采用多线圈直流励磁方式获得较大空间范围的匀强磁场，并利用自制的以三个相互垂直位型的霍尔元件构成探头测量磁场，分析铁磁性材料表面的三维磁场分布规律，研究漏磁场特征变化与铁磁性材料表层伤痕之间的定量关系，作为实验研究与工业应用的试验田，开展一系列教学与探究实验。
02实验原理
电磁无损探伤原理是由于铁磁性材料具有高磁导率，在外加磁场作用下铁磁性材料被磁化，测试部位如果没有缺陷，磁力线将有规律地穿过材料内部，如果铁磁性材料表面出现缺陷，磁力线产生畸变漏磁，能量损失，因此在缺陷附近，磁场分量会出现相应的变化（图1）。通过测量材料中由于缺陷引起的磁导率变化即产生漏磁场来检测缺陷的存在及具体位置。装置包括三个部分：励磁装置，磁场探测装置，磁场数据处理与分析部分。本装置采用直流励磁方式，利用多个线圈组成线圈组构建匀强磁场作为励磁场。
图1 磁探伤原理示意图
假设将线圈放置在z=d平面处，安匝数（线圈匝数与通过电流的乘积）为m，其在空间中任意一点的轴向磁场强度和径向磁场强度分别为：
其中R为线圈半径，为μ0真空磁导率，K和E为第一类和第二类椭圆积分。
多线圈组的磁场在径向和轴向分量由磁场叠加得到：
为了在足够大的空间内产生匀强磁场，我们采用八线圈组通以直流电，并按表1所示的几何位形排列并设置线圈电流。
表1 八线圈组相对位置与安匝数比
线圈 | 1 | 2 | 3 | 4 |
到中心面距离 | 1.374R | 0.730R | 0.387R | 0.122R |
安匝数比 | 4.636 | 1.731 | 1.173 | 1 |
线圈 | 5 | 6 | 7 | 8 |
到中心面距离 | 0.122R | 0.387R | 0.730R | 1.374R |
安匝数比 | 1 | 1.173 | 1.731 | 4.636 |
03仪器设计
装置结构示意图如图2所示。采用RIGOL DP712,DP832直流电源，直径为20cm的线圈8个（每个线圈400匝），自主设计三维磁场探测头（由三片独立霍尔元件及其集成电路组成），二维电动位移台及其控制系统，电压传感器及蓝牙模块，搭配计算机采集数据。图3为实验装置图。
图2 实验装置系统示意图
图3 电动位移台、直流线圈及供电直流源、电压采集模块
为了测量磁场分布和检测漏磁场，利用霍尔元件构建三维磁场测量装置（图4），将径向、轴向的磁场转化为电压并使用蓝牙模块回传数据进行测量，通过电动二维位移平台移动测量探头，实现对铁磁性材料表面磁场的连续自动扫描及数据记录（图5）。
图4 磁场测量探头置于待测样品表面
图5 电压数据采集
04实验内容
利用本实验教学仪器能够开展的实验内容包括：
（1）测定不同的线圈组产生匀强磁场的均匀性及空间范围。
通过测量不同个数的线圈组产生的磁场分布，确定匀强磁场的空间范围（图6）。
图6 多线圈组产生的匀强磁场范围（红线标记匀强磁场Z轴空间范围）
（2）利用二维电动位移台移动磁场测量探头，测量铁磁性材料表面的三维磁场分布，检测漏磁场，探究漏磁场曲线特征随材料表层伤痕宽度、深度、长度变化的规律。
例如使用控制变量法，探究伤痕宽度对漏磁场的影响。在伤痕深度一定时，随着伤痕宽度增加，伤痕处轴向磁场分量的变化越来越显著，谷深越大（如图7所示）。
图7 相同深度不同宽度的伤痕处漏磁场曲线（宽度、深度单位：mm）
（3）利用一维位移台将测量探头移至距材料表面不同距离，测量磁场分布，探究漏磁场测量的有效性。
使用二维电动位移台上加装的一维位移台能够调节磁场测量探头到材料表面的距离，随着到材料表面距离增加，伤痕处轴向磁场分量的变化幅度逐渐减小（图8）。但在一定范围内，漏磁场的变化都能够被检测到，并指示出伤痕所在的位置。
图8 材料表面不同距离处的漏磁场曲线
（4）根据（2）（3）获得的漏磁峰值、宽度等参量与伤痕尺度、位置的定量关系，结合磁场扫描结果，对待测铁磁性材料上的伤痕大小和位置进行推测，从而实现对未知伤痕的检测。
05装置特点
（1）本实验装置采用开放式设计，学生能够直观观察仪器结构并手动操作调整。
（2）实验内容从普通物理实验中利用霍尔片测亥姆霍兹线圈中的磁场，延伸至利用多线圈组产生更大空间范围、匀强性更好的匀强磁场，并利用该装置进行磁探伤的一系列探究实验。
（3）具有可拓展性，通过开发磁场扫场系统和实时数据显示与分析系统，实现实时铁磁性材料表面及浅表层伤痕探测。
优秀自制仪器
半导体参数综合测量实验系统——中山大学电子与信息工程实验教学中心、物理学国家级实验教学示范中心(中山大学)
霍尔效应实验仪——夏秀文、张新琴、张艳艳（井冈山大学），何健钊、杨蕾（四川世纪中科光电技术有限公司）
远程共享操作的数字示波器及信号发生器——陈钢、刘凡新、高建勋（浙江工业大学）
基于phyphox的通用数字化物理实验平台——邱丽、孙嘉唯、马子涵、刘家树、艾鹏辉（重庆大学）
基于液芯柱透镜的创新型实验仪——孟伟东、普小云、孙丽存（云南大学）
有效数字教学用尺——孔祥明、段雪松、吴建海、刘铭（河北工业大学）
电润湿效应综合实验仪——代如成、张增明、王中平、孙晓宇（中国科学技术大学）
忆阻器混沌实验仪——赵改清、何叶、刘英、徐海林、王喜省、李健伟（深圳大学）
供稿：肖 婷
制作：郭 伟
复审：赵辰一
终审：李金环
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《物理实验》创刊于1980年，是由教育部主管、东北师范大学主办的学术期刊，是教育部高等学校物理学类专业教学指导委员会会刊，是全国高等学校实验物理教学研究会副秘书长单位，是高等学校物理演示实验教学研究会常务理事单位。
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