本发明属于检测装置技术领域，具体涉及一种基于磁铁阵列的大型磁悬浮检测方法及装置。
背景技术：
密度测量是科学研究和实际生产中重要的重要环节。物质发生物理变化或者化学变化往往伴随着密度的改变，因此密度往往可以用来评判一种物质是否发生了变化。基于阿基米德原理的磁悬浮检测技术是哈佛大学whitesides教授提出的一种可用于零件无损测量方法(advancedmaterials,2015,27,1587–1592)。磁悬浮检测技术操作简便，速度快，精准度高，能够在短时间内实现物质密度的无损检测。
标准的磁悬浮检测装置由两块磁铁同极对置，被测物质能够稳定悬浮于两块磁铁之间的顺磁性介质之中，对物质进行检测。公开号为cn106568680a的专利公开了用于检测密度的磁悬浮检测方法，其中的磁悬浮检测装置所用磁铁采用尺寸为50mm*50mm*25mm，其所能检测的物质尺寸不超过6mm。受限于磁铁的尺寸，磁悬浮检测只能对体积较小的物质进行检测，而大尺寸磁铁的制备过程繁琐、昂贵且危险。因此，被检测物质的尺寸大小限制一直是阻挡磁悬浮检测技术发展的障碍。
技术实现要素：
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于磁铁阵列大尺寸抗磁性样品密度的磁悬浮检测方法，利用该方法可以快速、精确检测样品的密度大小，而且解决了单块磁铁大小对于检测样品大小的限制。
一种基于磁铁阵列的大型磁悬浮检测方法，包括以下步骤：
(1)构建两组同极对置的磁铁阵列；
(2)将抗磁性样品置于上述两组磁铁阵列之间的装有顺磁性介质的容器中；
(3)待抗磁性样品悬浮稳定后，测量抗磁性样品的悬浮高度；
(4)通过标定实验确定密度计算公式，再计算得出抗磁性样品的密度。
根据安培分子电流假说，磁场可以假定为由磁铁表面周围的等效电流产生。在磁铁分析中，磁铁相邻表面上的等效电流相互抵消，外表面的其余等效电流在磁体阵列周围形成一个大电流圈，这与同一尺寸的集成方形磁体产生的等效电流相同。因此，可以得出结论，磁铁分析产生的磁场等于磁铁阵列产生的磁场。
由此上述技术方案中，采用小尺寸的磁铁组成磁铁阵列来替代大尺寸磁铁，并能够根据待测样品的尺寸，调整磁铁阵列的尺寸。在保证精确测量待检测样品密度的基础上，使待检测样品尺寸不再受限，又完美的克服了大尺寸磁铁加工困难，成本较高且安全性差的问题。
上述技术方案，利用样品的悬浮高度可以快速、准确检测出样品的密度大小，在实验过程中，样品所受的抗磁力、浮力与自身重力相平衡，低密度的样品悬浮高度高，高密度样品悬浮高度低。
上述技术方案中，组成每组磁铁阵列的磁铁的充磁方向相同。步骤(2)中，所述容器为透明容器。
作为优选，两组所述磁铁阵列在两极之间的轴与引力场上下对齐。即，两组磁铁阵列上下平行布置，每个磁铁上下相互对应设置，相对应的两个磁铁上下同轴设置，且引力场对称设置(沿两个磁铁中心连线的中点水平面对称)。
作为优选，每组所述磁铁阵列由多个方形磁铁构建得到。防止构建阵列时相邻两个磁铁中间出现空隙，影响检测结果。作为进一步优选，多个方形磁铁可以是规格完全相同的方形磁铁。
作为优选，每组所述磁铁阵列为单层或多层结构。相比单层结构，多层结构的磁铁阵列具有更强的磁场强度，实际应用时可根据需要设置相应的层数。每组所述磁铁阵列采用多层时，多层磁铁之间均为相互对正的布置方式，且同方向设置。
作为具体优选，每组所述磁铁阵列由n*n*a个方形磁铁组成，其中n≥2，a为每组所述磁铁阵列的层数，且a≥1。
作为优选，所述磁铁阵列由钕铁硼永磁铁构建得到。钕铁硼永磁铁磁性强，来源广泛，便于进行磁悬浮检测。
作为优选，所述抗磁性样品的平均密度为0.50～1.9g/cm3。
作为优选，所述顺磁性介质为mncl2或dycl3的水溶液。其中，mncl2水溶液适用于密度较小的样品测量，其具有污染小，来源广泛，价格低廉的优势；dycl3水溶液溶液密度和磁化率较大，适用于高密度样品的测量。
作为优选，步骤(3)中，采用摄像机记录抗磁性样品的悬浮位置，并测量其悬浮高度。
作为优选，步骤(4)中，使用标准密度球对检测装置进行标定，绘制出抗磁性样品的悬浮高度与密度之间的关系曲线，确定密度的具体计算公式，再根据步骤(3)中测量的悬浮高度计算出抗磁性样品的密度。
作为优选，所述密度计算公式为：
其中，ρm(g/cm3)是顺磁性介质的密度；g(m/s2)是重力加速度；ρs(g/cm3)是抗磁性样品的密度；χs(无单位)是抗磁性样品的磁化率；χm(无单位)是顺磁性介质的磁化率；μ0＝4π×10-7(n/a2)是自由空间的磁导率；z(mm)是抗磁性样品重心距底部磁铁阵列表面的竖直距离(即抗磁性样品的悬浮高度)；f(z)为关于z的多项式，由标定实验标定得到。
上述技术方案中，公式(ⅰ)的推算过程如下：
抗磁性物质在梯度磁场中会受到抗磁力的作用。将样品放在磁场中装有顺磁性介质中，样品受到三个力的作用，浮力ff、重力fg和抗磁力fmag。当样品稳定悬浮时，三个作用力相平衡。
ff＝-ρmvg(1)
fg＝ρsvg(2)
ff fg fmag＝0(4)
整合公式(1)～(4)，可以得到：
在磁铁阵列装置中，根据装置的对称性和悬浮居中性，公式(6)中的x，y方向的合力为0，即
本发明中，由于所检测的物质为抗磁性样品，该类物质的磁化率χs较小，可以忽略不计，即χs＝0。
公式(ⅰ)中，f(z)值由标定实验得到，而标定实验中所用到的磁铁阵列的大小以及两个磁铁阵列之间的距离都会对标定结果产生影响。下面以2*2*2(即a＝n＝2)个尺寸为40mm*40mm*20mm的方形磁铁组成的两个磁铁阵列，两个磁铁阵列之间的距离为40mm为例，进行标定实验，计算得出：f(z)＝0.00578-0.000289z，将f(z)代入公式(ⅰ)中则得到：
本发明的基于磁铁阵列的大型磁悬浮检测方法，可以根据样品尺寸的不同，选取不同的磁铁阵列大小、阵列之间不同的间距以及更换不同浓度的顺磁性介质，适用性强，可检测密度范围广，可以实现样品密度的快速精密检测。
本发明还提供一种基于磁铁阵列的大型磁悬浮检测装置，包括两组同极对置的磁铁阵列以及设于两组磁铁阵列之间的装有顺磁性介质的透明容器。
作为优选，所述磁悬浮检测装置还包括约束所述磁铁阵列的外框架、承载所述磁铁阵列的铁板，固定所述磁铁阵列的收纳器，以及将所述磁铁阵列固定在所述收纳器内的挡板。
上述技术方案中，铁板选用q235材料，通过铁板与磁铁阵列的组合，便于磁铁阵列组装，同时能够提高磁铁阵列表面的磁感应强度。上述结构适用于小尺寸磁铁阵列的安装。
作为优选，所述磁悬浮检测装置还包括分别固定上下两个对应磁铁阵列的两个铁板，组成所述磁铁阵列的磁铁通过螺钉固定在相应的铁板上。
上述结构的磁悬浮检测装置适用于各种尺寸的磁铁阵列的安装，尤其适用于大尺寸磁铁阵列的安装与固定。
作为进一步优选，所述磁悬浮检测装置还包括间距调节装置，所述间距调节装置包括设于上方所述铁板上方的顶板，与所述顶板螺纹连接且下端与上方所述铁板固定连接的调节螺杆；
所述顶板通过设于其四角的导向杆与下方的所述铁板固定连接，上方所述铁板的与四个所述导向杆分别滑动连接。
作为进一步优选，下方铁板的底部设有万向轮，实现所述磁悬浮检测装置的随意移动，提高使用灵活性。
上述两种磁悬浮检测装置在安装磁铁阵列时，均采用先充磁再固定的方法。
作为优选，所述磁悬浮检测装置还包括用于记录样品悬浮姿态及高度的摄像机。摄像机可以独立设置，使用时调整适当的安装位置即可。
本发明的基于磁铁阵列的磁悬浮检测装置中，组成磁铁阵列的磁铁、容器和顺磁性介质用金属盐均可采用现有的市售产品。
本发明的基于磁铁阵列的磁悬浮检测装置，操作简单，精度高，测量时间短，适用于大尺寸样品，适用性广，可以快速实现抗磁性样品密度的无损检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的基于磁铁阵列的大型磁悬浮检测方法，利用安培分子电流假说，以磁铁阵列的形式代替大尺寸磁铁对抗磁性样品进行检测，实现大尺寸样品的密度检测，且检测精度高；并能够根据待测样品的尺寸，调整磁铁阵列的尺寸，以及更换不同密度的顺磁性介质，适用性强、可检测密度范围广，可实现抗磁性样品密度的快速精密检测。
本发明的检测装置结构简单、组装方便，操作简单，检测精准度高，成本低，能够适用于大尺寸抗磁性样品的密度检测。
附图说明
图1为本发明实施例2的结构示意图；
图2中，(a)为磁铁阵列的顶面电流流向示意图；(b)为磁铁阵列侧面电流流向示意图；
图3为本发明实施例3的结构示意图。
图中：1—外框架、2—挡板、3—收纳器、4—磁铁、5—铁板、6—调节螺杆、7—顶板、8—导向杆、9—磁铁阵列、10—万向轮、11—上铁板、12—下铁板。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
利用图1所示的装置，对密度未知的聚合物进行密度测量，实验选取2m(mol/l)的氯化锰水溶液，密度ρm为1.196g/cm3，磁化率χm为3.63×10-4。
采用八块钕铁硼永磁铁拼接而成一组磁铁阵列，每块小磁铁的尺寸为40mm*40mm*20mm，共拼接两组磁铁阵列，两组磁铁阵列之间的间距为40mm。
1、对小尺寸物质的密度检测
选取同一批pla粒料，最大尺寸约为5mm。使用酒精对其表面进行清洗，置于已经配置好盛放2m(mol/l)的mncl2水溶液的透明容器中，待悬浮稳定后，使用摄像机悬浮高度，并测量。使用同一批次的其他pla粒料颗粒，共重复5次实验，悬浮高度z分别为13.01mm、13.15mm、13.26mm、12.96mm和13.02mm。
将上述z值分别代入公式：
其中，pla粒料的磁化率χs以0值代入，计算出pla粒料的平均密度值为1.255g/cm3。
使用密度计对pla粒料进行密度测量，结果为1.253g/cm3，磁悬浮检测装置与密度计结果相差0.16％，说明上述磁悬浮检测方法的测量结果准确。
2、对大尺寸物质的密度检测
选择同一批碳纤维复合材料零件进行密度检测，被检测的碳纤维复合材料零件材质相同，直径分别为10mm、15mm以及20mm的三种圆片零件，厚度均为2mm。采用酒精对其表面进行清洗，烘干后依次放入上述实验装置进行检测，溶液选取5m(mol/l)的氯化锰的水溶液，密度为1.477g/cm3，磁化率为8.85×10-4，待悬浮稳定后，使用摄像机记录悬浮高度，并测量，重复5次实验。
实验结果表明，不同形状的碳纤维复合材料零件的5次重复实验的悬浮高度基本一致，平均悬浮高度z均为18.74mm。
将上述z值分别代入公式：
其中，碳纤维复合材料零件的磁化率χs以0值代入，计算出碳纤维复合材料零件的平均密度值为1.503g/cm3，与密度计测得的结果(1.501g/cm3)相吻合。
实施例2
如图1所示，一种基于磁铁阵列的大型磁悬浮检测装置，包括上下设置的两组同极对置的磁铁阵列4，约束磁铁阵列4的外框架1、以及装有顺磁性介质的透明容器(图中未示出)。
两个磁铁阵列4同轴设置，且引力场上下对齐。每组磁铁阵列4由八块方形磁铁组成，并由铁板5和收纳器3共同作用将其可拆卸安装于外框架1上。透明容器放置于两组磁铁阵列4之间。透明容器对应的位置还设有摄像机，用于记录检测物质的悬浮高度。摄像机单独设置，工作时调节适当记录位置即可。
安装时，先将磁铁充磁后在铁板5上组成磁铁阵列4，再用收纳器3将磁铁阵列4限定在铁板5上，此时收纳器3与铁板5组成磁铁阵列4的安装盒，后将安装盒装在外框架1上，安装完成，同一磁铁阵列4中的磁铁的充磁方向相同。
如图2所示，根据安培分子电流假说，磁场可以假定为由磁铁表面周围的等效电流产生。在磁铁分析中，磁铁相邻表面上的等效电流(图中白色箭头)相互抵消，外表面的其余等效电流(图中其余箭头)在磁体阵列周围形成一个大电流圈，这与同一尺寸的集成方形磁体产生的等效电流相同。因此，可以得出结论，磁铁分析产生的磁场等于磁铁阵列产生的磁场。
实施例3
一种基于磁铁阵列的大型磁悬浮检测装置，包括上下设置的两组同极对置的磁铁阵列9，设于两个磁铁阵列9之间并装有顺磁性介质的透明容器(图中未示出)，分别固定上下两个对应磁铁阵列9的上铁板11和下铁板12，设于上铁板11上方的顶板7，与顶板7螺纹连接且下端与上铁板11固定连接的调节螺杆6。
顶板7通过设于其四角的导向杆8与下铁板12固定连接，上铁板11与四个导向杆8分别滑动连接。安装时，将充磁后的磁铁用螺钉固定在相应的铁板上(上铁板11或下铁板12)，并组成磁铁阵列9，本实施例采用3*3*1的单层阵列结构。
两个磁铁阵列9之间的间距能通过调节螺杆6进行调节，以提供最佳的检测间距。
下铁板12的底部设有万向轮10，实现磁悬浮检测装置的随意移动，提高使用灵活性。
透明容器对应的位置还设有摄像机(图中未示出)，用于记录检测物质的悬浮高度。摄像机单独设置，工作时调节适当记录位置即可。
以上仅为本发明的几个应用实例，并非对适用被测样品范围以及磁铁阵列规模大小的限定。可应用本发明测量的材料，这里无需也无法一一穷举，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
1.一种基于磁铁阵列的大型磁悬浮检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建两组同极对置的磁铁阵列；
(2)将抗磁性样品置于上述两组磁铁阵列之间的装有顺磁性介质的容器中；
(3)待抗磁性样品悬浮稳定后，测量抗磁性样品的悬浮高度；
(4)通过标定实验确定密度计算公式，再计算得出抗磁性样品的密度。
2.根据权利要求1所述的基于磁铁阵列的大型磁悬浮检测方法，其特征在于，两组所述磁铁阵列在两极之间的轴与引力场上下对齐。
3.根据权利要求1所述的基于磁铁阵列的大型磁悬浮检测方法，其特征在于，每组所述磁铁阵列由多个方形磁铁构建得到。
4.根据权利要求1所述的基于磁铁阵列的大型磁悬浮检测方法，其特征在于，每组所述磁铁阵列为单层或多层结构。
5.根据权利要求1所述的基于磁铁阵列的大型磁悬浮检测方法，其特征在于，所述磁铁阵列由钕铁硼永磁铁构建得到。
6.根据权利要求1所述的基于磁铁阵列的大型磁悬浮检测方法，其特征在于，所述抗磁性样品的平均密度为0.50～1.9g/cm3。
7.根据权利要求1所述的基于磁铁阵列的大型磁悬浮检测方法，其特征在于，所述顺磁性介质为mncl2或dycl3的水溶液。
8.根据权利要求1所述的基于磁铁阵列的大型磁悬浮检测方法，其特征在于，步骤(3)中，采用摄像机记录抗磁性样品的悬浮位置，并测量其悬浮高度。
9.根据权利要求1所述的基于磁铁阵列的大型磁悬浮检测方法，其特征在于，所述密度计算公式为：
其中，ρm(g/cm3)是顺磁性介质的密度；g(m/s2)是重力加速度；ρs(g/cm3)是抗磁性样品的密度；χs(无单位)是抗磁性样品的磁化率；χm(无单位)是顺磁性介质的磁化率；μ0＝4π×10-7(n/a2)是自由空间的磁导率；z(mm)是抗磁性样品重心距底部磁铁阵列表面的竖直距离；f(z)为关于z的多项式，由标定实验标定得到。
10.一种基于磁铁阵列的大型磁悬浮检测装置，其特征在于，包括两组同极对置的磁铁阵列以及设于两组磁铁阵列之间的装有顺磁性介质的透明容器。
技术总结