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TWI403752B - 一種交流磁導率量測裝置及其方法 - Google Patents

一種交流磁導率量測裝置及其方法 Download PDF

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TWI403752B
TWI403752B TW098142680A TW98142680A TWI403752B TW I403752 B TWI403752 B TW I403752B TW 098142680 A TW098142680 A TW 098142680A TW 98142680 A TW98142680 A TW 98142680A TW I403752 B TWI403752 B TW I403752B
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Description

一種交流磁導率量測裝置及其方法
本發明係關於一種交流磁導率測量裝置及其方法，尤指一種用以量測交流磁導率強度和相位差及/或交流磁導率的實部值與虛部值變化值之交流磁導率測量裝置和方法。
當一磁性物質在外加磁場下，物質中的磁偶極(magnetic dipole moment)方向，會因磁作用而傾向沿著外加磁場方向，當外加磁場為交流磁場且交流頻率不太高時，例如微波頻率下的低頻區，其磁偶極的方向會隨著交流磁場作來回週期性震盪，此時磁偶極的震盪頻率與外加交流磁場頻率一樣，但在瞬間磁偶極方向並不一定與外加磁場方向相同，因此造成實際的磁場方向與預期磁場方向不符合的情形，此種週期性震盪相位差異即所謂的磁場相位差，而一個磁性物質在交流磁場中的交流磁導率，可以利用該磁性物質的磁導率強度與相位差來加以呈現表示。
習知之磁特性量測裝置，例如美國公告專利6,683,452所揭露的一種利用磁通量密度偵測金屬內部缺陷或金屬形狀之裝置，該裝置包含一磁場產生裝置、一磁通量密度測量單元、一磁通量變化測量單元及一顯示單元，該顯示單元進一步包含具一對時部份(synchronic portion)、一訊號放大裝置(amplification portion)、一類比訊號轉數位訊號之訊號轉換部分(conversion portion)、一顯像部分(display portion)，藉由分析來自磁場產生器與磁通量測量單元之訊號，呈現即時磁通量密度變化之結果。但該測量磁通量之裝置係用於磁通量測量，無法藉由該裝置測量出交流磁導率與磁場相位差。
又如美國公開專利20090102458所揭露之磁導率(magnetic permeability)測量裝置，當磁性材料置於磁性環境下時會與該磁場產生交互作用，該裝置雖能測量磁性材料產生之磁導率，但該裝置並不能測量出磁場相位差、交流磁導率的實部與虛部值。而本發明之裝置與美國公開專利20090102458所揭露之磁導率測量裝置相比，除可測量待測物質之磁導率強度與相位差外，進一步計算出交流磁導率實部與虛部值，再進一步可測量待測物質之交流磁導率在不同頻率下之變化關係。
再如美國公告專利7,541,805係一種包括超導量子干涉元件之磁性特徵測量系統，當待測樣本被置於交流磁場時，超導量子干涉元件會偵測超導拾取線圈產生的磁通量變化，然後輸出一個交流訊號，該訊號包括實部訊號及虛部訊號，若與參考電壓的訊號不一致時，該實部與虛部訊號會不正確地分離，而得知該測量結果須經相位調整以減少誤差，故雖然該測量系統的訊號包括實部訊號及虛部訊號，但僅用於判斷是否需要進一步進行相位調整，其目的在於減少其相位差，使測量結果較精確，該習知裝置並未能測量磁導率強度與相位差在不同頻率下之變化關係，且無法藉由該裝置得到交流磁導率實部與虛部的數值。再者美國公告專利7,541,805所使用含超導量子干涉元件之磁性特徵測量系統，其造價昂貴，而且操作條件嚴苛，僅適用於精密儀器室，不適合沒有精密儀器室的產業界或一般學界的初階用途。而本發明之裝置與美國公告專利7,541,805所揭露之超導量子干涉元件之磁性特徵測量系統相比，除可測量待測物質之磁導率強度與相位差外，進一步計算出交流磁導率實部與虛部值，再進一步可測量待測物質之交流磁導率在不同頻率下之變化關係。
本發明利用一簡單結構之交流磁導率線圈組，即可克服如前案美國公告專利6,683,452和美國公開專利20090102458的上述缺點(無法測量待測物質之磁導率強度與相位差、交流磁導率實部與虛部值，待測物質之交流磁導率在不同頻率下之變化關係)。此外，本發明亦同時克服如美國公告專利7,541,805等需造價昂貴，而且操作條件嚴苛，只適用於精密儀器室的缺點。
本發明之一目的在於提供一種交流磁導率測量裝置，用以進行測量待測物質在交流磁場內的交流磁導率強度或相位差變化。
本發明之另一目的在於提供一種含交流磁導率線圈組之交流磁導率測量裝置，用以測量待測物質在交流磁場內交流磁導率強度或相位差。
本發明之另一目的在於提供一種交流磁導率測量裝置，用以測量一待測物質在提供不同頻率之交流磁場內的交流磁導率變化。
本發明之另一目的在於提供一種交流磁導率測量裝置，用以測量一待測物質在提供不同頻率交流磁場內，其交流磁導率的實部與虛部之變化。
本發明之另一目的在於提供一種測量待測物質之交流磁導率強度訊號與相位訊號的交流磁導率測量方法。
本發明之又另一目的在於提供一種測量待測物質之交流磁導率的實部與虛部之變化的交流磁導率測量方法。
本發明之另一目的在於提供一種測量待測物質在不同頻率之交流磁場內的交流磁導率變化的交流磁導率測量方法。
為達上述目的，本發明之實現技術如下：一種交流磁導率測量裝置，其包括：一函數產生器，用以產生交流電訊號；一交流磁導率線圈組，其至少包括：一激發線圈，用以連接該函數產生器，並依該函數產生器的交流電訊號變化，產生交流磁場；及一拾取線圈，用以拾取待測物因該激發線圈的交流磁場變化所感應的交流磁導訊號；一訊號擷取單元，用以擷取該拾取線圈所擷取的交流磁導訊號；及一訊號處理單元，用以處理來自該訊號擷取單元之交流磁導率訊號，並計算出交流磁導率強度與相位差，及/或交流磁導率的實部值與虛部值。
上述之函數產生器，其可為任意習知的函數產生器，例如國內固緯電子實業股份有限公司(Good Will Instrument Co.,Ltd)生產的SFG-1000系列函數產生器、美國Stanford Research Systems,Inc.的產品SRS DS335等。
上述之激發線圈，其可為任意適用的市售線圈，例如荷姆霍茲線圈；或自製的激發線圈如螺線管線圈等，該自製激發線圈時，可採用任意習知的適用材質製造，例如先以塑鋼材料加工，外圍再經銅線圍繞，即成激發線圈。
上述該交流磁導率線圈組之激發線圈和該函數產生器之連接方式可為電氣連接，例如激發線圈連接於函數產生器，或函數產生器激發線圈連接於之激發線圈，用以使該激發線圈產生一交流磁場。
上述之拾取線圈可為自製之拾取線圈，或任意習知之拾取線圈，以梯度式線圈或法拉第線圈為較佳。
上述該拾取線圈相對於該該激發線圈位置，為任意可以順利產生感應的相對位置，但以拾取線圈位於該該激發線圈中央為較佳，以同軸為更佳。
上述該訊號擷取單元可為任意習知之訊號擷取單元，例如美商國家儀器股份有限公司(National Instruments)的產品NI PCI-6221。
上述該訊號處理單元可為軟體、韌體、或硬體式的訊號處理單元，以軟體或韌體為較佳。為強化時域訊號和頻譜訊號的處理能力，以含快速傅立葉轉換程式為更佳。
上述之交流磁導率測量裝置，可進一步包括一訊號放大電路，將拾取線圈的輸出訊號放大後，再被訊號擷取單元擷取，以提升微小訊號之擷取靈敏度，最後經訊號處理單元將該交流磁導訊號轉換為頻譜訊號輸出。該訊號放大電路可為任意習知的訊號放大電路，以可調整放大倍率的訊號放大電路為較佳。又，該訊號放大電路亦可直接和該訊號擷取單元構成一單一的電路。
上述交流磁導率測量裝置的測量結果，可以儲存於記憶體、儲存裝置，或直接顯示於顯示器上，因此該交流磁導率測量裝置可進一步包括一顯示單元，用以顯示量測結果，及/或一儲存單元，用以儲存測量結果。當然，也可以將測量結果儲存於外接的儲存裝置，或顯示於外接的顯示裝置。
上述之交流磁導率測量裝置，可進一步包括一耦合於交流磁導率線圈組之分壓相抵電路，其中該分壓相抵電路連接至該交流磁導線圈組之拾取線圈，用以消除該激發線圈所產生之交流磁場對該拾取線圈輸出訊號的影響，而該輸出訊號會再由該訊號擷取單元擷取，最後經該訊號處理單元將該交流磁導訊號轉換為頻譜訊號輸出。
又，一般電機/電子/物理/材料等相關實驗室，大都備有函數產生器，因此，為配合該等情況，本發明之另一交流磁導率測量裝置為一可外接函數產生器之交流磁導率測量裝置，其包括：一交流磁導率線圈組，其至少包括：一激發線圈，用以外接一函數產生器，進而依該外接的函數產生器的交流電訊號產生交流磁場；及一拾取線圈，用以拾取待測物因該激發線圈的交流磁場變化所感應的交流磁導訊號；一訊號擷取單元，用以擷取該拾取線圈所擷取的交流磁導訊號；及一訊號處理單元，用以處理來自該訊號擷取單元之交流磁導率訊號，並計算出交流磁導率強度與相位差，及/或交流磁導率的實部值與虛部值。
上述該激發線圈、拾取線圈、訊號擷取單元、訊號處理單元均如前述，其連結關係亦如前述。
上述外接函數產生器式交流磁導率測量裝置亦如前述，以進一步含訊號放大電路、及/或分壓相抵電路，其功能及連結方式如前述。
本發明同時包括一種交流磁導率之測量方法，該測量方法包括：一交流磁導率測量步驟，用以分別測量待測物之交流磁導訊號及對照物之交流磁導訊號；一第一訊號轉換步驟，用以將該交流磁導率測量步驟所測得之該待測物交流磁導訊號及對照物交流磁導訊號，分別轉換成待測物之頻譜訊號及對照物之頻譜訊號；一第二訊號轉換步驟，用以將該第一訊號轉換步驟轉換所得之該待測物頻譜訊號及對照物頻譜訊號，分別轉換成待測物時域訊號及對照物時域訊號；一減法運算步驟，其係對該第二訊號轉換步驟轉換所得之該待測物時域訊號及對照物時域訊號進行減法運算，以得到該待測物之時域訊號差值；一差值轉換步驟，其係將該待測物之時域訊號差值轉換成該待測物之頻譜訊號；及一時域訊號差值輸出步驟，用以將該時域訊號差值輸出；其中，該交流磁導率測量步驟、第一訊號轉換步驟、第二訊號轉換步驟之執行順序可為依序執行或交錯執行。
上述所謂對照物，一般而言係指空氣，當然亦可依需要，改成特定的對照物，例如特定的氣體。
上述交流磁導率測量步驟中，測量待測物之交流磁導訊號和對照物之交流磁導訊號之順序，沒有一定限制。
上述第一訊號轉換步驟中，將該待測物之交流磁導訊號轉換成頻譜訊號，和將該對照物之交流磁導訊號轉換成頻譜訊號，其順序沒有一定限制。
上述第二訊號轉換步驟中，將該待測物之頻譜訊號轉換成時域訊號，和將該對照物之頻譜訊號轉換成時域訊號，其順序沒有一定限制。
上述所謂該交流磁導率測量步驟、第一訊號轉換步驟、第二訊號轉換步驟之執行順序可為依序執行，係指交流磁導率測量步驟執行完後，再執行第一訊號轉換步驟，執行完第一訊號轉換步驟後，再執行第二訊號轉換步驟。
上述所謂該交流磁導率測量步驟、第一訊號轉換步驟、第二訊號轉換步驟之執行順序可為交錯執行，以交流磁導率測量步驟、第一訊號轉換步驟交錯執行為例，係指交流磁導率測量步驟執行一部份時，就執行第一訊號轉換步驟的一部分，例如測量待測物之交流磁導率後，就將該待測物之交流磁導率轉換成頻譜訊號，而後再測量對照物之交流磁導率，並將該對照物之交流磁導率轉換成頻譜訊號；當然其中待測物和對照物的順序可以對調，亦即測量對照物之交流磁導率後，就將該對照物之交流磁導率轉換成頻譜訊號，而後再測量待測物之交流磁導率，並將該待測物之交流磁導率轉換成頻譜訊號。
同理，可以推知第一訊號轉換步驟和第二訊號轉換步驟交錯執行的方式為第一訊號轉換步驟執行一部份時，就執行第二訊號轉換步驟的一部分，例如將待測物之交流磁導率轉換成頻譜訊號後，就將該待測物之頻譜訊號轉換成時域訊號，而後再將對照物之交流磁導率轉換成頻譜訊號，並將該對照物之頻譜訊號轉換成時域訊號；當然其中待測物和對照物的順序可以對調，亦即將對照物之交流磁導率轉換成頻譜訊號後，就將該對照物之頻譜訊號轉換成時域訊號，而後再將待測物之交流磁導率轉換成頻譜訊號，並將該待測物之頻譜訊號轉換成時域訊號。
熟知此項技藝人士均可由本發明方法推知：第一訊號轉換步驟和第二訊號轉換步驟之執行順序，亦可為平行執行，例如採用雙核心技術，利用其中一核心執行待測物的第一訊號轉換步驟和第二訊號轉換步驟，另一核心執行對照物的第一訊號轉換步驟和第二訊號轉換步驟。
上述所謂交流磁導率測量步驟、第一訊號轉換步驟、第二訊號轉換步驟之執行順序可為依序執行或交錯執行，係指可完全依序執行、完全交錯執行、或部分依序執行部分交錯執行，以完全交錯執行為較佳。
上述所謂完全交錯執行係指：對待測物依序執行交流磁導率測量步驟、第一訊號轉換步驟、第二訊號轉換步驟後，再對對照物依序執行交流磁導率測量步驟、第一訊號轉換步驟、第二訊號轉換步驟，參見圖九及其說明；或對對照物依序執行交流磁導率測量步驟、第一訊號轉換步驟、第二訊號轉換步驟後，再對待測物依序執行交流磁導率測量步驟、第一訊號轉換步驟、第二訊號轉換步驟，參見圖十及其說明。
上述所謂部分依序執行部分交錯執行方式例如：執行交流磁導率測量步驟後，再交錯執行第一訊號轉換步驟和第二訊號轉換步驟；交錯執行交流磁導率測量步驟和第一訊號轉換步驟後，再執行第二訊號轉換步驟。
依據本發明之交流磁導率之測量方法，可於依序或交錯執行交流磁導率測量步驟、第一訊號轉換步驟、第二訊號轉換步驟後，將該待測物之時域訊號及對照物之時域訊號再進行減法運算，以得到該待測物之時域訊號差值；最後再轉換成該待測物之頻譜訊號差值輸出。
為使本發明之交流磁導率之測量裝置及方法與上述其他目的、特徵及功效能更明顯易懂，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明一詳細說明如下。
依本發明之交流磁導率測量裝置之一具體實施例，請參閱圖一，為本發明實施態樣之交流磁導率之測量裝置示意圖，藉由一內建於該交流磁導率測量裝置內之函數產生器(200)，提供一個交流電壓至交流磁導率線圈組(300)，使該交流磁導率線圈組(300)中有交流電流導通，進而在該交流磁導率線圈組(300)內產生交流磁場。將欲測量之物質置於該交流磁導率線圈組(300)內之後，該交流磁導率線圈組(300)內之交流磁場會隨之改變，而產生一交流磁導率訊號。上述來自交流磁導率線圈組(300)之交流磁導率訊號會再經過訊號擷取單元(400)擷取至訊號處理單元(500)，並藉由該訊號處理單元(500)中的轉換系統，如傅立葉轉換硬體、傅立葉轉換軟體或傅立葉轉換韌體等進行轉換，使該欲測量之物質之交流磁導率訊號轉換為交流磁導率強度與相位差，且進一步可將該交流磁導率強度訊號以交流磁導率實部訊號與交流磁導率虛部訊號表示交流磁導之實部及虛部值。另外，透過改變函數產生器(200)輸出之交流電壓頻率，可測量物質於不同強度之磁場內的磁導率，進一步建立該欲測量之物質之交流磁導率與外加磁場頻率間的關係圖，並可將該處理完之訊號輸出至外部顯示裝置如個人電腦、液晶螢幕或電視呈現。
圖二為圖一所示較佳具體實施例之交流磁導線圈組結構示意圖，圖中含一待測物質(100)，首先可將該一待測物質(100)置入於交流磁導率線圈組(300)中，該交流磁導率線圈組(300)中之拾取線圈(300a)係為梯度式法拉第線圈，其使用塑鋼材料製作管體，再以銅線圍繞而成，管體可分為上下兩段的圍繞方向相反成型，而該拾取線圈(300a)並用以來擷取待測物質(100)交流磁導率訊號，而該拾取線圈(300a)外圍再包覆一層激發線圈(300b)，該激發線圈(300b)係為塑鋼材料加工其外圍再經銅線圍繞而成，該激發線圈(300b)可連接至函數產生器(200)，用以使該激發線圈(300b)產生一交流磁場，該交流磁導率訊號穿透拾取線圈(300a)所圍成的平面磁通量，會隨時間做週期性變化，使得該拾取線圈(300a)隨之產生一週期性交流電壓，且該交流電壓之振幅大小的乘積係正比於交流變化頻率及交流磁訊號大小，故可藉由該拾取線圈(300a)所輸出的電壓而得知待測物質(100)在已知交流頻率下所產生的交流磁導率訊號。
依本發明之交流磁導率測量裝置之一具體實施例，請參閱圖三，為本發明實施態樣之交流磁導率之另一測量裝置示意圖，藉由一外接式電源，如函數產生器(200)等交流電源供應器，提供一交流電壓至交流磁導率線圈組(300)，使該交流磁導率線圈組(300)中有交流電流導通，進而在該交流磁導率線圈組(300)內產生交流磁場。將上述該一待測物質(100)置於該交流磁導率線圈組(300)內。上述來自交流磁導率線圈組(300)之交流磁導訊號會再經過訊號擷取單元(400)擷取至訊號處理單元(500)，藉由該訊號處理單元(500)中的轉換系統，如傅立葉轉換硬體、傅立葉轉換軟體或傅立葉轉換韌體等進行轉換，使該待測物質(100)之交流磁導率訊號轉換為交流磁導率強度與相位差，且進一步可將該交流磁導率強度訊號以交流磁導率實部訊號與交流磁導率虛部訊號表示交流磁導之實部及虛部值。另外，透過改變函數產生器(200)輸出之交流電壓頻率，可測量該待測物質(100)於不同強度之磁場內的磁導率，進一步建立待測物質(100)交流磁導率與外加磁場頻率間的關係圖，並可將該處理完之訊號輸出至外部顯示裝置如個人電腦、液晶螢幕或電視呈現。
接續上述之實施例，如圖四所示，為本發明實施態樣之交流磁導率之又一測量裝置示意圖，藉由一電源，如函數產生器(200)等交流電源供應器，提供一個交流電壓至交流磁導率線圈組(300)，使該交流磁導率線圈組(300)中有交流電流導通，進而在該交流磁導率線圈組(300)內產生交流磁場。將上述該一待測物質(100)置於該交流磁導率線圈組(300)內，因受到交流磁場的作用，該待測物質(100)會被激發產生一交流磁導率訊號，可藉由交流磁導率線圈組(300)之拾取線圈(300a)所輸出的週期性交流電壓而得知待測物質(100)在已知交流頻率下所產生的交流磁導率訊號，如前揭圖三之說明，而為消除由激發線圈(300b)所產生之交流磁場對拾取線圈(300a)輸出訊號的影響，因此本實施態樣之拾取線圈(300a)進一步連接至一分壓相抵電路(600)，將拾取線圈(300a)輸出的交流電壓，通過分壓相抵電路(600)後，再經過訊號擷取單元(400)擷取至訊號處理單元(500)，藉由該訊號處理單元(500)中的轉換系統，如傅立葉轉換硬體、傅立葉轉換軟體或韌體，可將經過訊號擷取單元(400)擷取至訊號處理單元(500)的瞬時電壓訊號進行轉為頻譜訊號，再進以數值分析在該交流磁導率線圈組(300)內所產生交流頻率下待測物質(100)的交流磁導的實部及虛部大小或交流磁導率強度與相位差之關係，透過改變由函數產生器(200)所輸出之不同交流電壓頻率，可進一步建立待測物質(100)交流磁導率與外加磁場頻率間的關係圖，並可將該處理完之訊號輸出至外部顯示裝置如個人電腦、液晶螢幕或電視呈現。
依本發明之交流磁導率之測量裝置的另一具體實施例，如圖五所示，為本發明一交流磁導率測量裝置，藉由一電源，如函數產生器(200)等交流電源供應器，提供一個交流電壓至交流磁導率線圈組(300)，以使交流磁導率線圈組(300)中有交流電流導通，進而在交流磁導率線圈組(300)內產生交流磁場。將一待測物質(100)置於此交流磁導率線圈組(300)內，因受到交流磁場的作用，該待測物質(100)會被引發產生交流磁導率之訊號。而為消除由激發線圈(300b)所產生之交流磁場對拾取線圈(300a)輸出訊號的影響，因此如圖四實施態樣之說明，該拾取線圈(300a)連結至一分壓相抵電路(600)，將該拾取線圈(300a)輸出的交流電壓，通過分壓相抵電路(600)後，本實施態樣更進一步將經分壓相抵電路(600)之輸出電壓輸入至訊號放大電路(700)，以增加雜訊比，再經過訊號擷取單元(400)，將訊號擷取至訊號轉換單元如傅立葉轉換硬體、傅立葉轉換軟體或韌體，使交流磁導訊號轉為頻譜訊號，以分析不同交流頻率下，待測物質(100)交流磁導的實部與虛部大小或交流磁導率強度與相位差之變化關係，並可將此變化關係，經外加的顯示裝置呈現，該外部顯示裝置如個人電腦、液晶螢幕或電視。
接續上述之實施例，圖六可進一步說明上述實施例中，該交流磁導率測量裝置中分壓相抵電路(600)與交流磁導率線圈組(300)中之拾取線圈(300a)之聯結關係，如圖三說明中所示，該拾取線圈(300a)係由多段線圈組成，該拾取線圈(300a)係為梯度式法拉第線圈，其使用塑鋼材料製作管體，再以銅線圍繞而成，管體可分為上下兩段的圍繞方向相反成型，在該梯度式法拉第線圈的上下兩段各分別串接至分壓相抵電路(600)之一電阻及一可變電阻，而圖中所使用之電阻為5kΩ，可變電阻為100Ω，該分壓相抵電路(600)可使用不同歐姆值之電阻與串接方式，並不以此實施例為限。當待測物質(100)置於交流磁導率線圈組(300)內，因受到交流磁場的作用，該待測物質(100)會被激發產生交流磁導率之訊號，且由拾取線圈(300a)將此交流磁導率訊號轉換成交流電壓訊號，該交流電壓訊號通過分壓相抵電路(600)後，擷取各電阻的分壓進行相減，用以消除由激發線圈(300b)所產生之交流磁場對拾取線圈(300a)輸出訊號的影響，最後經由分壓相抵電路(600)之A、B兩端輸出電壓。
如圖七所示，為依據本發明實施態樣之一種測量待測物質(100)之交流磁導率之量測方法。首先，在同一時間進行無待測物質(100)時之交流磁導率訊號測量步驟(S710)與置入待測物質(100)時之交流磁導率訊號測量步驟(S714)，得到無待測物質(100)時之交流磁導率訊號及置入待測物質(100)時之交流磁導率訊號；再接續進行步驟(S711)與(S715)，將上述交流磁導率訊號經過快速傅立葉轉換為頻譜訊號，並於步驟(S712)與(S716)產生無待測物質(100)時之磁導率強度χo,air 、無待測物質(100)時之相位差Φair 、置入待測物質(100)時之磁導率強度χo,mix 與置入待測物質(100)時之相位差Φmix 。然後接續進行下一步驟(S713)與(S717)，將無待測物質(100)時之磁導率強度χo,air 、無待測物質(100)時之相位差Φair 、置入待測物質(100)時之磁導率強度χo,mix 與置入待測物質(100)時之相位差Φmix 轉換成時域訊號。再接下來將步驟(S713)所得之無待測物質(100)時之時域訊號與步驟(S717)所得之置入待測物質(100)後之時域訊號進行減法運算，如步驟(S718)，可得到一待測物質(100)之時域訊號差值，並進行快速傅立葉轉換。最後，進行下一步驟(S719)，產生待測物質(100)之磁導率強度χo,sample 及相位差Φsample ，並且依據測量之磁導率的振幅與相對於外加磁場的相位計算出該待測物質(100)之交流磁導率強度訊號實部值與交流磁導率虛部訊號。
如圖八所示，為依據本發明實施態樣之另一種測量待測物質(100)之交流磁導率之量測方法，首先進行步驟(S810)，測量無待測物質(100)之交流磁導率；接著於步驟(S811)將該無待測物質(100)時之交流磁導率訊號經快速傅立葉轉換為頻譜訊號，並於在下一步驟(S812)產生一磁導率強度χo,air 及相位差Φair ；之後進行時域頻譜轉換步驟(S813)，將該無待測物質(100)時之頻譜訊號轉換成時域訊號。
待上述無待測物質(100)時之交流磁導率訊號測量步驟完成後，接續進行步驟(S814)，置入待測物質(100)並測量其交流磁導率；接著進行步驟(S815)，將該交流磁導率訊號經快速傅立葉轉換為頻譜訊號，並於下一步驟(S816)中產生一磁導率強度χo,mix 及相位差Φmix ；之後進行時域頻譜轉換步驟(S817)，將該置入待測物質(100)後之頻譜訊號轉換成時域訊號。
再接下來將步驟(S813)所得之無待測物質(100)時之時域訊號與步驟(S817)所得之置入待測物質(100)後之時域訊號進行減法運算，如步驟(S818)，可得到一待測物質(100)時域訊號差值，並進行快速傅立葉轉換。最後，再進行下一步驟(S819)，產生待測物質(100)之磁導率強度χo,sample 及相位差Φsample ，且依據測量之磁導率的振幅與相對於外加磁場的相位計算出該待測物質(100)之交流磁導率強度訊號實部值與交流磁導率虛部訊號。
如圖九所示，為依據本發明實施態樣之另一種測量待測物質(100)之交流磁導率之量測方法，首先量測步驟(S914)，置入待測物質(100)並測量其交流磁導率；接著進行步驟(S915)，將該交流磁導率訊號經快速傅立葉轉換為頻譜訊號，並於下一步驟(S916)中產生一磁導率強度χo,mix 及相位差Φmix ；之後進行時域頻譜轉換步驟(S917)，將該置入待測物質(100)後之頻譜訊號轉換成時域訊號。
待上述置入待測物質(100)時之交流磁導率訊號測量步驟完成後，接續將該待測物質(100)移除並進行步驟(S910)，測量交流磁導率；接著於步驟(S911)將該無待測物質(100)時之交流磁導率訊號經快速傅立葉轉換為頻譜訊號，並於在下一步驟(S912)產生一磁導率強度χo,air 及相位差Φair ；之後進行時域頻譜轉換步驟(S913)，將該無待測物質(100)時之頻譜訊號轉換成時域訊號。
再接下來將步驟(S917)所得之置入待測物質(100)後之時域訊號與步驟(S913)所得之無待測物質(100)時之時域訊號進行減法運算，如步驟(S918)，可得到一待測物質(100)之域訊號差值，並進行快速傅立葉轉換。最後，再進行下一步驟(S919)，產生待測物質(100)之磁導率強度χo,sample 及相位差Φsample ，且依據測量之磁導率的振幅與相對於外加磁場的相位計算出該待測物質(100)之交流磁導率強度訊號實部值與交流磁導率虛部訊號。
依據上述本發明之交流磁導率量測裝置及量測方法，提供一磁性流體之量測實驗例，惟本發明可測量的待測物質(100)之狀態與待測物質之種類並不限於此，即固態、液態、氣態之磁性與非磁性物質皆可利用本發明之交流磁導率量測裝置測量其交流磁導率。
本實驗係量測不同磁性濃度之磁性流體，其磁導率隨外加磁場頻率的變化行為。所取用的磁性流體為煤油基，濃度分別為6.0emu/g、3.6emu/g、2.0emu/g、及1.2emu/g。經由本發明之交流磁導率量測裝置，量測這四種濃度磁性流體的交流磁導率強度與相位隨外加磁場頻率的變化關係圖，如圖十所示，其中，如圖十之上方圖為四種濃度之磁性流體的交流磁導率強度(χo )隋外加磁場頻率之變化關係，下方圖為磁性流體磁偶極與外加磁場間的相位差(θ)隨外加磁場頻率之變化關係，所顯示的相位差(θ)均為負數，這表示磁性流體磁偶極(M)方向，都與外加磁場(H)方向不一致，並且是落後於外加磁場，如圖十一所示。
此外，依據上述之實際量測磁性流體之實驗例，可測得實際量測磁性流體磁導率實部及虛部隨外加磁場頻率的變化。並如圖十二所示，可區分此四種濃度之磁性流體之交流磁導率實部(Re[χac,o ])與虛部(Im[χac,o ])隨外加磁場頻率之變化關係圖。
在詳細說明上述本發明的各項較佳實施例之後，熟悉該項技術人士可清楚的瞭解，在不脫離下述申請專利範圍與精神下可進行各種變化與改變，亦不受限於說明書之實施例的實施方式。
100．．．待測物質
200．．．函數產生器
300．．．交流磁導率線圈組
300a．．．拾取線圈
300b．．．激發線圈
400．．．訊號擷取單元
500．．．訊號處理單元
600．．．分壓相抵電路
700．．．放大電路
圖一為本發明交流磁導率測量裝置一較佳具體實施例示意圖。
圖二為圖一所示較佳具體實施例之交流磁導線圈組結構與待測物質相對位置圖示。
圖三為本發明實施態樣之另一交流磁導率測量裝置架構示意圖。
圖四為依據本發明實施態樣之又一交流磁導率測量裝置架構示意圖。
圖五為依據本發明實施態樣之再一交流磁導率測量裝置架構示意圖。
圖六為依據本發明實施態樣之拾取線圈與分壓相抵電路結合示意圖。
圖七為依據本發明實施態樣之一種交流磁導率測量方法流程圖。
圖八為依據本發明實施態樣之另一之交流磁導率測量方法流程圖。
圖九為依據本發明實施態樣之又一交流磁導率測量方法流程圖。
圖十為依據本發明實施態樣之偵測不同濃度磁性流體的交流磁導率強度與相位，隨外加磁場頻率的變化關係圖。
圖十一為依據本發明實施態樣之偵測磁性流體磁偶極與外加磁場間的相位差關係圖。
圖十二為依據本發明實施態樣之偵測磁性流體磁導率實部及虛部隨外加磁場頻率的變化關係圖。
300．．．交流磁導率線圈組
400．．．訊號擷取單元
500．．．訊號處理單元
600．．．分壓相抵電路
700．．．放大電路

Claims (16)

  1. 一種交流磁導率測量裝置，其包括：一交流磁導率線圈組，其至少包括：一激發線圈，用以外接一函數產生器，並依該函數產生器的交流電訊號變化，產生交流磁場；及一拾取線圈，用以拾取待測物因該激發線圈的交流磁場變化所感應的交流磁導訊號；一訊號擷取單元，用以擷取該拾取線圈所擷取的交流磁導訊號；及一訊號處理單元，用以處理來自該訊號擷取單元之交流磁導率訊號，並計算出交流磁導率強度與相位差，及/或交流磁導率的實部值與虛部值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之交流磁導率測量裝置，該交流磁導率線圈組近一步包括至少一輸入埠，用以外接函數產生器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之交流磁導率測量裝置，該訊號處理單元將該交流磁導率訊號進一步經快速傅立葉轉換為頻譜訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之交流磁導率測量裝置，其中該激發線圈為螺線管線圈或荷姆霍茲線圈。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之交流磁導率測量裝置，其中該拾取線圈為梯度式線圈或法拉第式線圈。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之交流磁導率測量裝置，該交流磁 導率測量裝置進一步包括一訊號放大電路，該訊號放大電路串接於該交流磁導率線圈組與該訊號截取單元之間。
  7. 如申請專利範圍第1、2、3、4、5或6項所述之交流磁導率測量裝置，其中該交流磁導率裝置再進一步包括一耦合於交流磁導率線圈組之分壓相抵電路。
  8. 一種交流磁導率測量裝置，其包括：一函數產生器，用以產生交流電訊號；一交流磁導率線圈組，其至少包括：一激發線圈，用以依該函數產生器的交流電訊號變化，產生交流磁場；及一拾取線圈，用以拾取待測物因該激發線圈的交流磁場變化所感應的交流磁導訊號；一訊號擷取單元，用以擷取該拾取線圈所擷取的交流磁導訊號；及一訊號處理單元，用以處理來自該訊號擷取單元之交流磁導率訊號，並計算出交流磁導率強度與相位差，及/或交流磁導率的實部值與虛部值。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之交流磁導率測量裝置，該訊號處理單元將該交流磁導率訊號進一步經快速傅立葉轉換為頻譜訊號。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之交流磁導率測量裝置，其中該激發線圈為螺線管線圈或荷姆霍茲線圈。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之交流磁導率測量裝置，其中該拾取線圈為梯度式線圈或法拉第式線圈。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之交流磁導率測量裝置，其中該交流磁導率測量裝置進一步包括一訊號放大電路，該訊號放大電路串接於該交流磁導率線圈組與該訊號截取單元之間。
  13. 如申請專利範圍第8、9、10、11或12項所述之交流磁導率測量裝置，其中該交流磁導率裝置再進一步包括一耦合於交流磁導率線圈組之分壓相抵電路。
  14. 一種交流磁導率之測量方法，其包括：一交流磁導率測量步驟，用以分別測量待測物之交流磁導訊號及對照物之交流磁導訊號；一第一訊號轉換步驟，用以將該交流磁導率測量步驟所測得之該待測物交流磁導訊號及對照物交流磁導訊號，分別轉換成待測物之頻譜訊號及對照物之頻譜訊號；一第二訊號轉換步驟，用以將該第一訊號轉換步驟轉換所得之該待測物頻譜訊號及對照物頻譜訊號，分別轉換成待測物時域訊號及對照物時域訊號；一減法運算步驟，其係對該第二訊號轉換步驟轉換所得之該待測物時域訊號及對照物時域訊號進行減法運算，以得到該待測物之時域訊號差值；一差值轉換步驟，其係將該待測物之時域訊號差值轉換成該待測物之頻譜訊號；及 一時域訊號差值輸出步驟，用以將該時域訊號差值輸出；其中，該交流磁導率測量步驟、第一訊號轉換步驟、第二訊號轉換步驟之執行順序可為依序執行或交錯執行。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之交流磁導率之測量方法，其中該待測物質頻譜訊號包括交流磁導率強度訊號與相位訊號。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之交流磁導率之測量方法，該待測物質交流磁導率強度訊號進一步以交流磁導率實部訊號與交流磁導率虛部訊號表示。
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