靜態(tài)磁特性參數(shù)的測量研究

杜永蘋， 李 鋒

（1．西安航空技術(shù)高等專科學(xué)校 電 氣工程系， 陜西 西 安 7 10077；2．英飛凌科技西安有限公司 陜 西 西 安 7 10075）

磁性材料的種類繁多、性能各異，磁性材料的磁特性測量成為相關(guān)領(lǐng)域面臨的重要問題之一。軟磁材料的靜態(tài)磁特性測量方法主要有沖擊法、矯頑力計(jì)法等；雖然沖擊法簡單，但測試速度慢；隨著電子技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得數(shù)據(jù)采集、自動化測試技術(shù)飛速發(fā)展。本文根據(jù)傳統(tǒng)沖擊法測量的基本原理，利用單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了軟磁材料磁性測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對軟磁材料磁性的測量，其測量簡單，提高了測量精度。

1 基本測量原理

沖擊法是測量靜態(tài)磁特性參數(shù)的一個重要方法，其基本原理如圖1所示。它包括試樣A為環(huán)形樣品、磁化電路、測量電路和常數(shù)校準(zhǔn)電路4部分。磁化電路由磁化線圈N1及電阻R1、R2、電源U和開關(guān)S1、S2、S3（S1，S2為換向開關(guān)）組成。測量電路，包括測量線圈N2、沖擊檢流計(jì)G、限流電阻Rs和保護(hù)開關(guān)S4等。常數(shù)校準(zhǔn)電路包括標(biāo)準(zhǔn)互感器M、沖擊檢流計(jì)G以及電源電路[1]。

傳統(tǒng)的沖擊法測量中，須利用標(biāo)準(zhǔn)互感器測定沖擊常數(shù)Cφ，對磁性材料進(jìn)行退磁，退磁采用直流換向退磁，反復(fù)改變電流方向，同時(shí)，使電流逐漸減小，直到為零。

圖1 沖擊法測量靜態(tài)磁特性的原理圖

調(diào)節(jié)R1、R2，建立起比較小的磁場H1，然后利用開關(guān)S2，將磁化電流改變?nèi)舾纱危?～8次）進(jìn)行磁鍛煉，再進(jìn)行測量。測量時(shí)將電流的方向急劇地改變，同時(shí)讀取檢流計(jì)的第一次最大偏轉(zhuǎn)角α1，便可測定相應(yīng)的磁通改變量，即

式中，Cφ為沖擊常數(shù)，它由標(biāo)準(zhǔn)互感器預(yù)先測定，N2為測量線圈匝數(shù)，S為試樣截面面積。

環(huán)形樣品的磁場強(qiáng)度的平均值可以根據(jù)安培表的讀數(shù)獲得。

式中，D為環(huán)形試樣平均直徑[3]。

實(shí)驗(yàn)中，沖擊檢流計(jì)的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)是要求必須及時(shí)、準(zhǔn)確的讀取數(shù)據(jù)，但指針式儀表在讀數(shù)時(shí)會產(chǎn)生視覺誤差，因此提出將沖擊檢流計(jì)數(shù)字化，消除讀數(shù)誤差，并且自動保持?jǐn)?shù)據(jù)顯示直到下次測量數(shù)據(jù)到來，此方法簡便、快速、準(zhǔn)確。因此，利用單片機(jī)技術(shù)，對沖擊檢流計(jì)進(jìn)行數(shù)字化改進(jìn)。

2 數(shù)字式?jīng)_擊檢流計(jì)測量基本原理

改進(jìn)后的數(shù)字式?jīng)_擊檢流計(jì)無法測出沖擊常數(shù)，為避開測定沖擊常數(shù)這一項(xiàng)，對測量方法進(jìn)行改進(jìn)。圖2為數(shù)字式?jīng)_擊檢流計(jì)測量原理圖。

圖2 數(shù)字式?jīng)_擊檢流計(jì)測量原理圖

圖2中，標(biāo)準(zhǔn)互感器的互感系數(shù)為0.1 H，環(huán)行形樣品N1的匝數(shù)為120匝，N2為40匝；S2閉合，開關(guān)S1接通環(huán)形樣品時(shí)，若N1通過的電流強(qiáng)度為I，則在線圈N2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，此信號送入數(shù)字式?jīng)_擊檢流計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[4]，并且將檢流計(jì)所遷移的電量送入顯示電路顯示，就可求出磁感應(yīng)強(qiáng)度B[5]。理論推導(dǎo)如下：

則通過式（4）～式（6），得到

式中，N2為副邊匝數(shù)，S為樣品有效截面積，R電阻包括沖擊檢流計(jì)的內(nèi)阻、環(huán)行樣品的電阻及標(biāo)準(zhǔn)互感器次級線圈的電阻R的測量可通過萬用表測得或利用公式計(jì)算。

若斷開環(huán)行樣品，S1接標(biāo)準(zhǔn)互感器，使互感器的初級線圈通過電流I，則產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為

則通過式（8）～式（10）得

R在測量過程中保持不變，M為標(biāo)準(zhǔn)互感器的互感常數(shù)，I0為標(biāo)準(zhǔn)互感器工作電流。所以將式（11）代入式（7）得磁感應(yīng)強(qiáng)度B為

式（12）為改進(jìn)后的公式，可以看出數(shù)字式?jīng)_擊檢流計(jì)測量中，不需測量沖擊常數(shù)。

3 測量結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 測量結(jié)果

經(jīng)過測試，其測量結(jié)果可以看出，當(dāng)勵磁流電流逐漸增大，開關(guān)的狀態(tài)由閉合到斷開，測得電荷量值的變化。例如：當(dāng)勵磁電流為4 mA時(shí)，開關(guān)由閉合到斷開過程中，所測得的電荷量從-21.4 nC變化為21.9 nC；而當(dāng)勵磁電流為100 mA時(shí)，開關(guān)由閉合到斷開過程中，所測得的電荷量從410 nC變化為413.4 nC。

3.2 數(shù)據(jù)處理

沖擊檢流計(jì)的內(nèi)阻、環(huán)行樣品的電阻及標(biāo)準(zhǔn)互感器次級線圈的電阻等也可通過萬用表測得其總電阻值為6.7 kΩ。環(huán)形樣品磁感應(yīng)強(qiáng)度磁場強(qiáng)度其中，μ=3.98為環(huán)行樣品的磁導(dǎo)率，R=8 mm為環(huán)行樣品的平均半徑。利用測量公式可求得N1通過不同的激勵電流時(shí)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。以H為橫坐標(biāo)、B為縱坐標(biāo)可畫出磁化曲線[6]，如圖3所示。

圖3磁化曲線

通過磁化曲線可以得出磁場強(qiáng)度從0增加，樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨之從0增加，每個H值的磁化下都對應(yīng)了一個B值，并且當(dāng)勵磁電流達(dá)到500 mA時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎不變，可認(rèn)為樣品材料內(nèi)部的磁場達(dá)到了飽和值。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)可知，利用數(shù)字式?jīng)_擊檢流計(jì)測靜態(tài)磁特性操作方便、讀數(shù)省事，并且測得的數(shù)據(jù)可以停留在顯示屏上一段時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)操作過程中減少了人為因素，測量精度較高。

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