一種高精度磁性參數(shù)測(cè)試儀設(shè)計(jì)

陳 毅， 徐 勇， 張毅磊， 羅 堅(jiān)

(1.湖南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410082； 2.中南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引 言

在特定磁化裝置產(chǎn)生的磁化場(chǎng)作用下，磁性材料被磁化到飽和，當(dāng)磁化場(chǎng)減弱為零時(shí)，樣品上仍然能保留較強(qiáng)剩磁的材料被稱為永磁材料。傳統(tǒng)的磁性參數(shù)測(cè)試儀測(cè)試永磁材料采用模擬積分器的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)信號(hào)的積分，同時(shí)采用硬件電路實(shí)現(xiàn)對(duì)積分器的調(diào)零和補(bǔ)償。模擬積分器的零漂是難以克服的，硬件調(diào)零和補(bǔ)償也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度[1～3]。因此,傳統(tǒng)磁性參數(shù)測(cè)試儀具有測(cè)試誤差較大，性能不穩(wěn)定、手動(dòng)操作不便、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺陷。

本文以TMS320F2812處理器為核心，通過(guò)使用復(fù)化Newton-Cotes數(shù)字積分算法，不僅可以解決模擬積分器零漂的問(wèn)題，而且提高了積分運(yùn)算精度[4,5]。同時(shí)在DSP上使用巴特沃斯數(shù)字濾波器對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波，相比于模擬濾波器有更高的精度和更好的穩(wěn)定性。同時(shí)該測(cè)試儀采用軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)零和補(bǔ)償，無(wú)需硬件調(diào)零電路和補(bǔ)償電路，很好地解決了系統(tǒng)初值不為零和補(bǔ)償系統(tǒng)在測(cè)試過(guò)程中所帶來(lái)的誤差。

1 數(shù)字積分理論和算法

利用A/D將磁感應(yīng)線圈中由磁通量變化所感應(yīng)出的模擬電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)字量，然后經(jīng)過(guò)DSP采用合適的數(shù)字積分算法完成整個(gè)積分運(yùn)算[6，7]。因此，A/D的轉(zhuǎn)換精度和數(shù)字積分算法決定了測(cè)試結(jié)果的精度。本系統(tǒng)中采用12位采樣芯片TLC2558，可以最高支持400kSPS的采樣。要提高積分算法的準(zhǔn)確度，就需要縮小積分子區(qū)間長(zhǎng)度，即增加A/D采樣的點(diǎn)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是由于一般系統(tǒng)硬件與成本的限制，是不能任意提高采樣率的，因此，可以采用高階積分算法來(lái)提高積分精確度。然而，高階公式由于穩(wěn)定性差而不宜使用，因此，采用復(fù)化積分求積法是一個(gè)很好的辦法[8]。由于永磁材料的測(cè)試是在準(zhǔn)靜態(tài)磁特性環(huán)境中進(jìn)行的，因此，磁場(chǎng)基本上是勻速變化的[9]。假設(shè)測(cè)量線圈的初始磁通為零，運(yùn)用求積公式可以求出連續(xù)變化的磁通量在某一時(shí)刻的值，積分過(guò)程可以表示如下：

tj=0+jh,j=0,1,…,n，

(1)

(2)

在子區(qū)[tj,tj+1](j=0,1,…,n-1)上使用四階Newton-Cotes公式，將[tj,tj+1]分割為4等份，步長(zhǎng)為h/4，分后的節(jié)點(diǎn)為

(3)

記為

(4)

在[tj,tj+1]上作ei(t)的四階Newton-Cotes求積[10]

(5)

由積分區(qū)間的可加性，可得

(6)

當(dāng)樣品和探測(cè)線圈被置于磁化場(chǎng)中時(shí)，線圈中磁通量變化值從0～t的時(shí)間內(nèi)為Φ

(7)

磁通量的值即是對(duì)整個(gè)[0,t]測(cè)量時(shí)間內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化進(jìn)行積分。將[0,t]分為n等分的小區(qū)間[tj,tj+1]，設(shè)小區(qū)間的步長(zhǎng)h=4T，T為A/D采樣時(shí)間的間隔，同時(shí),t=kh，k=1,2,…,n,則當(dāng)在A/D采集的過(guò)程中時(shí)，每A/D采集4個(gè)感生電動(dòng)勢(shì)，k的值就增加1。

根據(jù)構(gòu)造的積分公式，由此可以求出磁通變化量Φ為

(8)

同時(shí)也可以求出永磁材料在某一時(shí)刻的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為

(9)

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)硬件主要包括：霍爾探頭和同心形J線圈組成的信號(hào)探測(cè)部分、DSP為核心的信號(hào)處理和控制部分、充退磁模塊電路、數(shù)據(jù)傳輸和PC上位機(jī)部分。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

硬件系統(tǒng)以TMS320F2812處理器為核心，工作頻率能達(dá)到150 MHz，具有128 k Flash和18 k SARAM存儲(chǔ)空間，豐富的I/O接口[11,12]。信號(hào)探測(cè)部分:霍爾探頭探測(cè)由磁化裝置產(chǎn)生的磁化電場(chǎng)，J線圈感應(yīng)的是由相應(yīng)的磁化電場(chǎng)產(chǎn)生的磁極化強(qiáng)度。同心形J線圈是由磁通測(cè)量線圈和磁場(chǎng)補(bǔ)償線圈串聯(lián)反接而成的[9]。DSP通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器控制實(shí)現(xiàn)壓控恒流源和開(kāi)關(guān)電源充退磁過(guò)程。在磁化場(chǎng)變化的同時(shí)，感應(yīng)到的信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理模塊和A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2 前級(jí)信號(hào)處理電路

前級(jí)信號(hào)處理部分包括感應(yīng)線圈感應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號(hào)和霍爾探頭檢測(cè)的信號(hào)，其中，感應(yīng)線圈感應(yīng)的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)固定放大和二級(jí)可調(diào)放大?？烧{(diào)放大采用DSP控制DS1267數(shù)字電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，前級(jí)信號(hào)的處理框圖如圖2和硬件處理電路圖3所示。

圖2 前級(jí)信號(hào)處理框圖

圖3 信號(hào)放大電路

2.3 A/D采集電路

TLC2558是12位低功耗、高速的CMOS A/D采樣芯片，其4通道最高支持400 kSPS的采樣，自帶有8級(jí)FIFO，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，放入FIFO中等待主處理器讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)與DSP連接時(shí)，可用一個(gè)幀同步信號(hào)FS來(lái)表明一個(gè)串行數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始。A/D采集電路如圖4所示。

圖4 A/D采集電路

2.4 D/A轉(zhuǎn)換壓控恒流源電路

D/A轉(zhuǎn)換芯片采用TLV5618，輸出模擬電壓信號(hào)來(lái)控制充退磁電路，輸出電壓范圍為0～5 V。通過(guò)線圈反向加退磁電流產(chǎn)生退磁場(chǎng)[13]。退磁電流的大小與霍爾傳感器輸出端產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)呈正比。該芯片是12位低功耗雙通道電壓型輸出芯片，兼容TMS320和SPI總線接口。如圖5、圖6所示。

圖5 D/A轉(zhuǎn)換硬件電路

圖6 壓控恒流源電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 DSP軟件設(shè)計(jì)

不同永磁材料磁性參數(shù)樣品，需要設(shè)置樣品的材料型號(hào)和實(shí)際尺寸。在樣品測(cè)試前需要將樣品磁化到飽和點(diǎn)進(jìn)行磁鍛煉，以保持試樣磁狀態(tài)的穩(wěn)定。對(duì)于具有疊片磁軛的磁化裝置，當(dāng)磁化電流為零時(shí)，磁軛和極頭產(chǎn)生的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度Hr并不等于零[9]。因此,需要采集零點(diǎn)值，并且進(jìn)行軟件補(bǔ)償。DSP控制的D/A轉(zhuǎn)換數(shù)字壓控恒流源對(duì)磁化電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)兩路A/D分別采集磁感應(yīng)信號(hào)和磁化場(chǎng)的信號(hào)，通過(guò)IIR巴特沃斯數(shù)字濾波后，進(jìn)行數(shù)字積分運(yùn)算，繼而將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。軟件設(shè)計(jì)主流程圖如圖7所示。

圖7 軟件主流程圖

3.2 上位機(jī)軟件界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)界面采用Delphi軟件編寫的，界面清晰簡(jiǎn)單，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，通過(guò)計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)相連，能夠很好地顯示、存儲(chǔ)、查詢、打印測(cè)試結(jié)果。

4 系統(tǒng)校正和測(cè)試數(shù)據(jù)

本測(cè)試系統(tǒng)中，采用MTC—1伏秒發(fā)生器對(duì)磁通值進(jìn)行校準(zhǔn)。伏秒發(fā)生器輸出一標(biāo)準(zhǔn)的磁通，與讀取到的磁通值進(jìn)行比較，從而進(jìn)行校準(zhǔn)[14]。

為了將測(cè)試值和樣品標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，重復(fù)對(duì)一樣品進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)測(cè)試儀和磁化裝置有一定發(fā)熱時(shí)，觀測(cè)測(cè)試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和重復(fù)性。其中,已測(cè)試的鋁鎳鈷樣品參數(shù)剩磁Br、矯頑力Hcb、內(nèi)稟矯頑力Hcj、最大磁能積(BH)max的標(biāo)準(zhǔn)值分別為1.251 T，51.67 kA/m，52.23 kA/m，43.90 kJ/m3。鋁鎳鈷樣品具體測(cè)試記錄如表1所示。

表1 鋁鎳鈷樣品10次測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)表1可以看出：樣品重復(fù)測(cè)試次數(shù)為10次，通過(guò)將鋁鎳鈷樣品參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值和測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，可以得出結(jié)論：剩磁、矯頑力、內(nèi)稟矯頑力，磁性參數(shù)測(cè)試儀數(shù)據(jù)誤差控制在0.35 %以內(nèi)，同時(shí)最大磁能積的數(shù)據(jù)誤差也控制在±5 %以內(nèi)，測(cè)試數(shù)據(jù)誤差控制明顯優(yōu)于傳統(tǒng)儀器和國(guó)標(biāo)的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的高精度磁性參數(shù)測(cè)試儀充分利用了DSP核心快速數(shù)據(jù)處理的功能，復(fù)化Newton-Cotes積分算法和數(shù)字濾波提高了測(cè)試精度，軟件的調(diào)零和補(bǔ)償提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本儀器適應(yīng)于鋁鎳鈷、鐵氧體等永磁材料磁性參數(shù)的測(cè)量，與傳統(tǒng)儀器相比，儀器操作簡(jiǎn)單，人機(jī)交互好，測(cè)試精度高，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和重復(fù)性好。

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