二維高頻磁特性測量中關(guān)鍵性問題研究

摘 要：為準確測量磁性材料的磁特性，提出二維磁特性測試方法，使用新型激磁裝置及傳感結(jié)構(gòu)，針對二維磁特性激磁裝置的電磁干擾及屏蔽結(jié)構(gòu)進行深入研究，設(shè)計屏蔽結(jié)構(gòu)，屏蔽效能可以達到61.699 dB。討論測試過程環(huán)境中的直流干擾和工頻及低頻雜波對實驗結(jié)果的影響等關(guān)鍵性問題，并提出解決方案。實驗證明：所提出的解決方法是實用有效的，具有可行性。

關(guān)鍵詞：磁特性測量；電磁屏蔽；信號調(diào)理；LabVIEW

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）03-0074-04

Abstract： Research on high frequency magnetic properties put forward higher demand for the excitation device. For accurate measurement of magnetic material magnetic properties， a test method for magnetic properties of two dimensional was proposed， a new excitation device and sensing structure were used， and the shielding structure designed for the two dimensional magnetic excitation device was conducted whose shielding effectiveness could reach 61.699dB. The influence of DC magnetic bias and power frequency clutter and low frequency clutter on the experimental in the test process was discussed， and the solution was proposed. The experimental results show that the proposed method is practical and effective and feasible.

Keywords： magnetic property measurement； electromagnetic shielding； signal conditioning； LabVIEW

0 引 言

電機發(fā)明以來，磁性材料已被廣泛應(yīng)用于各種電磁裝置中。磁性材料的電磁特性對這些裝置的性能有很大的影響，應(yīng)對其進行精確測量[1]。隨著科技的進步和工業(yè)的發(fā)展，高頻化、小型化、高功率、低損耗等日趨成為發(fā)展的主題，這就對磁性材料的研究提出新的要求。對于磁性材料的磁特性測量，國際電工委員會（IEC）對愛波斯坦方圈法和單片測量法給出了標準：假設(shè)其磁通密度與磁場強度平行[2-4]，這兩種方法都忽略了材料的各向異性，均屬于一維磁特性測量。實際應(yīng)用中，僅考慮材料的一維磁特性是不夠的，必須考慮材料的二維旋轉(zhuǎn)磁特性。二維測量中，測量裝置需產(chǎn)生一個可與材料軋制方向成任意角度的磁場，磁性材料的非線性及各向異性增加了測量的難度[5-7]。目前，國內(nèi)外對于二維測量方法已有一些研究，然而并沒有形成一定的標準[8]，且研究方向主要集中在低頻情況下。對于磁性材料的二維磁特性尤其是高頻特性的研究仍有許多工作要做。本文針對二維高頻磁測量系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題進行了分析和研究，實現(xiàn)二維高頻磁特性的精確測量。

1 二維磁測量系統(tǒng)及測量方法概述

1.1 二維磁測量系統(tǒng)

二維磁測量系統(tǒng)主要由微機（PC或工控機及數(shù)據(jù)采集卡）、二維激磁裝置、功率放大器、前端放大器和阻抗匹配及保護電路等組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 測量方法

現(xiàn)有的二維測量方法多應(yīng)用于工頻及低頻測量[9]。當激磁頻率上升到1 kHz以上時，二維磁測量中的磁化問題將變得十分復(fù)雜，對樣片進行旋轉(zhuǎn)磁化相對于一維來說對勵磁電源提出了更高的要求。因此，為保證樣片的磁化均勻性，選擇合適的激磁結(jié)構(gòu)就顯得極其重要。

系統(tǒng)使用雙C形激磁裝置進行激磁，激磁裝置由兩支在二維方向上正交的C形磁芯及纏繞在磁芯上的激磁繞組組成，C形磁芯由磁導(dǎo)率較高的超微晶合金疊制而成。磁芯的磁極為楔形，具有較好的聚磁效果，可以產(chǎn)生較強的磁場。磁芯及磁極示意圖如圖2所示。

待測樣片為50 mm×50 mm的單層方形超微晶合金樣片，方形樣片被磁化時在各個方向上具有較好的均勻性，為實驗的準確性提供了保障。

將方形待測樣片置于兩支正交的C形磁芯中間，當纏繞在磁軛上的激磁繞組通電后，激磁裝置的中心會產(chǎn)生一個磁場。利用B傳感器和H傳感器可以分別將感應(yīng)到的磁通密度信號和磁場強度信號傳回微機采集系統(tǒng)，進而可對實驗數(shù)據(jù)進行分析以及對激磁信號進行反饋控制。

B傳感器采用探針法，將兩探針垂直立于待測樣片表面，與其做電接觸。測量過程中，磁通的變化會在樣片中形成渦流，樣片的電阻在樣片表面產(chǎn)生一個電壓降，進而，由感應(yīng)出的電壓降計算出磁通密度。這種方法相比于以往的B線圈法無需在樣片表面打孔，屬于非破壞性方法，對于待測樣片具有較好的保護性，可以提高實驗的準確度。利用兩組B探針可以測量兩個方向的磁通密度。

傳統(tǒng)磁場強度的測量依據(jù)安培環(huán)路定律。此系統(tǒng)中磁場強度的測量利用H線圈法，所依據(jù)的原理是電磁感應(yīng)定律和磁場強度的交界面條件，此方法無需測量樣件的等效磁路長度，避免了因磁路長度帶來的誤差。測量時將H線圈緊貼在待測樣片的表面，利用H線圈可測得靠近試樣處的空氣磁場的磁感應(yīng)強度所對應(yīng)的磁場強度，進而根據(jù)磁場強度的交界面條件可以得到樣片所在位置的磁場強度。利用兩組H線圈可以測量兩個方向的磁場強度。

B探針和H線圈的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 二維高頻磁特性測量中的關(guān)鍵問題

2.1 屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計

測量環(huán)境中存在電磁干擾，會影響待測樣片的測量結(jié)果，因此需采取措施降低電磁干擾對實驗的影響。

良好的屏蔽材料應(yīng)該具有高電導(dǎo)率、高磁導(dǎo)率，以及足夠的厚度。銅的電導(dǎo)率相對較高，而其相對磁導(dǎo)率為1，可以有效屏蔽電場干擾且不對激磁結(jié)構(gòu)生成的磁路產(chǎn)生影響。因此本設(shè)計采用銅片作為外層封閉屏蔽罩，外部屏蔽罩采用正方體銅罩，其各個面均由56 mm×56 mm×1 mm厚的銅片制成，在銅罩內(nèi)部，樣片的尺寸是50 mm×50 mm×0.5 mm厚。在樣片的上下放置兩個與其具有相同尺寸的超微晶合金方片作為超微晶合金屏蔽層。屏蔽裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

屏蔽層的屏蔽效果可以通過屏蔽效能SE來體現(xiàn)，當屏蔽裝置不存在空洞時，屏蔽效能SE[10]可以表示為

SE=R+A+B（1）

式中：R——反射損耗，dB；

A——吸收損耗，dB；

B——內(nèi)部反射損耗，dB。

則銅罩的屏蔽效能SE為56.01 dB。然而，屏蔽裝置中需要引出B探針和H傳感器的信號傳導(dǎo)線，因此需在銅屏蔽罩上打孔。帶有孔洞的屏蔽裝置的屏蔽效能可以表示為

SE=Aa+Ra+Ba+K1+K2+K3（2）

式中：Aa——孔眼中的傳輸衰減，dB；

Ra——孔眼的單次反射損耗，dB；

Ba——多次反射修正項，dB；

K1——與孔眼個數(shù)相關(guān)的修正項，dB；

K2——由集膚深度不同引起的低頻修正項，dB；

K3——由相鄰耦合引起的修正項，dB。

經(jīng)過計算，打孔后屏蔽結(jié)構(gòu)屏蔽效能為32.031 dB。由此可見，穿過傳導(dǎo)線的孔洞對屏蔽層的屏蔽效果影響很大。為此，實驗設(shè)計中將銅屏蔽罩的厚度改為5 mm。經(jīng)過計算，調(diào)整后的屏蔽層的屏蔽效能為61.699 dB。

屏蔽裝置的外屏蔽層由銅制成，電導(dǎo)率高的銅可在介質(zhì)和屏蔽層之間產(chǎn)生較大的反射效應(yīng)，因此反射損耗更為明顯。而超微晶合金具有很高的磁導(dǎo)率，可以提供較高的吸收損耗。同時，超微晶合金屏蔽層可以改善磁路，提高樣品的磁化均勻性，如圖5所示。由于超微晶合金屏蔽層的存在，外部的磁場在屏蔽層處閉合，屏蔽層內(nèi)部沒有雜散磁場，磁化均勻區(qū)域能夠擴展到整個樣片。

2.2 信號調(diào)理

前端放大器的使用為測量系統(tǒng)帶來了工頻雜波干擾，而環(huán)境中也存在不可忽略的低頻雜波。由于工頻及低頻雜波的存在，采集卡采集到的信號在大趨勢上呈波浪形，不僅給實驗結(jié)果帶來了誤差，也導(dǎo)致對信號的反饋難以調(diào)節(jié)。而僅僅使用硬件濾波電路無法完全濾掉干擾，需以LabVIEW為平臺借助軟件進行信號調(diào)理。

調(diào)理方法為，先對采集卡采集到的信號進行第一重濾波，而后將采集信號進行算數(shù)平均，即取10個連續(xù)的周期信號進行算術(shù)平均運算，然后對運算后的信號進行第2次濾波，處理后的信號作為1次采樣結(jié)果。由于待測信號為高頻信號，經(jīng)過算術(shù)平均后削弱了隨機干擾，工頻及低頻雜波經(jīng)過算術(shù)平均后則被抵消了。所以此方法可以將工頻及低頻雜波干擾從采集信號中濾除。

除了工頻及低頻雜波干擾外，采集信號中亦存在直流量，直流量會在磁測量過程中產(chǎn)生直流偏磁效應(yīng)[11]，即磁通密度B和磁場強度H出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象，B-H曲線呈現(xiàn)不規(guī)則的楔形。直流偏磁對信號的影響如圖6所示。

采集信號中的直流量不僅會對信號造成直接影響，還可能在運算過程中，特別是經(jīng)過積分后不斷增大，最終成為趨勢項，導(dǎo)致波形偏移，波形零點不能重合，B-H曲線出現(xiàn)回環(huán)，這將對實驗結(jié)果造成嚴重影響。

對于直流量的解決方法是，對采集到的信號進行加窗處理后，取部分數(shù)據(jù)平均值的二倍，其值可近似作為波形中的直流分量大小。在采集數(shù)據(jù)中依次減去此直流分量，可以近似去除信號中的直流量。對于趨勢項的解決方法是，以最小二乘法擬合直線來擬合趨勢項，在采集數(shù)據(jù)中依次減去趨勢項，從而抑制波形漂移。信號調(diào)理前后的效果如圖7、圖8所示。

采用上述方法，消除了工頻及低頻雜波的干擾，去除了信號中的直流量和趨勢項，B-H曲線不再是不規(guī)則的帶有回環(huán)的楔形，提高了實驗的準確度。

3 結(jié)束語

本文對二維高頻磁特性的測量原理及測量裝置進行研究，解決了測量過程中電磁屏蔽及信號調(diào)理等幾個關(guān)鍵性問題。設(shè)計了屏蔽結(jié)構(gòu)，不僅可以起到電磁屏蔽的作用，還可以調(diào)節(jié)待測樣片的磁化性能，分析了工頻及低頻雜波和直流量對測量的影響，并給出了解決方法，大大提高了實驗的準確性。

參考文獻

[1] GUO Y G， ZHU J G， ZHONG J J， et al. Measurement and modeling of rotational core losses of soft magnetic materials used in electrical machines： A review[J]. IEEE Transactions on Magnetics，2008（44）：279-291.

[2] CULLITY B D， GARHAM C D. Introduction to magnetic materials[M]. New Jersey： John Wiley Sons，2011.

[3] LI Y J， YANG Q X， ZHU J G， et al. Magnetic properties measurement of soft magnetic composite materials over wide range of excitation frequency[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2012，48（1）：88-97.

[4] ALATAWNEH N， PILLAY P. Design of a novel test fixture to measure rotational core losses in machine laminations[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2012，48（5）：1467-1477.

[5] 張艷麗，孫小光，謝德馨，等. 無取向電工鋼片磁致伸縮特性測量與模擬[J]. 電工技術(shù)學報，2013（11）：176-181.

[6] 高潔，楊富堯，馬光，等. 愛潑斯坦方圈法及其在直流偏磁性能測量方面的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及展望[J]. 材料導(dǎo)報，2016（3）：121-124，149.

[7] 劉巖，陳偉海，劉敬猛. 可實現(xiàn)三維位置檢測的球型電機磁場分析[J]. 中國測試，2012，38（3）：12-16.

[8] 李永建，楊慶新，安金龍，等. 軟磁復(fù)合材料的三維磁特性檢測實驗研究[J]. 電工技術(shù)學報，2012（9）：160-165.

[9] 陳俊全，馬偉明，王東，等. 磁性材料二維旋轉(zhuǎn)磁化特性測量平臺研制[J]. 磁性材料及器件，2013（2）：37-40，65.

[10] SCHULZ R B， PLANTZ V C， BRUSH D R. Shielding theory and practice[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，1988（30）：195-198.

[11] YOSHIDA T， NAKANO M， MIYAGI D， et al. Develo-pment of measuring equipment of DC-Biased magnetic properties using open-type single-sheet tester[J]. IEEE Transactions on Magnetics，2006，42（10）：2846-2848.

（編輯：徐柳）