新型軟磁材料靜態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何雯 董威 茍輝

摘 要：為提升軟磁材料靜態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)的精度及簡化儀器操作復(fù)雜度，文章利用積分器代替沖擊檢流計(jì)測量弱磁信號，A/D芯片將積分器的輸出電壓轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，并利用FPGA對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將處理后的數(shù)據(jù)借助串口發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行最后的處理，最終得到材料的靜態(tài)參數(shù)與磁化強(qiáng)度和磁感強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本系統(tǒng)可有效測量軟磁材料的靜態(tài)參數(shù)，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的測量誤差為1.20%，小于沖擊檢流計(jì)測量飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的測量誤差1.97%；且測量結(jié)果不需進(jìn)行人工計(jì)算，操作簡單。

關(guān)鍵詞：軟磁材料；靜態(tài)磁參數(shù)；模擬積分器；上位機(jī)

我國磁性材料的蘊(yùn)藏量居世界首位，同時(shí)也是磁性器件制作大國。但我國磁性材料僅僅只是產(chǎn)量高，產(chǎn)值很低；國內(nèi)磁性材料市場對于性能優(yōu)良的磁測試儀器需求十分迫切。但我國在材料及器件的生產(chǎn)加工、磁測量技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)展緩慢，與國外先進(jìn)的磁測技術(shù)相差甚大，如F.W.BELL公司的5100系列手持式磁場計(jì)性能卓越，但是價(jià)格十分昂貴[1]?；谶@種狀況，我國迫切需要自主研發(fā)出一款性能卓越的磁測試儀器。

文獻(xiàn)[2]在研究沖擊法測量軟磁材料靜態(tài)參數(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的靜態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)，但這種方法測量靜態(tài)參數(shù)時(shí)誤差大。文獻(xiàn)[3]分別介紹了以模擬和數(shù)字積分器為基礎(chǔ)的兩種測量磁性材料靜態(tài)磁滯回線的方法，指出這兩種方式各自的優(yōu)缺點(diǎn)。文中設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字積分器的計(jì)算機(jī)控制的靜態(tài)磁滯回線測試系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]研究了模擬式磁通計(jì)設(shè)計(jì)原理以及設(shè)計(jì)過程中的困難和關(guān)鍵技術(shù)，介紹了一種減小其測量誤差的設(shè)計(jì)方案。但是文獻(xiàn)[4]中關(guān)于模擬式積分器的設(shè)計(jì)并不是很完善，并未顯著減小積分漂移帶來的誤差。在此基礎(chǔ)上，本文提出一種新型軟磁材料靜態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，旨在提高軟磁材料靜態(tài)參數(shù)的測量精度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本測量系統(tǒng)主要由積分器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信和上位機(jī)4個(gè)部分組成。本系統(tǒng)主要是依據(jù)電磁學(xué)理論利用基于運(yùn)算放大器的積分電路完成對測量線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢的積分運(yùn)算，將積分器的輸出電壓借助模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，接下來利用現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）模塊對數(shù)字信號進(jìn)行預(yù)處理，再通過數(shù)據(jù)通信模塊將信號發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行最后的處理，得到軟磁材料的靜態(tài)參數(shù)和磁化曲線。

2 積分器模塊

2.1 器件選取

運(yùn)算放大器、電阻和電容是構(gòu)成積分器的主要器件。積分漂移是導(dǎo)致積分器輸出精度低的主要因素，也是影響系統(tǒng)測量精度最主要的因素之一[5]。為減小其對測量結(jié)果的影響，需按照低輸入失調(diào)電流、低輸入失調(diào)電壓等原則選取運(yùn)算放大器。本文通過查閱芯片手冊對比幾種常用于積分電路的運(yùn)算放大器，比如OP07，OP37以及ICL7650S等，最終選擇ICL7650S這款運(yùn)算放大器。ICL7650S是一款斬波穩(wěn)零式運(yùn)算放大器，輸入失調(diào)電流的典型值為8 pA，輸入失調(diào)電壓的典型值僅為±0.7 μV，非常適合用于檢測微弱信號的積分器中。

環(huán)境溫度變化較大時(shí)，會(huì)改變積分電阻阻值，進(jìn)而影響到積分器的輸出精度，因此積分電阻需選用低溫度系數(shù)的精密電阻。電容的漏電電阻以及損耗角會(huì)對積分器的輸出產(chǎn)生較大的影響，選取積分電容時(shí)應(yīng)選擇漏電電阻阻值大、損耗角正切值小的電容。聚苯乙烯薄膜電容的漏電電阻阻值較達(dá)，損耗角正切值，故文中選用聚苯乙烯薄膜電容作為積分電容。

2.2 積分時(shí)間常數(shù)的確定

積分時(shí)間常數(shù)也是影響積分器輸出的關(guān)鍵因素之一，取得太小，會(huì)使積分器在未到積分時(shí)間時(shí)就已飽和；取得太大，會(huì)使積分器的輸出信號變得太小，加大后續(xù)設(shè)計(jì)難度[6]?？紤]到磁信號較小，積分輸出飽和發(fā)生的概率很小，主要考慮電阻和電容的取值對積分器的影響。電容不應(yīng)取過大的，因?yàn)槿葜涤笥y保證其漏電電阻及損耗角正切值等參數(shù)。經(jīng)查閱資料，選用1F聚苯乙烯薄膜電容作為積分電容，溫度系數(shù)為2.5×10﹣5，0.1%精度的100電阻作為積分電阻。

3 數(shù)據(jù)采集模塊

3.1 FPGA控制模塊

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA得到了廣泛的應(yīng)用；其制作成本與銷售價(jià)格不斷下降，基于FPGA的數(shù)字電路已成為發(fā)展趨勢。本文選擇EP3C5E144C8N芯片，它具有低功耗、高性能和低成本的特性；內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和可編程邏輯資源，可縮短系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，降低開發(fā)成本。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

經(jīng)查閱文獻(xiàn)，樣品的弱磁信號一般為2～20 mV；系統(tǒng)所需的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片需能分辨小于磁信號一個(gè)量級的電壓。本文選擇的是MAX1241這款12位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其分辨率為0.6 mV；它具有一個(gè)3線串行接口，直接與微控制器的I/O口相連。該芯片需要外接參考電壓，選擇了MC1403這款精密基準(zhǔn)電壓芯片來產(chǎn)生2.5 V的電壓供A/D芯片使用。

3.3 數(shù)據(jù)通信模塊

本文采用PL2303芯片作為TTL-USB轉(zhuǎn)換器。該芯片內(nèi)置USB收發(fā)器、USB功能控制器等，只需外接電容便可實(shí)現(xiàn)TTL信號和USB信號轉(zhuǎn)換。12 M晶振為PL2303提供時(shí)鐘，RXD與TXD完成串口接收與發(fā)送數(shù)據(jù)工作。DM與DP引腳實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與USB之間的數(shù)據(jù)傳輸。

4 上位機(jī)

LabVIEW是可視化跨平臺并使用圖標(biāo)創(chuàng)建應(yīng)用程序的虛擬儀器開發(fā)平臺。本軟磁材料靜態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)的上位機(jī)就是基于LabVIEW2013設(shè)計(jì)的?？蓪Υ诔跏蓟O(shè)置，通過A和兩個(gè)控件輸入樣品參數(shù)，處理串口數(shù)據(jù)，同時(shí)繪制曲線。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文選擇1J50軟磁材料進(jìn)行靜態(tài)磁參數(shù)測量試驗(yàn)，按行業(yè)要求在磁化強(qiáng)度H=100 A·m-1，H=200 A·m-1，H=300 A·m-1，H=400 A·m-1，H=800 A·m-1，H=1 600 A·m-1，H=2 000 A·m-1下測試。樣品截面積0.266 cm2，平均直徑3.6 cm，測量繞組匝數(shù)30。樣品的B-H曲線如圖1所示，由圖可得出800 A·m-1下樣品已趨于磁飽和狀態(tài)，1 600 A·m-1時(shí)已飽和，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.501 75 T。使用國標(biāo)中推薦的沖擊檢流計(jì)測得樣品的為1.55 T，樣品真值取自廠家給出的1.52 T，則靜態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)的相對誤差為1.20%，沖擊檢流計(jì)的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的相對誤差為1.97%。

6 結(jié)語

（1）本文依據(jù)電磁學(xué)理論利用積分器對樣品的感應(yīng)電動(dòng)勢進(jìn)行積分運(yùn)算，利用數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并在上位機(jī)上顯示軟磁材料的B-H曲線與磁感應(yīng)強(qiáng)度值。還可對測試結(jié)果進(jìn)行保存。

（2）選取常用的1J50軟磁材料進(jìn)行靜態(tài)磁參數(shù)測量試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，軟磁材料靜態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)可有效進(jìn)行靜態(tài)參數(shù)測量；且在相同測試條件下，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度測量結(jié)果相對誤差為1.20%，優(yōu)于沖擊檢流計(jì)的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度測量結(jié)果的相對誤差1.98%。而且本系統(tǒng)可實(shí)時(shí)得到測量結(jié)果并繪制B-H曲線，不需進(jìn)行人工計(jì)算與處理。

[參考文獻(xiàn)]

[1]湛永鐘，潘燕芳，黃金芳，等.軟磁材料應(yīng)用研究進(jìn)展[J].廣西科學(xué)，2015（5）：467.

[2]杜永蘋.磁性材料磁特性參數(shù)的測量研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2010.

[3]李玲玲，趙全明，張劍軍.磁性材料靜態(tài)磁滯回線的兩種測量方法[J].周口師范高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2000（2）：15.

[4]張昌俊.模擬積分器式磁通計(jì)的研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)測技術(shù)，2003（5）：20.

[5]劉齊.永磁材料靜態(tài)磁特性測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長沙：湖南大學(xué)，2015.

[6]袁龍.基于LabVIEW測量材料磁特性參數(shù)的新系統(tǒng)[D].長春：吉林大學(xué)，2013.