基于虛擬儀器的磁特性測量系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

王銘華,李 強, 陳虹麗

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

磁性材料的磁特性測量是在外加磁場的不斷激勵下,測量磁性材料的磁場強度H、磁感應(yīng)強度B以及H和B的相互影響[1]。首先在待測磁性材料上纏繞不同匝數(shù)的銅線,制成一個簡易變壓器[2]。為了減少變壓器中的鐵損耗,變壓器的鐵芯一般采用導(dǎo)磁性能好的硅鋼片疊壓而成,硅鋼片要盡量薄,以保證鐵芯中的渦流損耗小。然而,以硅鋼為磁性材料的變壓器連入電路后,測量得到的磁滯回線圖形十分狹長,其原因是硅鋼屬于易磁化、易退磁的軟磁性材料,矯頑力很小,無法得到飽滿的磁滯回線。此外,還要選擇適當(dāng)?shù)你~線繞制變壓器,銅線的截面積需按通過電流的大小選擇。

本文設(shè)計了一個利用虛擬儀器的磁特性測量系統(tǒng)。將磁場強度與磁感應(yīng)強度轉(zhuǎn)換成電動勢信號,用數(shù)據(jù)采集卡NI6251采集信號,將信號傳輸?shù)缴衔粰C進行磁特性測量并得到磁滯回線[3-5],用示波器進行磁性材料的磁滯回線顯示[6-11]。

1 磁滯回線測量電路設(shè)計

磁滯回線測量電路如圖1所示。電路中,U2表示磁感應(yīng)強度對應(yīng)的電動勢信號,U1表示磁場強度對應(yīng)的電動勢信號。

圖1 磁滯回線測量電路

由磁滯回線測量原理可知,原邊輸入端的電勢與磁場強度H的大小成正比,副邊輸出端的電壓正比于鐵芯內(nèi)的磁感應(yīng)強度B,并且在測量磁感應(yīng)強度的一端,設(shè)計一個RC電路進行信號轉(zhuǎn)換[12]。

為了方便實驗操作,電路設(shè)計選取50 Hz(周期為0.02 s)的交流電源,所以RC值應(yīng)遠大于0.02 s。根據(jù)這個要求,選擇10 kΩ電阻以及10 μF的電容作為測量磁感應(yīng)強度端的元件參數(shù)。為了使電動勢波形不發(fā)生畸變,采用變壓器控制，使測量磁場強度端的勵磁電壓成為可以控制大小的電壓,勵磁電壓可以分別為0 V、0.5 V、1 V、1.5 V、2 V、2.5 V、3 V。相應(yīng)地,測量磁場強度端設(shè)置一個滑動變阻器,選擇若干個阻值為0.5 Ω的電阻,通過改變電路中電阻的個數(shù)改變電阻值。

為了使磁滯回線圖形更加直觀,選擇硬磁材料碳鋼作為變壓器的磁性材料。設(shè)計磁路長度L為0.05 m,匝數(shù)比設(shè)置為3∶1,纏繞匝數(shù)為150∶50。根據(jù)所設(shè)計的電路計算,電路中通過的最大電流為10 A,而且選擇的磁性材料較小,因此選用2.5 mm2的銅線來對磁性材料進行繞制。本文磁性樣品——變壓器,采用多層整齊密繞方法,引線長10～15 mm。繞線后包銅箔,再用膠帶纏繞。圖2為焊接完成的磁滯回線電路。

圖2 焊接完成的磁滯回線電路

磁性樣品(變壓器)一共有4條引線。將150匝線圈的兩條引線分別與RC電路中的電阻一端和“地”相連,將50匝的兩條引線分別與0.5 Ω電阻一端和選擇開關(guān)變壓器一端相連,把電路中的地都連到一起。實驗結(jié)果是在示波器上出現(xiàn)理想的磁滯回線。改變勵磁電壓的大小,磁滯回線的形狀也會相應(yīng)地有所改變。

示波器上理想的磁滯回線圖形證明了本設(shè)計對磁性材料磁特性測量電路的設(shè)計制作是正確的。

2 噪聲抑制

實驗中難免會產(chǎn)生誤差,例如環(huán)境中雜散信號產(chǎn)生的噪聲會引起測量誤差。通過示波器的頻譜分析發(fā)現(xiàn),在頻率分別為150 Hz、250 Hz和2 000 Hz的時候是存在噪聲的。因此需要加入一個一階低通濾波器(截止頻率100 Hz)。經(jīng)過計算,選用720 Ω的電阻與2.2 μF的電容構(gòu)成一階低通濾波器。

3 基于LabVIEW實現(xiàn)磁滯回線測量的實驗結(jié)果

LabVIEW程序面板界面如圖3所示,前面板所得磁滯回線見圖4?？梢栽谇懊姘宓玫絻啥溯斎氲牟ㄐ?見圖5),將不同的勵磁電壓下的磁滯回線曲線的頂點坐標(biāo)的數(shù)值記錄下來,見表1。

圖3 程序面板界面

圖4 前面板所得磁滯回線圖

圖5 兩端輸入波形圖

勵磁電壓/VHmax/(A·m-1)Bmax/mT1.025.0236.1451.529.5648.2962.036.3559.9552.545.53410.2163.076.38911.559

4 結(jié)語

基于虛擬儀器LabVIEW的磁特性測量實驗系統(tǒng)使學(xué)生熟悉磁場測量傳感器及測量儀器的原理及設(shè)計方法,學(xué)會利用數(shù)字示波器和虛擬儀器來觀測、分析和繪制測量曲線。該測量系統(tǒng)達到了以下實驗?zāi)康模?/p>

(1) 了解軟磁材料測量系統(tǒng)的組成；

(2) 掌握軟磁材料的B-H曲線的測定方法；

(3) 熟悉基于微機和LabVIEW的虛擬儀器測試系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用；

(4) 了解軟磁材料在不同頻率下的B-H曲線變化規(guī)律和磁特性。

學(xué)生可以基于磁特性測量結(jié)果對相關(guān)電子設(shè)備優(yōu)化設(shè)計,可以減小磁滯損耗,提升工作效率與能源的利用率。