鐵磁材料動(dòng)態(tài)磁滯回線測(cè)繪方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬玉利 戴心銳

（1重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120；2重慶大學(xué)，重慶 400030）

1 研制背景及意義

在研究鐵磁材料磁化特性中涉及鐵磁材料基本磁化曲線與磁滯回線的測(cè)繪，通過(guò)對(duì)鐵磁材料基本磁化曲線與磁滯回線的測(cè)繪，從而了解和研究鐵磁材料磁化特性.對(duì)鐵磁材料磁化特性的研究主要涉及硬、軟磁材料，硬、軟磁材料有不同的磁化特性，因此，對(duì)鐵磁材料磁化特性全面了解，對(duì)合理利用鐵磁材料具有重要的意義.

鐵磁材料磁化特性的檢測(cè)過(guò)程較復(fù)雜，將磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為易于檢測(cè)的電學(xué)量是檢測(cè)鐵磁材料磁化特性的一種基本檢測(cè)方法.一般有靜態(tài)磁滯回線測(cè)繪法和動(dòng)態(tài)磁滯回線測(cè)繪法，用直流電對(duì)被測(cè)鐵磁樣品進(jìn)行磁化時(shí)所測(cè)繪的B－H 曲線稱為靜態(tài)磁滯回線；用交流電對(duì)被測(cè)鐵磁樣品進(jìn)行磁化時(shí)所測(cè)繪的B－H 曲線稱為動(dòng)態(tài)磁滯回線.經(jīng)了解現(xiàn)有技術(shù)的動(dòng)態(tài)磁滯回線測(cè)繪法，只能正確測(cè)繪軟磁樣品的磁滯回線，而對(duì)硬磁樣品的磁滯回線卻不能正確的測(cè)繪，所測(cè)繪的磁滯回線是畸變的，與理論推測(cè)的磁滯回線有較大誤差.雖然用靜態(tài)磁滯回線測(cè)繪法可測(cè)繪硬磁樣品的磁滯回線，但此種方法操作繁瑣，不直觀，所測(cè)繪的磁滯回線同樣與理論推測(cè)的磁滯回線有明顯誤差.

本設(shè)計(jì)的目的就是要解決動(dòng)態(tài)磁滯回線測(cè)繪法存在的上述問(wèn)題.

2 技術(shù)方案

1）測(cè)繪鐵磁材料動(dòng)態(tài)磁滯回線的裝置，主要由數(shù)字電壓表UB、數(shù)字電壓表UH，轉(zhuǎn)換開關(guān)SB，電阻Rx、Ry，電容Cy及硬、軟磁樣品等與示波器及信號(hào)發(fā)生器通過(guò)導(dǎo)線連接組成（圖1）.

圖1 測(cè)繪硬、軟磁樣品動(dòng)態(tài)磁化特性曲線的控制電路

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)測(cè)繪硬磁樣品動(dòng)態(tài)磁滯回線產(chǎn)生畸變的原因是所測(cè)繪的硬磁樣品的磁芯導(dǎo)磁率低，而導(dǎo)磁率與電感量成正比.由于電感量的大小主要取決于鐵磁樣品的線圈的匝數(shù)、繞制方向及磁芯材料，所以，本設(shè)計(jì)將硬磁樣品的磁芯Cr12、軟磁樣品的磁芯錳鋅鐵氧體做成圓環(huán)形，另外，為了直觀觀察與了解硬、軟磁樣品的磁化特性，將硬、軟磁樣品磁芯的平均磁路長(zhǎng)度L 均設(shè)計(jì)為0.261m，硬、軟磁樣品磁芯的截面積S 均設(shè)計(jì)為5.19×10－4m2，各用一根導(dǎo)線按順時(shí)針?lè)较蚍謩e繞在硬磁磁芯上構(gòu)成初級(jí)繞組N1與次級(jí)繞組N2，各用一根導(dǎo)線按順時(shí)針?lè)较蚍謩e繞在軟磁磁芯上構(gòu)成初級(jí)繞組n1與次級(jí)繞組n2，硬、軟磁樣品的初級(jí)繞組的導(dǎo)線直徑均設(shè)計(jì)為0.44×10－3m，硬、軟磁樣品的初級(jí)繞組的匝數(shù)均設(shè)計(jì)為2280匝，硬、軟磁樣品的次級(jí)繞組的導(dǎo)線直徑均設(shè)計(jì)為0.29×10－3m，硬、軟磁樣品的次級(jí)繞組的匝數(shù)均設(shè)計(jì)為4880匝.

2）從圖1中可以看出，通過(guò)轉(zhuǎn)換開關(guān)SB 的極點(diǎn)與其動(dòng)斷、動(dòng)合位點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，使信號(hào)發(fā)生器輸出的交流信號(hào)從Lx、Hx端輸入至硬磁樣品的初級(jí)繞組N1或軟磁樣品的初級(jí)繞組n1中，產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度H1或磁場(chǎng)強(qiáng)度H2，同時(shí)在硬磁樣品的次級(jí)繞組N2或軟磁樣品的次級(jí)繞組n2中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε1或ε2.由于示波器的x 通道與Rx并接，使示波器的X 偏轉(zhuǎn)板可獲得正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度H1的電壓Ur1或正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度H2的電壓Ur2，又因?yàn)閿?shù)字電壓表UH 也與Rx兩端并接，因而可檢測(cè)到Rx兩端的電壓值Ux1或Ux2；由于示波器的y 通道與電容Cy并接，使示波器的y 偏轉(zhuǎn)板可獲得正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B1的電壓Uc1或正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B2的電壓Uc2，又因?yàn)閿?shù)字電壓表UB也與Cy并接，因而可檢測(cè)到Cy兩端電壓值Uy1或Uy2.

3 定標(biāo)

x 軸定標(biāo)：將示波器的y通道與地短路.轉(zhuǎn)換開關(guān)SB旋鈕上的指示線對(duì)準(zhǔn)面板上檢測(cè)“硬磁樣品”的指示線，硬磁樣品為Cr12，示波器的x通道靈敏度的示數(shù)Sx1設(shè)置為0.5V/cm ，信號(hào)發(fā)生器的輸出阻抗設(shè)置為600Ω，輸出的交流信號(hào)電壓設(shè)置為0～60V，頻率為50Hz.調(diào)信號(hào)發(fā)生器輸出交流電壓為適當(dāng)值，使示波器顯示屏的x 軸方向呈現(xiàn)長(zhǎng)為X1亮線，X1亮線正比于示波器從電阻Rx兩端檢測(cè)的電壓Ur1，同時(shí)，數(shù)字電壓表UH 從Rx兩端檢測(cè)到電壓Ux1，再使轉(zhuǎn)換開關(guān)SB 旋鈕上的指示線對(duì)準(zhǔn)面板上測(cè)定“軟磁樣品”的指示線，軟磁樣品為錳鋅鐵氧體，示波器的x通道靈敏度的示數(shù)Sx2設(shè)置為0.1V/cm，信號(hào)發(fā)生器的輸出阻抗設(shè)置為5000Ω，輸出的交流電壓設(shè)置為0～60V，頻率為50Hz.調(diào)信號(hào)發(fā)生器輸出交流電壓為適當(dāng)值，使示波器顯示屏上的x 軸方向呈現(xiàn)長(zhǎng)為X2亮線，X2亮線正比于示波器從電阻Rx兩端檢測(cè)的電壓Ur2，同時(shí)，數(shù)字電壓表UH從Rx兩端檢測(cè)到電壓Ux2，

分別測(cè)出若干組對(duì)應(yīng)Ux1、Ux2的變化，其亮線X1、X2長(zhǎng)度值相應(yīng)變化的數(shù)據(jù)記錄于表1、表2中.

表1

表2

再將表1、表2 的數(shù)據(jù)分別代入式（1）和式（2），計(jì)算出硬、軟磁樣品的基本磁化曲線與磁滯回線在x 軸方向各對(duì)應(yīng)點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度.

H1為硬磁樣品的磁場(chǎng)強(qiáng)度；H2為軟磁樣品的磁場(chǎng)強(qiáng)度；Rx為電阻；L 均為硬磁磁芯與軟磁磁芯平均磁路長(zhǎng)度；N1為硬磁樣品的初級(jí)繞組匝數(shù)；n1為軟磁樣品的初級(jí)繞組匝數(shù)；Ur1為測(cè)硬磁樣品時(shí)，示波器從電阻Rx兩端測(cè)到的峰峰值電壓；Ur2為測(cè)軟磁樣品時(shí)，示波器從電阻Rx兩端測(cè)到的峰峰值電壓；Ux1為測(cè)硬磁樣品時(shí)，數(shù)字電壓表UH 從電阻Rx兩端測(cè)到的有效值電壓；Ux2為測(cè)軟磁樣品時(shí)，數(shù)字電壓表UH 從電阻Rx兩端測(cè)到的有效值電壓；Sx1為測(cè)硬磁樣品時(shí)所選擇的示波器x通道靈敏度的示數(shù)；Sx2為測(cè)軟磁樣品時(shí)所選擇的示波器x 通道靈敏度的示數(shù)；X1為測(cè)硬磁樣品時(shí)所測(cè)得的示波器顯示屏上的x 軸坐標(biāo)值；X2為測(cè)軟磁樣品時(shí)所測(cè)得的示波器顯示屏上的x 軸坐標(biāo)值.

y 軸定標(biāo)：將示波器的x 通道與地短路.轉(zhuǎn)換開關(guān)SB旋鈕上的指示線對(duì)準(zhǔn)面板上測(cè)定“硬磁樣品”的指示線，硬磁樣品仍然為Cr12，示波器的y通道靈敏度的示數(shù)Sy1設(shè)置為0.2V/cm，信號(hào)發(fā)生器的輸出阻抗設(shè)置為600Ω，輸出的交流信號(hào)電壓設(shè)置為0～60V，頻率為50Hz.調(diào)信號(hào)發(fā)生器輸出交流電壓為適當(dāng)值，使示波器熒光屏的y 軸方向呈現(xiàn)長(zhǎng)為Y1亮線，Y1亮線正比于示波器從電容Cy兩端檢測(cè)的電壓Uc1，同時(shí)，數(shù)字電壓表UB從Cy兩端檢測(cè)到電壓Uy1，再使轉(zhuǎn)換開關(guān)SB旋鈕上的指示線對(duì)準(zhǔn)面板上測(cè)定“軟磁樣品”的指示線，軟磁樣品仍然為錳鋅鐵氧體，示波器的y 通道靈敏度的示數(shù)Sy2設(shè)置為0.5V/cm，信號(hào)發(fā)生器的輸出阻抗設(shè)置為5000Ω，輸出的交流電壓設(shè)置為0～60V，頻率為50Hz.調(diào)信號(hào)發(fā)生器輸出交流電壓為適當(dāng)值，使示波器顯示屏的y 軸方向呈現(xiàn)長(zhǎng)為Y2亮線，Y2亮線長(zhǎng)度正比于示波器從電容Cy兩端測(cè)到的電壓Uc2，同時(shí)，數(shù)字電壓表UB 從Cy兩端檢測(cè)到電壓Uy2，

分別測(cè)出若干組對(duì)應(yīng)Uy1、Uy2的變化，其亮線Y1、Y2長(zhǎng)度值相應(yīng)變化的數(shù)據(jù)記錄于表3、表4中.

表3

再將表3、表4數(shù)據(jù)分別代入式（3）及式（4），計(jì)算出硬、軟磁樣品的基本磁化曲線與磁滯回線在y 軸方向各對(duì)應(yīng)點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度.

B1為硬磁樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度；B2為軟磁樣品的磁 感應(yīng)強(qiáng) 度；Ry 為 電 阻；Cy 為 電 容；S 均 為 硬磁磁芯與軟磁磁芯的截面積；N2為硬磁樣品的次級(jí)繞組匝數(shù)；n2為軟磁樣品的次級(jí)繞組匝數(shù)；Uc1為測(cè)硬磁樣品時(shí)，示波器從電容Cy 兩端測(cè)到的峰峰值電壓；Uc2為測(cè)軟磁樣品時(shí)，示波器從電容Cy 兩端測(cè)到的峰峰值電壓；Uy1為測(cè)硬磁樣品時(shí)，數(shù)字電壓表UB從電容Cy 兩端測(cè)到的有效值電壓；Uy2為測(cè)軟磁樣品時(shí)，數(shù)字電壓表UB 從電容Cy 兩端測(cè)到的有效值電壓；Sy1為測(cè)硬磁樣品時(shí)所選擇的示波器y 通道靈敏度的示數(shù)；Sy2為測(cè)軟磁樣品時(shí)所選擇的示波器y 通道靈敏度的示數(shù)；Y1為測(cè)硬磁樣品時(shí)所測(cè)得的示波器顯示屏上的y 軸坐標(biāo)值；Y2為測(cè)軟磁樣品時(shí)所測(cè)得的示波器顯示屏上的y 軸坐標(biāo)值.

4 觀察與測(cè)繪硬、軟磁樣品的基本磁化曲線與磁滯回線

轉(zhuǎn)換開關(guān)SB旋鈕上的指示線對(duì)準(zhǔn)面板上檢測(cè)“硬磁樣品”的指示線，按照檢測(cè)硬磁樣品定標(biāo)時(shí)示波器與信號(hào)發(fā)生器所設(shè)置的參數(shù)，觀察與測(cè)繪硬磁樣品的基本磁化曲線與磁滯回線；然后使轉(zhuǎn)換開關(guān)SB旋鈕上的指示線對(duì)準(zhǔn)面板上測(cè)定“軟磁樣品”的指示線，按照檢測(cè)軟磁樣品定標(biāo)時(shí)示波器與信號(hào)發(fā)生器所設(shè)置的參數(shù)，觀察與測(cè)繪軟磁樣品的基本磁化曲線與磁滯回線.

5 技術(shù)效果

1）本設(shè)計(jì)在研究鐵磁材料磁化特性或電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，能觀察和測(cè)繪硬、軟磁樣品的動(dòng)態(tài)磁滯回線，觀察、測(cè)繪速度快，檢測(cè)方法簡(jiǎn)便.方便了對(duì)硬、軟磁樣品磁化特性的直觀了解和測(cè)繪，特別是能對(duì)硬磁樣品進(jìn)行動(dòng)態(tài)磁滯回線的測(cè)繪，從而有助于對(duì)鐵磁材料磁化特性的全面了解與研究.

2）本裝置中采用數(shù)字電壓表UB、數(shù)字電壓表UH 對(duì)示波器x 軸與y 軸定標(biāo)，提高了測(cè)繪硬、軟磁樣品磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的精度.

［1］王銀峰，陶純匡，汪濤等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.213～214

［2］孫晶華，梁藝軍，關(guān)春穎等.操縱物理儀器 獲取實(shí)驗(yàn)方法［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.119～120

［3］周新云.電工技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.170～171

［4］劉雅茹，張明利，張景嬌.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2000.177～178