基于LabVIEW 的巨磁阻抗自動測量與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)開發(fā)

邵先亦， 杜達(dá)敏

（臺州學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，浙江臺州318000）

0 引 言

巨磁阻抗（Giant Magneto Impedawce，GMI）效應(yīng)［1］是軟磁材料交流阻抗在外磁場作用下發(fā)生劇烈變化的現(xiàn)象。GMI效應(yīng)具有10－8～102Oe弱磁場檢測能力和高達(dá)500% ／Oe磁場靈敏度［2］，且響應(yīng)快、非接觸、穩(wěn)定性好，廣泛應(yīng)用于智能檢測、自動控制等領(lǐng)域，以彌補傳統(tǒng)磁傳感器的不足，受到人們廣泛關(guān)注。要表征材料GMI特性，需要測量幾十個甚至上百個不同頻率和不同磁場下的阻抗數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的手動測量方式，不僅耗時費力，容易造成人為錯誤，而且無法直觀并即時地反映測量結(jié)果。后續(xù)數(shù)據(jù)處理，更要付出大量的勞動，才能繪制出GMI特性曲線并對材料GMI性能作出評價。實現(xiàn)GMI效應(yīng)測量和數(shù)據(jù)處理自動化，讓測試人員和客戶從繁復(fù)的測試和數(shù)據(jù)處理工作中解放出來，這對于提高測試效率，節(jié)約勞動成本有重要意義。隨著智能儀器的快速發(fā)展，高精度、高性能阻抗分析儀在電子元器件和材料性能測試［3-4］中的應(yīng)用越來越廣泛，精密阻抗分析儀已成為高校材料GMI性能測試的標(biāo)準(zhǔn)配置［5-7］。目前精密阻抗分析儀以進口為主，價格高達(dá)十幾萬甚至幾十萬元，實現(xiàn)高效、自動測量對于提高設(shè)備使用效益有現(xiàn)實意義。

LabVIEW虛擬儀器以其直觀的圖形化編輯語言，強大的數(shù)據(jù)存儲和處理優(yōu)勢，被業(yè)界視為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，在測量和自動控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛［8-10］?；贚abVIEW虛擬儀器技術(shù)，國內(nèi)有部分高校開展了GMI效應(yīng)自動測量的相關(guān)研究和開發(fā)工作。郭成銳等［11］基于PXI總線數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW虛擬儀器，構(gòu)建了巨磁阻抗測量系統(tǒng)，能夠滿足一般GMI材料性能測試要求，但是由于受硬件條件限制，無法實現(xiàn)磁場連續(xù)變化情況下磁阻抗自動測量。針對精密阻抗分析儀，開發(fā)了基于LabVIEW虛擬儀器的GMI效應(yīng)多參數(shù)測量系統(tǒng)［12］，實現(xiàn)了多個可選頻率下的磁阻抗測量、曲線保存和記錄查詢等功能，但未能實現(xiàn)掃頻和掃磁場聯(lián)合自動測量以及GMI數(shù)據(jù)自動處理和特性曲線呈現(xiàn)。本文利用精密阻抗分析儀、可編程直流穩(wěn)壓電源，基于LabVIEW虛擬儀器，開發(fā)了GMI效應(yīng)自動測量和數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)，適用于一般軟磁材料GMI效應(yīng)的測量和研究，和面向本科生開展GMI效應(yīng)演示實驗。

1 GMI測量原理

GMI效應(yīng)測量原理如圖1所示。軟磁材料試樣置于由亥姆霍茲線圈提供的直流外磁場中，磁場大小通過調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源輸出電流來改變。阻抗分析儀與試樣之間通過4端線連接，阻抗分析儀輸出等幅振蕩電流流過試樣，同時通過自動平衡電橋技術(shù)測量試樣在外磁場作用下的阻抗。由于材料磁滯效應(yīng)，連續(xù)瞬變的磁場會對測量數(shù)據(jù)造成影響，加上測量平均次數(shù)要求，因此要求每個磁場持續(xù)一定時間，產(chǎn)生如圖2所示的階梯狀周期變化磁場。磁阻抗測量通常采用2種方式：①測量每個固定磁場下試樣隨頻率變化的阻抗值（掃頻方式）；②測量每個固定頻率下試樣隨外磁場變化的阻抗值（掃磁場方式）。一般精密阻抗分析儀都具有掃頻功能，故采用掃頻方式測量比較方便［13］。

圖1 GMI效應(yīng)測量示意圖

圖2 階梯狀磁場示意圖

磁阻抗比隨頻率變化特性和不同頻率下隨外磁場變化特性是反映材料GMI性能的兩個最重要的特性曲線，如圖3所示。

圖3 GMI特性曲線

圖3 （a）為材料GMI效應(yīng)隨頻率變化特性和GMI最佳響應(yīng)頻率，其中磁阻抗比ΔZ／Zm定義為零磁場阻抗相對于最大磁場阻抗變化的百分比：

式中：Z0和Zm分別為樣品在磁場為0和最大磁場時的阻抗。圖3（b）為特定頻率下材料GMI隨外磁場變化特性，這里磁阻抗比ΔZ／Z定義為某一頻率下外磁場為H時的阻抗相對于最大磁場阻抗變化的百分比：

式中：ZH為樣品在磁場為H時的阻抗。因此，要表征材料GMI特性，需要測量不同外磁場和不同頻率的阻抗數(shù)據(jù)。

2 GMI效應(yīng)自動測量和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 總體設(shè)計方案

本測量系統(tǒng)硬件由電腦、精密阻抗分析儀、IT6164可編程直流穩(wěn)壓電源和亥姆霍茲線圈組成。根據(jù)GMI效應(yīng)測量原理，實現(xiàn)4個基本功能：端口通信與儀器控制；產(chǎn)生階梯變化磁場；采集阻抗數(shù)據(jù)生成報表；數(shù)據(jù)處理與結(jié)果表達(dá)。程序采用順序結(jié)構(gòu)模式，各單元功能模塊相對獨立，集中控制，工作流程如圖4所示。

圖4 GMI自動測量與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)流程圖

2.2 虛擬儀器開發(fā)

（1）端口通信與儀器控制。LabVIEW VISA是儀器標(biāo)準(zhǔn)的I／O應(yīng)用程序編程接口，利用VISA通過RS-232串口、GPIB端口分別對直流穩(wěn)壓電源和阻抗分析儀進行通信和控制。端口通信參數(shù)設(shè)置程序前面板如圖5所示，穩(wěn)壓電源串口設(shè)置包括設(shè)定端口號、波特率、停止位、校驗位、數(shù)據(jù)位等；阻抗分析儀設(shè)置包括設(shè)置端口地址、選擇測量參數(shù)、信號及其掃描參數(shù)、采樣點數(shù)、測量數(shù)據(jù)平均次數(shù)等。

圖5 參數(shù)設(shè)置程序前面板

（2）階梯變化磁場的產(chǎn)生。由亥姆霍茲線圈磁場與電流關(guān)系：

式中：N為線圈匝數(shù)；r為線圈有效半徑；I為流經(jīng)線圈的電流。可得磁場H與電流I呈線性關(guān)系。通過串口寫入穩(wěn)壓電源SCPI電流輸出指令，實現(xiàn)磁場的產(chǎn)生和控制。階梯磁場程序框圖如圖6所示，包括電源輸出開啟，F(xiàn)or循環(huán)逐一寫入SCPI指令、循環(huán)結(jié)束、關(guān)閉串口3部分。具體測量中，可通過修改電流指令字符串來改變磁場的大小及步幅。通過在For循環(huán)中設(shè)定定時器，設(shè)定每個電流輸出（即磁場）保持時間，產(chǎn)生波形如圖2所示的階梯變化磁場，同時滿足測量數(shù)據(jù)平均次數(shù)時間要求。

圖6 階梯磁場程序框圖

（3）采集數(shù)據(jù)生成報表。數(shù)據(jù)采集與報表生成程序段如圖7（a）所示，將數(shù)據(jù)采集程序中的點劃虛線框部分套嵌入電源控制程序的事件結(jié)構(gòu)中，即可實現(xiàn)磁場變化與數(shù)據(jù)采集同步。GMI效應(yīng)研究通常需要分析阻抗實部R和虛部X對材料GMI特性的影響，因此A、B通道測量參數(shù)一般設(shè)置為“R-X”。其工作過程是：首先由For循環(huán)對每一磁場下的A、B通道掃頻數(shù)據(jù)進行采集，每次采集的數(shù)據(jù)經(jīng)位移寄存器循環(huán)索引存入二維數(shù)組，同時經(jīng)簇函數(shù)捆綁后，由X-Y圖實時顯示掃頻曲線；其次采集到的A、B通道掃頻數(shù)據(jù)經(jīng)二維數(shù)組轉(zhuǎn)置后，按設(shè)定的路徑一次性寫入Excel文件，生成如圖7（b）所示的按磁場分列的阻抗實部R（虛部報表格式相同，未給出）掃頻數(shù)據(jù)Excel報表；之后利用ActiveX選板按對應(yīng)列提取Excel報表R、X數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)數(shù)組運算，生成阻抗Z的Excel報表。報表生成程序可為研究人員節(jié)省大量的數(shù)據(jù)整理時間，并方便后續(xù)利用繪圖軟件進行數(shù)據(jù)處理。

圖7 數(shù)據(jù)采集與報表生成

（4）數(shù)據(jù)處理與結(jié)果表達(dá)。如前所述，頻率特性曲線和隨外磁場變化曲線是反映材料GMI性能的兩個重要特性曲線。一般需要將測得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin等繪圖軟件作出圖線，才能對材料的GMI性能進行評價。而利用LabVIEW強大的數(shù)據(jù)處理和圖表功能，則可以即時顯示測試結(jié)果，為及時評價試樣GMI性能帶來很大方便。GMI頻率特性和隨外磁場變化特性數(shù)據(jù)處理程序如圖8（a）、（b）所示。圖8（a）所示的程序功能是分別將Z、R、X報表數(shù)據(jù)輸入索引數(shù)組，索引0磁場和最大磁場對應(yīng)的數(shù)據(jù)列，按式（1）分別計算磁電阻比ΔR／Rm、磁電抗比ΔX／Xm和磁阻抗比ΔZ／Zm，由X-Y圖顯示如圖3（a）所示的頻率特性曲線。圖8（b）為根據(jù)圖8（a）運算結(jié)果，用最大值與最小值數(shù)組獲取磁阻抗比最大值所在數(shù)據(jù)坐標(biāo)，并以此坐標(biāo)值索引最大值所在列數(shù)據(jù)和最大磁場對應(yīng)的單元數(shù)據(jù)，據(jù)式（2）計算最佳響應(yīng)頻率下不同外磁場的ΔZ／Z值，繪制如圖3（b）所示的最佳頻率下的ΔZ／Z隨外磁場變化曲線，同理可計算并給出ΔR／R、ΔX／X隨外磁場變化曲線，直觀地反映出ΔR／R、ΔX／X、ΔZ／Z 曲線及3者之間的關(guān)系。按照類似方法，可以進一步繪制出不同頻率下GMI隨外磁場變化特性，便于反映和比較測試頻率對試樣GMI隨外磁場變化特性的影響。另外，可從X-Y曲線圖直接導(dǎo)出數(shù)據(jù)至Excel表，供后續(xù)繪圖軟件進一步分析。

圖8 GMI數(shù)據(jù)處理程序

3 測量系統(tǒng)試驗

利用該GMI效應(yīng)虛擬儀器測量系統(tǒng)，對FeSiB三明治薄帶多角度（薄帶帶軸與外磁場夾角）GMI效應(yīng)進行了連續(xù)測量試驗。程序設(shè)定磁場從－23～23 kA／m變化51次，每個磁場保持10 s，測量參數(shù)選擇“R-X”，測量數(shù)據(jù)8次平均，運行程序，實時顯示測量數(shù)據(jù)曲線。程序運行結(jié)束時，自動保存數(shù)據(jù)到如圖7（b）所示的Excel文件，并進行快速數(shù)據(jù)處理，即時給出GMI特性曲線，虛擬儀器前面板及測得的30°夾角的結(jié)果如圖9所示。試驗結(jié)果表明，該測試系統(tǒng)能很好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集，并清晰反映試樣GMI隨頻率和外磁場變化特性，便于測量者或客戶對材料GMI特性及時作出判斷；經(jīng)連續(xù)試驗，該測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定，自動化程度高，可以大量節(jié)省人工時間；實驗結(jié)果顯示的GMI特性曲線與相同夾角、采用手動方式直接測量的結(jié)果［14］有很好的一致性，表明測量系統(tǒng)適用于一般軟磁材料GMI效應(yīng)的測量和分析。

圖9 測量系統(tǒng)試驗結(jié)果

4 結(jié) 語

該測量系統(tǒng)通過對直流穩(wěn)壓電源和精密阻抗分析儀同步控制，實現(xiàn)多頻率、階梯變化磁場下的GMI效應(yīng)自動測量和數(shù)據(jù)處理，適用于一般軟磁材料GMI效應(yīng)的測量。系統(tǒng)運行穩(wěn)定、自動化程度高，能大大提高測試效率，節(jié)省后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理時間，提高大型精密儀器使用效益。穩(wěn)壓電源控制、精密阻抗分析儀控制、數(shù)據(jù)采集與處理等程序模塊都可以獨立使用，能為具有同類儀器的高校或企業(yè)GMI效應(yīng)自動測量以及利用可編程穩(wěn)壓電源進行溫度場控制下的巨磁阻、介電材料溫度特性等的自動測量提供借鑒。