一種磁滯回線數(shù)據(jù)自動采集的實(shí)驗(yàn)方法

樊慧敏， 陳建軍， 段穎妮， 劉雅楠

（新疆醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，烏魯木齊830011）

0 引 言

磁滯回線是描繪鐵磁性材料磁化性質(zhì)的重要曲線［1-2］，也是制造選擇鐵磁材料的重要依據(jù)，在工程領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用［3-4］。在實(shí)驗(yàn)中通常采用兩種方法來采集磁滯回線的數(shù)據(jù)，一種方法是采用智能磁滯回線測試儀［5］，另外一種就是示波器方法［6-7］。智能磁滯回線測試儀可以逐點(diǎn)測量磁滯回線的數(shù)據(jù)，然后通過軟件繪制出相應(yīng)的磁滯回線；示波器可以將外加磁場信號（H）和磁感應(yīng)強(qiáng)度信號（B）分別采集到示波器中，通過利薩如圖形合成的方法來繪制磁滯回線。［8］智能磁滯回線測試儀的優(yōu)點(diǎn)是能夠準(zhǔn)確地了解磁化特性中的細(xì)節(jié)，但是測量起來比較費(fèi)時(shí)，需要逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，只有在數(shù)據(jù)測量完成繪制成圖形后才能確定鐵磁材料的基本性質(zhì)［5，9］；而示波器可以直觀地觀測磁滯回線［10］，也可以比較方便地觀測多種參數(shù)下磁化曲線的變化，但是數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)不能通過示波器顯示出來［11］。示波器的出現(xiàn)和發(fā)展使得磁滯回線數(shù)據(jù)的快速測量變成了現(xiàn)實(shí)。本文基于磁滯回線測量的基本原理，采用示波器的方法，利用LabVIEW程序和USB 接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)磁滯回線數(shù)據(jù)在PC 機(jī)上的自動采集和處理。

1 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

如圖1（a）所示，實(shí)驗(yàn)裝置主要由四通道數(shù)據(jù)存儲示波器（TDS-2004B）、磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀（TH-MHC）和PC機(jī)組成。磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀通過兩個(gè)同軸電纜將信號傳輸給示波器，示波器與PC 機(jī)可以用USB 和LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)交互。實(shí)驗(yàn)操作簡單易行，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，而且可系統(tǒng)地研究磁滯回線特性。示波器測量B-H曲線的實(shí)驗(yàn)線路如圖1（b）所示。本實(shí)驗(yàn)研究的鐵磁物質(zhì)為環(huán)型矽鋼片，N1為勵磁繞組的匝數(shù)，N2為用來測量磁感應(yīng)強(qiáng)度B 而設(shè)置的繞組的匝數(shù)，稱為測量繞組，R1為勵磁電流取樣電阻。設(shè)通過N1的交流勵磁電流為i1，根據(jù)安培環(huán)路定律［12-13］：

式中：L 為樣品的平均磁路長度。N1、R1均為已知常數(shù)，所以由取樣電阻R1上電壓u1可確定磁場強(qiáng)度H的值。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，由于樣品中的磁通φ的變化，在測量線圈中產(chǎn)生的感生電動勢的大小為：

式中：S為樣品磁路（鐵芯）的截面積；i2為感生電流；u2為電容C2兩端電壓。因C2、R2、N2和S 均為已知常數(shù)。故可以通過測量電容兩端電壓u2確定磁感應(yīng)強(qiáng)度B。因此如圖1（b）中的u1（uH）和u2（uB）分別接到示波器的“CH1 X”和“CH2 Y”便可觀察樣品的動態(tài)磁滯回線。

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 示波器與PC機(jī)交互技術(shù)

實(shí)驗(yàn)中，四通道示波器可以通過前面板USB 端口與PC機(jī)無縫連接，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)的交互和存儲。示波器與PC 機(jī)的交互主要靠LabVIEW 中LC9420波形讀取編譯模塊實(shí)現(xiàn)的，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)從示波器上讀取數(shù)據(jù)的功能，并將其編譯成字符串?dāng)?shù)據(jù)。在圖2 中，VISA resource name 模塊代表的就是實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)源（示波器的信號），LC9420 模塊就是將示波器信號轉(zhuǎn)化為字符串?dāng)?shù)據(jù)。程序設(shè)計(jì)中可以選擇信號源的傳輸通道和采集數(shù)據(jù)點(diǎn)的總量。同時(shí)數(shù)據(jù)的讀取還需要在程序中設(shè)置示波器的讀取源代碼，這些源代碼由示波器制造商提供，雖然這些代碼是按國際標(biāo)準(zhǔn)制定的，但是不同的廠家給出的代碼稍有不同。

圖1 磁滯回線實(shí)驗(yàn)測量裝置實(shí)物圖和原理圖

2.2 數(shù)據(jù)分析和編譯

事實(shí)上，通過LC9420 模塊讀取的字符串?dāng)?shù)據(jù)不能在虛擬的波形顯示模塊上顯示，必須將其轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制或者十進(jìn)制的數(shù)字才能顯示。因此首先必須對這些字符串?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行編譯。這是LC9420 模塊的另一個(gè)功能。字符串?dāng)?shù)據(jù)要寫入PC 機(jī)的緩存中，然后根據(jù)需要讀取一定數(shù)量的數(shù)據(jù)，再通過掃描字符串子模塊將字符串轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制或十進(jìn)制數(shù)據(jù)。為了節(jié)省PC機(jī)的內(nèi)存，程序還將這些數(shù)據(jù)壓縮成簇［14］，整個(gè)過程如圖3 所示。

實(shí)驗(yàn)中另一個(gè)目標(biāo)是測量結(jié)果的可視化和實(shí)時(shí)性，程序前面板能夠顯示出與示波器信號一致的圖樣，這就要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。簇?cái)?shù)據(jù)不能直接由虛擬波形顯示器顯示出來，必須通過一個(gè)波形分析子模塊實(shí)現(xiàn)此轉(zhuǎn)換。另外簇?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)要有原來的字符串?dāng)?shù)據(jù)作為參考，并且在存儲單元中形成一一對應(yīng)關(guān)系。在波形分析時(shí)需要再次從信號源中讀出一組字符串?dāng)?shù)據(jù)與之對應(yīng)，如圖4 所示。圖中用紅色方框標(biāo)記的就是波形分析子模塊。經(jīng)過該模塊的處理，簇?cái)?shù)據(jù)變成了十進(jìn)制的信號數(shù)據(jù)，這樣數(shù)據(jù)就能在程序的虛擬波形顯示器上顯示，最終達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控信號的目標(biāo)。

圖2 示波器數(shù)據(jù)交互模塊

圖3 LC9420數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊

圖4 LC9420波形編譯模塊

2.3 數(shù)據(jù)處理和保存

數(shù)據(jù)處理過程就是去除噪聲，優(yōu)化顯示圖形的質(zhì)量，提高測量精度。數(shù)據(jù)處理分為兩步。首先用濾波器對采集到的信號進(jìn)行濾波處理，采用的是帶通濾波方式［15］。由于信號源的頻率為50 Hz，將帶通頻率設(shè)置為40 ～60 Hz。通過帶通濾波可以將其他波段的噪聲全部濾除。濾波后將信號分別傳輸給圖像顯示模塊的X-Y通道，這樣圖像顯示模塊就能將兩路信號進(jìn)行合成利薩如圖形，即B-H磁滯回線。但是信號只通過濾波器處理，噪聲信號依然較大，圖像質(zhì)量并不理想。

為了進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量，本實(shí)驗(yàn)選用一種簡單有效的方法——多次采集數(shù)據(jù)相加再取平均值。實(shí)驗(yàn)中通常是100 次數(shù)據(jù)采集的平均值，但本實(shí)驗(yàn)不是直接將數(shù)據(jù)采集100 次進(jìn)行平均，這樣會等待較長時(shí)間后才能看到測量結(jié)果。如果測量結(jié)果不理想，這段時(shí)間就被浪費(fèi)。因此，數(shù)據(jù)測量過程中，采用的方法是先取2 次測量平均值，然后再進(jìn)行累加，這樣的話如果出現(xiàn)外界信號干擾，就可以及時(shí)停止數(shù)據(jù)采集。方法是將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入一個(gè)數(shù)組中，用一個(gè)For 循環(huán)對數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是通過數(shù)組的局部變量傳輸?shù)?，這樣平均的次數(shù)會以2 為等差數(shù)列進(jìn)行累加，最終獲得的信號是100 多次的平均值。噪聲信號的隨機(jī)性使得這種信號處理方法非常有用。圖5 所示為數(shù)據(jù)處理模塊。

LabVIEW程序平臺還提供較為直觀方便的數(shù)據(jù)保存模塊［16］。本實(shí)驗(yàn)首先利用局部變量將兩路數(shù)據(jù)傳輸給一個(gè)二維數(shù)組，二維數(shù)組直接與一個(gè)電子表格文件模塊相連，電子表格模塊可以設(shè)置數(shù)據(jù)的bit 數(shù)，并且可以根據(jù)需求對其命名。電子表格模塊還可以設(shè)置存儲路徑，使用極其方便快捷。另外，數(shù)據(jù)采集操作非常簡單，程序的前面板如圖6 所示。數(shù)據(jù)采集時(shí)，只要用鼠標(biāo)單擊一下運(yùn)行箭頭（紅色方框標(biāo)記），數(shù)據(jù)采集完成單擊一下“STOP”按鈕，并根據(jù)需要給數(shù)據(jù)文件命名即可完成測量。

圖5 磁滯回線數(shù)據(jù)處理模塊

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量和分析

本文主要做了3 個(gè)方面的測量，即R1的選擇對鐵磁物質(zhì)磁滯回線特性的影響、磁化和退磁過程中磁滯回線的特征和異同。

3.1 R1 的選擇對鐵磁物質(zhì)磁滯回線特性的影響

該實(shí)驗(yàn)測量過程外加電壓設(shè)置為2.2 V，對應(yīng)R1的選擇分別為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 和5 Ω，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 磁滯回線圖像隨取樣電阻R1 的變化

從圖7 可獲得以下信息：

（1）由圖可見，所有的磁滯回線交于兩點(diǎn)，分別對應(yīng)于剩磁Br和-Br，說明剩磁是材料的固有屬性，不隨著取樣電阻的變化而變化；

（2）發(fā)生磁飽和現(xiàn)象時(shí)，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm的值趨于一個(gè)確定的值，這一點(diǎn)也顯示出磁飽和時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度是一個(gè)與鐵磁材料自身特性有關(guān)的物理量；

（3）取樣電阻越小，磁性物質(zhì)越容易達(dá)到磁飽和狀態(tài)；

（4）取樣電阻越小，磁體的磁能密度越小，因此在交變磁場中，取樣電阻越大勵磁和去磁消耗的能量越大；

（5）取樣電阻越小，磁導(dǎo)率μ ＝B／H變化越快。

3.2 勵磁和退磁過程

在勵磁和退磁過程中，取樣電阻R1的值均設(shè)置為2.5 Ω，電壓分別為0.5、1.0、1.2、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8 和3.0 V。由圖8 可知，勵磁和退磁雖然是互逆的過程，但是磁滯回線既有相同點(diǎn)，也有不同之處。

圖8 勵磁和退磁過程中磁滯回線

（1）不管是勵磁過程還是退磁過程，磁滯回線的變化都是隨外加電壓的增大而變大；

（2）磁滯回線所圍成的面積隨外加電壓增大而增大，最終趨于一個(gè)最大值。這說明磁性材料能夠存儲的能量是由材料的自身性質(zhì)決定的；

（3）退磁過程中磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的值變化都要高于勵磁過程中相應(yīng)的值；

（4）在電壓為2.0 V以下時(shí)，磁滯回線的變化非常小，退磁和勵磁的測量結(jié)果幾乎相同，可以斷定退磁和勵磁過程中，磁性曲線的變化對勵磁和退磁的特性有重要影響。

4 結(jié) 語

鑒于磁滯回線在工程實(shí)踐過程中的重要性，一種快速、有效、精確地測量磁滯回線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法具有很好的實(shí)用價(jià)值。根據(jù)所測的磁滯回線可以很快了解磁性材料的特征，并由此辨別軟磁材料、硬磁材料以及矩磁材料，這些將成為設(shè)計(jì)電磁機(jī)構(gòu)和儀表的重要依據(jù)之一。