靜態磁特性參數的測量研究

杜永蘋， 李 鋒

（1．西安航空技術高等專科學校 電 氣工程系， 陜西 西 安 7 10077；2．英飛凌科技西安有限公司 陜 西 西 安 7 10075）

磁性材料的種類繁多、性能各異，磁性材料的磁特性測量成為相關領域面臨的重要問題之一。軟磁材料的靜態磁特性測量方法主要有沖擊法、矯頑力計法等；雖然沖擊法簡單，但測試速度慢；隨著電子技術和單片機技術的不斷發展，使得數據采集、自動化測試技術飛速發展。本文根據傳統沖擊法測量的基本原理，利用單片機技術，設計了軟磁材料磁性測量系統，實現了對軟磁材料磁性的測量，其測量簡單，提高了測量精度。

1 基本測量原理

沖擊法是測量靜態磁特性參數的一個重要方法，其基本原理如圖1所示。它包括試樣A為環形樣品、磁化電路、測量電路和常數校準電路4部分。磁化電路由磁化線圈N1及電阻R1、R2、電源U和開關S1、S2、S3（S1，S2為換向開關）組成。測量電路，包括測量線圈N2、沖擊檢流計G、限流電阻Rs和保護開關S4等。常數校準電路包括標準互感器M、沖擊檢流計G以及電源電路[1]。

傳統的沖擊法測量中，須利用標準互感器測定沖擊常數Cφ，對磁性材料進行退磁，退磁采用直流換向退磁，反復改變電流方向，同時，使電流逐漸減小，直到為零。

圖1 沖擊法測量靜態磁特性的原理圖

調節R1、R2，建立起比較小的磁場H1，然后利用開關S2，將磁化電流改變若干次（6～8次）進行磁鍛煉，再進行測量。測量時將電流的方向急劇地改變，同時讀取檢流計的第一次最大偏轉角α1，便可測定相應的磁通改變量，即

式中，Cφ為沖擊常數，它由標準互感器預先測定，N2為測量線圈匝數，S為試樣截面面積。

環形樣品的磁場強度的平均值可以根據安培表的讀數獲得。

式中，D為環形試樣平均直徑[3]。

實驗中，沖擊檢流計的指針發生偏轉是要求必須及時、準確的讀取數據，但指針式儀表在讀數時會產生視覺誤差，因此提出將沖擊檢流計數字化，消除讀數誤差，并且自動保持數據顯示直到下次測量數據到來，此方法簡便、快速、準確。因此，利用單片機技術，對沖擊檢流計進行數字化改進。

2 數字式沖擊檢流計測量基本原理

改進后的數字式沖擊檢流計無法測出沖擊常數，為避開測定沖擊常數這一項，對測量方法進行改進。圖2為數字式沖擊檢流計測量原理圖。

圖2 數字式沖擊檢流計測量原理圖

圖2中，標準互感器的互感系數為0.1 H，環行形樣品N1的匝數為120匝，N2為40匝；S2閉合，開關S1接通環形樣品時，若N1通過的電流強度為I，則在線圈N2產生感應電動勢，此信號送入數字式沖擊檢流計進行數據處理[4]，并且將檢流計所遷移的電量送入顯示電路顯示，就可求出磁感應強度B[5]。理論推導如下：

則通過式（4）～式（6），得到

式中，N2為副邊匝數，S為樣品有效截面積，R電阻包括沖擊檢流計的內阻、環行樣品的電阻及標準互感器次級線圈的電阻R的測量可通過萬用表測得或利用公式計算。

若斷開環行樣品，S1接標準互感器，使互感器的初級線圈通過電流I，則產生的感應電動勢為

則通過式（8）～式（10）得

R在測量過程中保持不變，M為標準互感器的互感常數，I0為標準互感器工作電流。所以將式（11）代入式（7）得磁感應強度B為

式（12）為改進后的公式，可以看出數字式沖擊檢流計測量中，不需測量沖擊常數。

3 測量結果及數據分析

3.1 測量結果

經過測試，其測量結果可以看出，當勵磁流電流逐漸增大，開關的狀態由閉合到斷開，測得電荷量值的變化。例如：當勵磁電流為4 mA時，開關由閉合到斷開過程中，所測得的電荷量從-21.4 nC變化為21.9 nC；而當勵磁電流為100 mA時，開關由閉合到斷開過程中，所測得的電荷量從410 nC變化為413.4 nC。

3.2 數據處理

沖擊檢流計的內阻、環行樣品的電阻及標準互感器次級線圈的電阻等也可通過萬用表測得其總電阻值為6.7 kΩ。環形樣品磁感應強度磁場強度其中，μ=3.98為環行樣品的磁導率，R=8 mm為環行樣品的平均半徑。利用測量公式可求得N1通過不同的激勵電流時所產生的磁感應強度。以H為橫坐標、B為縱坐標可畫出磁化曲線[6]，如圖3所示。

圖3磁化曲線

通過磁化曲線可以得出磁場強度從0增加，樣品的磁感應強度隨之從0增加，每個H值的磁化下都對應了一個B值，并且當勵磁電流達到500 mA時，磁感應強度幾乎不變，可認為樣品材料內部的磁場達到了飽和值。

4 結論

通過實驗可知，利用數字式沖擊檢流計測靜態磁特性操作方便、讀數省事，并且測得的數據可以停留在顯示屏上一段時間，在實驗操作過程中減少了人為因素，測量精度較高。

[1]周世昌.磁性測量[M].北京：電子工業出版社，1994：51-61.

[2]王易真.實用磁路設計[M].北京：國防工業出版社，2008：10-50.

[3]莊建紅.虛擬儀器技術的軟磁材料動態磁性測量系統[J].北京：機械工業學院學報，2007（9）：30-31.

[4]李勛.單片機實用教程[M].北京：北京航空航天出版社，2000：40-100.

[5]張志東.大學物理實驗[M].北京：科學出版社，2007：157-160.

[6]梅志紅.Matlab程序設計基礎及應用[M].北京：清華大學出版社，2005：121-150.