一種磁滯回線數據自動采集的實驗方法

樊慧敏， 陳建軍， 段穎妮， 劉雅楠

（新疆醫(yī)科大學醫(yī)學工程技術學院，烏魯木齊830011）

0 引 言

磁滯回線是描繪鐵磁性材料磁化性質的重要曲線［1-2］，也是制造選擇鐵磁材料的重要依據，在工程領域有著重要的應用［3-4］。在實驗中通常采用兩種方法來采集磁滯回線的數據，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測量磁滯回線的數據，然后通過軟件繪制出相應的磁滯回線；示波器可以將外加磁場信號（H）和磁感應強度信號（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)點是能夠準確地了解磁化特性中的細節(jié)，但是測量起來比較費時，需要逐點采集數據，只有在數據測量完成繪制成圖形后才能確定鐵磁材料的基本性質［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下磁化曲線的變化，但是數據的細節(jié)不能通過示波器顯示出來［11］。示波器的出現和發(fā)展使得磁滯回線數據的快速測量變成了現實。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，實現磁滯回線數據在PC 機上的自動采集和處理。

1 實驗原理及裝置

如圖1（a）所示，實驗裝置主要由四通道數據存儲示波器（TDS-2004B）、磁滯回線實驗儀（TH-MHC）和PC機組成。磁滯回線實驗儀通過兩個同軸電纜將信號傳輸給示波器，示波器與PC 機可以用USB 和LabVIEW程序實現數據交互。實驗操作簡單易行，數據準確，而且可系統地研究磁滯回線特性。示波器測量B-H曲線的實驗線路如圖1（b）所示。本實驗研究的鐵磁物質為環(huán)型矽鋼片，N1為勵磁繞組的匝數，N2為用來測量磁感應強度B 而設置的繞組的匝數，稱為測量繞組，R1為勵磁電流取樣電阻。設通過N1的交流勵磁電流為i1，根據安培環(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，所以由取樣電阻R1上電壓u1可確定磁場強度H的值。

根據法拉第電磁感應定律，由于樣品中的磁通φ的變化，在測量線圈中產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。故可以通過測量電容兩端電壓u2確定磁感應強度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 程序設計

2.1 示波器與PC機交互技術

實驗中，四通道示波器可以通過前面板USB 端口與PC機無縫連接，從而實現實驗測量數據的交互和存儲。示波器與PC 機的交互主要靠LabVIEW 中LC9420波形讀取編譯模塊實現的，該模塊能夠實現從示波器上讀取數據的功能，并將其編譯成字符串數據。在圖2 中，VISA resource name 模塊代表的就是實驗中的數據源（示波器的信號），LC9420 模塊就是將示波器信號轉化為字符串數據。程序設計中可以選擇信號源的傳輸通道和采集數據點的總量。同時數據的讀取還需要在程序中設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準制定的，但是不同的廠家給出的代碼稍有不同。

圖1 磁滯回線實驗測量裝置實物圖和原理圖

2.2 數據分析和編譯

事實上，通過LC9420 模塊讀取的字符串數據不能在虛擬的波形顯示模塊上顯示，必須將其轉化為二進制或者十進制的數字才能顯示。因此首先必須對這些字符串數據進行編譯。這是LC9420 模塊的另一個功能。字符串數據要寫入PC 機的緩存中，然后根據需要讀取一定數量的數據，再通過掃描字符串子模塊將字符串轉化為二進制或十進制數據。為了節(jié)省PC機的內存，程序還將這些數據壓縮成簇［14］，整個過程如圖3 所示。

實驗中另一個目標是測量結果的可視化和實時性，程序前面板能夠顯示出與示波器信號一致的圖樣，這就要求對數據進行實時顯示。簇數據不能直接由虛擬波形顯示器顯示出來，必須通過一個波形分析子模塊實現此轉換。另外簇數據轉換時要有原來的字符串數據作為參考，并且在存儲單元中形成一一對應關系。在波形分析時需要再次從信號源中讀出一組字符串數據與之對應，如圖4 所示。圖中用紅色方框標記的就是波形分析子模塊。經過該模塊的處理，簇數據變成了十進制的信號數據，這樣數據就能在程序的虛擬波形顯示器上顯示，最終達到實時監(jiān)控信號的目標。

圖2 示波器數據交互模塊

圖3 LC9420數字轉換模塊

圖4 LC9420波形編譯模塊

2.3 數據處理和保存

數據處理過程就是去除噪聲，優(yōu)化顯示圖形的質量，提高測量精度。數據處理分為兩步。首先用濾波器對采集到的信號進行濾波處理，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，圖像質量并不理想。

為了進一步提高圖像質量，本實驗選用一種簡單有效的方法——多次采集數據相加再取平均值。實驗中通常是100 次數據采集的平均值，但本實驗不是直接將數據采集100 次進行平均，這樣會等待較長時間后才能看到測量結果。如果測量結果不理想，這段時間就被浪費。因此，數據測量過程中，采用的方法是先取2 次測量平均值，然后再進行累加，這樣的話如果出現外界信號干擾，就可以及時停止數據采集。方法是將實時數據存入一個數組中，用一個For 循環(huán)對數據進行累加，實時數據是通過數組的局部變量傳輸的，這樣平均的次數會以2 為等差數列進行累加，最終獲得的信號是100 多次的平均值。噪聲信號的隨機性使得這種信號處理方法非常有用。圖5 所示為數據處理模塊。

LabVIEW程序平臺還提供較為直觀方便的數據保存模塊［16］。本實驗首先利用局部變量將兩路數據傳輸給一個二維數組，二維數組直接與一個電子表格文件模塊相連，電子表格模塊可以設置數據的bit 數，并且可以根據需求對其命名。電子表格模塊還可以設置存儲路徑，使用極其方便快捷。另外，數據采集操作非常簡單，程序的前面板如圖6 所示。數據采集時，只要用鼠標單擊一下運行箭頭（紅色方框標記），數據采集完成單擊一下“STOP”按鈕，并根據需要給數據文件命名即可完成測量。

圖5 磁滯回線數據處理模塊

3 實驗數據測量和分析

本文主要做了3 個方面的測量，即R1的選擇對鐵磁物質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 的選擇對鐵磁物質磁滯回線特性的影響

該實驗測量過程外加電壓設置為2.2 V，對應R1的選擇分別為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 和5 Ω，相應的實驗結果如圖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，分別對應于剩磁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)生磁飽和現象時，飽和磁感應強度Bm的值趨于一個確定的值，這一點也顯示出磁飽和時，磁感應強度是一個與鐵磁材料自身特性有關的物理量；

（3）取樣電阻越小，磁性物質越容易達到磁飽和狀態(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，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決定的；

（3）退磁過程中磁場強度和磁感應強度的值變化都要高于勵磁過程中相應的值；

（4）在電壓為2.0 V以下時，磁滯回線的變化非常小，退磁和勵磁的測量結果幾乎相同，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 語

鑒于磁滯回線在工程實踐過程中的重要性，一種快速、有效、精確地測量磁滯回線實驗數據的方法具有很好的實用價值。根據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，這些將成為設計電磁機構和儀表的重要依據之一。