软磁材料交流磁特性自动测试系统的设计

0 引言

软磁材料常用于动态磁化条件下工作的磁性器件上，例如各种交流电机、变压器、互感器、磁放大器等的铁芯。而磁性器件性能的好坏，主要取决于作为导磁材料的的铁芯性能的优劣。只有知道软磁材料在实际使用条件下的磁性能，才能设计出性能优良、重量体积合适、成本低廉的磁性器件。因此，软磁材料交流磁特性的测量一直受到科研和工程人员的重视。本文在传统测量方法的基础上,组建了交流磁特性自动测试实验系统，结合软硬件设计实现了软磁材料的动态磁特性的自动测量[1,2]。该系统在教学实践中被创新应用，取得了良好的教学效果。

1 测试系统硬件设计

1.1 理论概述

动态磁性能测试的对象是矫顽力Hc低于120 A/m的软磁材料。在动态磁性能测量中，必须考虑频率f、磁化时的波形、样品的规格尺寸、测量仪器和方法、测量顺序等对测量结果的影响。磁化条件下的动态磁参数几乎都是通过测量电学量和电参数并由计算得到，其中很大一部分内容是交流磁参数，它们的定义最为明确。

在交流磁化条件下，由于磁场强度周期对称变化，所以磁感应强度B也随之反对称地变化，两者变化一周所构成的曲线称为交流磁滞回线，即B-H曲线。随着交流幅值磁场强度Hm变化，可以得到一簇大小不同的交流磁滞回线，这些磁滞回线顶点构成的轨迹就是交流磁化曲线，简称为Bm-Hm曲线。交流幅值磁场强度增大到饱和磁场强度Hs，磁滞回线面积不再增加，此时的回线称为极限磁滞回线。极限磁滞回线的退磁曲线与纵轴和横轴的交点值分别表示剩磁Br和矫顽力Hc。幅值磁导率μα可按式(1)求得，由μα和Hm构成磁导率曲线，记为μα/Hm曲线[3]。

(1)

1.2 测试原理

交流磁特性测试实验系统的原理框图如图1所示。图中磁化回路由程控低频交流电源、磁化线圈N1和无感取样电阻R组成，其中低频交流电源为闭合磁化线圈N1提供磁化电流，该电流经取样电阻转换为电压后再经放大，便进入数据采集卡的A/D端；测试线圈N2感应出的电压信号经积分、相移、放大后，同样送入采集卡A/D口。计算机系统对上述两路送入A/D口的信号进行采集、分析最终实现磁特性曲线及磁参数的测试和显示。以下对系统各部分的工作原理作详细介绍。

图1 测试系统原理框图

软磁材料样品中的磁场信号是通过系统中线圈N1、N2两路取出的。在磁化线圈N1中产生的磁场强度H为

(2)

满足该条件时，圆环的平均直径取其内外径的平均值如果不满足式(7)，则应该采用谐和直径Dh来代替平均直径以减小误差。谐和直径Dh的计算公式为

由式(2)可知，当样品的N1和l不变时，磁化电流i(t)的大小与磁场强度H成正比。由于磁化线圈中串入取样电阻R，因此R两端的电压uR(t)经放大后为

(3)

式中：kH——H路的放大倍数。

与国内的工作环境相比 ，境外工作将面对的是一个完全不同的工作环境 （其中包括社会、政治、经济、法律、风俗习惯、地理气候、施工工艺等方面），所以对所有参与海外项目的工作人员提出了高标准、高水平、高素质的严格要求。

由式(3)可知，uH(t)与磁场强度H成正比关系。同理根据电磁感应定理，测试线圈N2两端感应到的电压u2(t)为

(4)

草莓育苗可在露天的环境下进行，选择相应的匍匐茎，在形成秧苗后与母株分开，形成新的草莓苗株。在母株栽培的过程中，应保证每株之间的距离约为70厘米，及时去除生长出花蕾，保证匍匐茎的快速生长。母株生长的过程中，根据土地的实际情况，针对性地调整施肥和浇水，保证土壤处于湿润的状态，促进匍匐茎的根部生长。由于草莓比较矮小，易受到杂草的影响，在栽培的过程中，除草工作非常重要，通常情况下，每年8～9月为定植期。当草莓的匍匐茎长出幼叶时，为促进匍匐茎生根，幼叶的前端用土覆盖，并喷洒生根剂，在定植期，每株草莓的匍匐茎保留5个作用最佳，若匍匐茎的数量较多，应该及时的去除，确保留下的匍匐茎可以生长成壮苗。

式中：N2——测试线圈的匝数；S——试样的横截面积(m2)。

u2(t)电压经积分、相位补偿和放大后为

SPSS21.0统计软件分析数据，用χ2检验计数资料组间率，计数资料用例数[n(%)]表示，P＜0.05为差异具统计意义。

(5)

通过改变C/N同时添加辅料等方法对纳豆进行混合处理，对上述实验方法完成的纳豆进行感官评价的结果见表4。

由式(5)可知，uB(t)与磁感应强度B成正比。因此，磁场强度H和磁感应强度B两路磁参量的测量，总的来说可归结为uH(t)和uB(t)信号的获取，将两路信号进行采集并分析处理，最终得到被测软磁材料的磁特性和磁参数。

计算机通过采集卡获取一个磁化周期内的H、B两路电压信号，即可得到一条磁滞回线B-H。从小到大改变交流电源信号的幅度，就可获得一簇磁滞回线，由各个磁滞回线的顶点Bm、Hm值，可得到交流磁化曲线Bm-Hm。当磁性材料达到饱和时，从饱和的磁滞回线上可以求出饱和磁感应强度Bs、饱和磁场强度Hs等常用磁参数。由磁化曲线及磁导率μα的定义可画出交流磁导率曲线μα/Hm，在该曲线上可求出初始磁导率μαi和最大磁导率μαm。

对于剩磁Br和矫顽力Hc的准确计算，可采用简单的线性插值法。从(Hm,Bm)点处沿着退磁曲线，找出H= 0处相邻的两点坐标，即(Hi,Bi)和(Hi-1,Bi-1)且满足Hi·Hi-1<0；同理，在B =0处找出相邻的两点坐标，即(Hj,Bj)和(Hj-1,Bj-1)且满足Hj·Hj-1<0。根据式(6)计算出剩磁Br和矫顽力Hc。

(6)

1.3 测量中应注意的问题

测量动态磁参数要特别注意测量条件的影响，下面讨论测量中试样尺寸要求和磁滞回线失真的问题。

系统硬件设计的实物图如图4所示，包括了电压电流变换器、试样线圈、取样电阻和信号调理电路、程控低频交流功率源、数据采集卡和计算机需要的外接。硬件电路板设计框图如图5所示。

(4)一轴两极三片的空间格局基本成型。从中心度及结构洞分析来看，三峡地区旅游经过近20年发展，形成以解放碑(朝天门)、白帝城、小三峡、三峡大坝、神农溪、三峡人家、恩施大峡谷、武汉东湖等共12个景区为核心的旅游节点，其中以重庆解放碑、小三峡、三峡大坝、白帝城为最重要核心节点。据此，本文认为三峡旅游在空间形态上基本呈现一轴两极三片的空间格局，即长江轴线、成渝都市圈发展极、武汉都市圈发展极、奉节-巫山-宜昌发展片区、奉节—恩施—宜昌发展片区、万州-涪陵中线发展片区。

为了减少退磁场的影响，软磁材料磁特性测试中所用的样品一般采用闭合磁路，且截面为矩形的环状结构，如图2所示。其截面为矩形，外径为D0，内径为Di，环高为h。为了保证圆环宽度上各处磁化场强度均匀，要求环形样品的尺寸应符合下式：

测试系统中的积分器会带来相位误差，导致如图3所示的磁滞回线失真。如果B路信号相位滞后，则会出现图(a)所示的麻花状回线；如果B路信号相位超前，则会出现图(b)所示的圆滑尖部回线；图(c)所示是正常情况的磁滞回线。本测试系统在积分器输出端加一个阻容电路，通过调节电位器便可改善输出的磁滞回线。

式中：R1、C1——积分电路的电阻电容参数值；kB——B路的放大倍数。

(7)

图2 软磁材料试样结构图

式中：l——测试样品的等效磁路长度(m)；i(t)——磁化线圈中的磁化电流(A)；N1——磁化线圈的匝数。

(8)

此时样品等效平均磁路长度为t=πDh，可近似认为环形样品内存在着大小为B=μH的均匀磁场。

2)讨论磁滞回线失真问题

≤

党的十九大对全面推进社会主义文化强国建设作出了战略部署，提出要牢牢把握意识形态工作领导权，培养和践行社会主义核心价值观，加强思想道德建设，繁荣发展社会主义文艺，推动文化事业和文化产业发展。习近平总书记在党的十九大报告中指出：“文化是一个国家、一个民族的灵魂。文化兴国运兴，文化强民族强。没有高度的文化自信，没有文化的繁荣兴盛，就没有中华民族伟大复兴。要坚持中国特色社会主义文化发展道路，激发全民族文化创新创造活力，建设社会主义文化强国。”[5]

总而言之，对于我国环境恶化问题来说，有必要加强环境影响评估法。但是，环境影响评估法的实施存在一些问题。我们需要提出相应的解决策略，要紧跟时代步伐，只有这样，环保才能更好地发展，才能做到利国利民。

另外，较多的初次级线圈也会增加匝间层间分布电容，使磁滞回线变形。所以要求测量时磁化线圈匝数尽量少，测试线圈绕制时最好使用漆包细线单层均匀紧密绕线。

图3 三种典型磁滞回线示意图

1.4 小结

1)试样的尺寸要求

图4 系统硬件实物图

图5 硬件电路原理框图

系统硬件装置的特点总结如下：①电压电流变换器采用220 V/ 1 kW的调压器改装；②被测的环形试样可以从磁化回路中灵活取出，方便更换；③延长磁化线圈中心轴，可以同时套多个测试线圈进行多组试样的磁特性测量；④串入磁化线圈中的无感取样电阻采用四端接线法，减小了接线电阻和引线电阻误差；⑤在积分器输出端可以通过机械开关选择是否加入相位补偿电路，方便进行有补偿和无补偿两种情况下的波形比对。

2 测试系统软件设计

2.1 设计思路

软件部分采用虚拟仪器设计工具LabVIEW，根据硬件电路处理信号的原理将采集卡获取的电压信号还原为H(t)和B(t)，然后计算相关的交流磁参数并显示磁滞回线、磁化曲线和磁导率曲线。另外，为了较好地实现电源电压连续调节，设计了手动/自动的切换模式，可在自动模式下均匀调节励磁大小，图6给出的是励磁控制的程序框图。

图6 励磁控制程序框图

2.2 小结

软磁材料交流磁特性自动测试系统的前面板如图7所示，其具有以下特点：①可以同时获得磁滞回线、磁化曲线和磁导率曲线以及其他磁参数，便于观察和分析结果；②设计了手动/自动切换，可在自动模式下实现均匀的励磁调整，得到质量较高的磁化曲线和磁导率曲线。

图像采集是利用摄像机或照相机从真实世界获取数字化图像并储存到计算机中以供进一步处理的过程。镜头拍摄的画面随着其与镜头的距离增大，拍摄物也越来越小；镜头中心不存在畸变，偏离镜头中心越远，畸变越大[8]。因此，在图像采集过程中应使用畸变小的镜头来捕获图像，同时注意使位移最大处在镜头中心，从而避免画面畸变所造成的不利影响。

图7 测试系统软件部分前面板

3 测试案例分析

为检验所设计的测试系统性能，我们选择某种环形软磁材料试样，绕制线圈进行了测试实验。国际标准规定测量软磁材料的磁特性应在B正弦条件下进行，但案例所取试样工作在低频环境中，更容易实现H为正弦形。另外，选程控低频交流功率源作信号源，可通过编程序设计实现H正弦或B正弦的测量条件。

测试过程的一些参数如下：线圈匝数N1=1，N2=120；取样电阻R=0.0024 Ω，积分电路参数R2=100 kΩ，C1=0.1 μF；B路、H路的放大倍数kB=3，kH=11；试样线圈外径D0=60 mm，内径Di=30 mm，环高h=10 mm，由式(8)计算得横截面积S=150 mm2，等效平均磁路长度t=135.97 mm。根据式(3)和(5)，在软件部分的程序框图中设置好参数。在程控低频交流功率源信号为50 Hz、45 Hz、100 Hz的条件下，分别得到了如图8所示的磁滞回线。可以看出，磁滞回线的形状与磁化场强度变化的频率有关，频率越高，磁滞回线的面积越大，外形变“胖”，同时磁滞损耗和涡流损耗增加。

图8 不同频率下的磁滞回线比较

在频率为50 Hz手动测试时，从测试系统面板的曲线上，通过游标逐一读取B、H、Bm、Hm和μα的数值，也可用Excel文件形式快速导出数据。表1给出了部分磁化曲线与磁导率曲线上的数据。根据式(6)编程计算得到：剩磁Br=1.191 T，矫顽力Hc= 101.48 A/m。整个测试案例表明系统性能优良，操作简单方便。

4 结语

本文设计的软磁材料交流磁特性自动测试系统，采用软硬件结合设计的思路，提高了测量的可靠性和精确度，测试范围较大，数据处理方便，整套仪器性能优良。因此，可以将其应用于多数工程实践中，满足磁性器件设计者和材料使用者的需求。

表1 磁化曲线与磁导率曲线部分数据

Hm/(A/m)Bm/(T)μα/×10-3H/m1.43610.00723.472.60790.00913.893.77970.01474.994.95150.02615.266.70920.03745.577.88110.04685.949.63880.07147.2611.39650.08277.4113.15420.10928.0116.66970.13758.2522.52880.21879.7130.73150.343411.1745.37920.587112.9460.02700.825113.7578.19010.983712.5890.49421.061211.73101.62651.116010.98140.29651.23128.78219.39421.34836.15310.21011.43904.64421.53281.53533.64511.17691.60523.14

此外，本套测试系统在本科生和研究生的教学实践中已被广泛地使用。在该系统的基础上，分别针对本科生和研究生的学识水平设置了不同的实验要求。对于本科生，设立了与电磁场课程配套的开放实验项目，以兴趣为主导，有效地帮助了学有余力且兴趣浓厚的学生尽早参与到实验室的科研活动中。对于研究生，以开发远程测控实验室为目标，提高了编程要求，重在拓展部分的创新设计；经过一年左右的实践，95%的学生都在规定时间内完成了不同材料的特性比较，部分学生进入到更深入的专题研究。总的说来，该软磁材料交流磁特性自动测试系统为基础开展的教学实践效果优良。

本文提出并分析了空间调制的两种球形译码的性能和计算复杂度.在与ML检测具有相同误比特率的情况下，本文提出的算法相对于经典球形译码检测算法的计算复杂度显著降低；仿真结果证明ESD和MSD都能够达到ML最优检测的性能，且ESD具有最低的相对计算复杂度.

参考文献:

[1] 周世昌.软磁铁氧体磁性测量技术及其发展[J]. 绵阳.磁性材料及器件. 1998(06): 20-23.

[2] 孙晓华，骆一萍，杨敏.虚拟交流磁测量实验的设计[J]. 北京.实验技术与管理. 2005(06): 70-73.

[3] 梅文余.动态磁性测量[M].机械工业出版社，北京：1985.