静态磁特性参数的测量研究

杜永苹， 李 锋

（1．西安航空技术高等专科学校 电 气工程系， 陕西 西 安 7 10077；2．英飞凌科技西安有限公司 陕 西 西 安 7 10075）

磁性材料的种类繁多、性能各异，磁性材料的磁特性测量成为相关领域面临的重要问题之一。软磁材料的静态磁特性测量方法主要有冲击法、矫顽力计法等；虽然冲击法简单，但测试速度慢；随着电子技术和单片机技术的不断发展，使得数据采集、自动化测试技术飞速发展。本文根据传统冲击法测量的基本原理，利用单片机技术，设计了软磁材料磁性测量系统，实现了对软磁材料磁性的测量，其测量简单，提高了测量精度。

1 基本测量原理

冲击法是测量静态磁特性参数的一个重要方法，其基本原理如图1所示。它包括试样A为环形样品、磁化电路、测量电路和常数校准电路4部分。磁化电路由磁化线圈N1及电阻R1、R2、电源U和开关S1、S2、S3（S1，S2为换向开关）组成。测量电路，包括测量线圈N2、冲击检流计G、限流电阻Rs和保护开关S4等。常数校准电路包括标准互感器M、冲击检流计G以及电源电路[1]。

传统的冲击法测量中，须利用标准互感器测定冲击常数Cφ，对磁性材料进行退磁，退磁采用直流换向退磁，反复改变电流方向，同时，使电流逐渐减小，直到为零。

图1 冲击法测量静态磁特性的原理图

调节R1、R2，建立起比较小的磁场H1，然后利用开关S2，将磁化电流改变若干次（6～8次）进行磁锻炼，再进行测量。测量时将电流的方向急剧地改变，同时读取检流计的第一次最大偏转角α1，便可测定相应的磁通改变量，即

式中，Cφ为冲击常数，它由标准互感器预先测定，N2为测量线圈匝数，S为试样截面面积。

环形样品的磁场强度的平均值可以根据安培表的读数获得。

式中，D为环形试样平均直径[3]。

实验中，冲击检流计的指针发生偏转是要求必须及时、准确的读取数据，但指针式仪表在读数时会产生视觉误差，因此提出将冲击检流计数字化，消除读数误差，并且自动保持数据显示直到下次测量数据到来，此方法简便、快速、准确。因此，利用单片机技术，对冲击检流计进行数字化改进。

2 数字式冲击检流计测量基本原理

改进后的数字式冲击检流计无法测出冲击常数，为避开测定冲击常数这一项，对测量方法进行改进。图2为数字式冲击检流计测量原理图。

图2 数字式冲击检流计测量原理图

图2中，标准互感器的互感系数为0.1 H，环行形样品N1的匝数为120匝，N2为40匝；S2闭合，开关S1接通环形样品时，若N1通过的电流强度为I，则在线圈N2产生感应电动势，此信号送入数字式冲击检流计进行数据处理[4]，并且将检流计所迁移的电量送入显示电路显示，就可求出磁感应强度B[5]。理论推导如下：

则通过式（4）～式（6），得到

式中，N2为副边匝数，S为样品有效截面积，R电阻包括冲击检流计的内阻、环行样品的电阻及标准互感器次级线圈的电阻R的测量可通过万用表测得或利用公式计算。

若断开环行样品，S1接标准互感器，使互感器的初级线圈通过电流I，则产生的感应电动势为

则通过式（8）～式（10）得

R在测量过程中保持不变，M为标准互感器的互感常数，I0为标准互感器工作电流。所以将式（11）代入式（7）得磁感应强度B为

式（12）为改进后的公式，可以看出数字式冲击检流计测量中，不需测量冲击常数。

3 测量结果及数据分析

3.1 测量结果

经过测试，其测量结果可以看出，当励磁流电流逐渐增大，开关的状态由闭合到断开，测得电荷量值的变化。例如：当励磁电流为4 mA时，开关由闭合到断开过程中，所测得的电荷量从-21.4 nC变化为21.9 nC；而当励磁电流为100 mA时，开关由闭合到断开过程中，所测得的电荷量从410 nC变化为413.4 nC。

3.2 数据处理

冲击检流计的内阻、环行样品的电阻及标准互感器次级线圈的电阻等也可通过万用表测得其总电阻值为6.7 kΩ。环形样品磁感应强度磁场强度其中，μ=3.98为环行样品的磁导率，R=8 mm为环行样品的平均半径。利用测量公式可求得N1通过不同的激励电流时所产生的磁感应强度。以H为横坐标、B为纵坐标可画出磁化曲线[6]，如图3所示。

图3磁化曲线

通过磁化曲线可以得出磁场强度从0增加，样品的磁感应强度随之从0增加，每个H值的磁化下都对应了一个B值，并且当励磁电流达到500 mA时，磁感应强度几乎不变，可认为样品材料内部的磁场达到了饱和值。

4 结论

通过实验可知，利用数字式冲击检流计测静态磁特性操作方便、读数省事，并且测得的数据可以停留在显示屏上一段时间，在实验操作过程中减少了人为因素，测量精度较高。

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