磁性材料三维磁特性传感信号检测技术中关键问题的研究与分析

薛 刚， 李永建， 曹 磊， 张维强

(河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室， 天津 300130)

磁性材料三维磁特性传感信号检测技术中关键问题的研究与分析

薛 刚， 李永建， 曹 磊， 张维强

(河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室， 天津 300130)

精确模拟磁性材料实际工作状态下的磁特性对于提高电机、电力变压器等电工设备的性能和效率具有重要意义。为了全面解析磁材料磁特性，提出了三维磁特性测试方法，并针对三维磁特性传感信号的检测问题进行了深入研究。设计了新型三维B-H传感线圈与传感箱并分析了三维传感线圈的校准标定等难点问题，讨论了测试过程LabVIEW运算中在三维激励条件下的积分漂移和采集中的杂波干扰等关键性问题，并提出解决方案。实验证明，所提出的解决方案是有效的，具有可行性。

磁特性检测； 线圈校准； LabVIEW； 数据采集

1 引言

提高电力变压器、电机等电工设备的性能和效率最有效的途径是解决铁心磁性材料磁特性的准确测量等问题。对于磁性材料的磁特性测量，国际电工委员会(IEC)给出的标准为爱波斯坦方圈法和单片测量法[1]，其假定磁感应强度B与磁场强度H平行，忽略材料的各向异性，属于一维磁特性测量。而对于设备中运行的磁性材料如硅钢片、软磁复合材料等，仅仅考虑一维磁特性是不够的，必须考虑磁性材料二维或三维旋转磁特性。文献[1]中进行了软磁复合材料SMC的三维磁特性检测，但仅仅针对各向同性材料进行分析，不能真实反应实际工作状态下变压器、电机铁心的磁特性；二十世纪八十年代日本对电工钢片的二维磁特性测量方面进行了大量的研究工作，文献[2]中提出了考虑B和H方向不一致情况下的测量方法。在工程实际中，如电机铁心运行中存在空间旋转磁场，B的空间轨迹非常复杂，可以是空间圆形或者球形以及其他不规则的轨迹，所以只有充分考虑三维磁特性才能更接近于实际[3-5]。无论采用何种方法测量磁性材料，均需要进行磁特性传感信号的整定与检测[6,7]。并且，磁性材料的磁滞、损耗等磁特性的准确计算与模拟均依托于传感信号的检测[8]。本文针对三维磁特性传感信号检测中的关键问题进行研究和分析，实现三维磁特性的精确测量。

2 三维磁特性检测技术概述和测试系统

实现磁性材料的三维磁特性测量，需要对待测样品进行空间任意方向激磁，也就是说可以将磁感应强度B控制成一个空间矢量。从激磁模型入手可以首先构建螺旋椭球形或螺旋球形激磁模型来实现三维磁特性初步研究。根据法拉第电磁感应定律，通过测量绕制在样品表面上B线圈的感应电动势，可计算出磁感应强度B。磁场强度H传统的测量方法是按照安培环路定律进行的，如爱泼斯坦方圈的测量[9]。在本文设计的实验中则采用与测量磁感应强度B相同的原理来测量H，通过紧贴在被测样品表面的H线圈来测量，测出靠近样品表面空气中的磁感应强度B0，由关系式可求出H0。根据两种媒质交界面处磁场强度切向分量的连续性条件，有H1t=H2t,而H2t则可近似等于样品所在位置与磁感应强度B相对应的磁场强度H。

三维磁特性测试系统主要由以下部分构成:

(1)工控机和数据采集卡。工控机是安装高速数据采集卡并实现软件编程和数据存储硬件的平台。编程采用LabVIEW软件来实现，在LabVIEW中编写数据采集、信号发生及反馈函数的程序，并通过NI数据采集卡实现激磁信号的生成和B、H检测信号的采集。

(2)功率放大器。数据采集卡产生的模拟正弦信号无论是电压还是电流都非常微弱，功率放大器用于驱动三个轴向的激磁线圈，以保证待测样品在给定频率下充分磁化。

(3)三轴正交的主测量装置。提供三维激磁磁路和待测样品的传感信号检测通道，实现三方向激磁和磁特性传感信号输出的功能。

(4)多通道差动放大电路。从B线圈和H线圈上感应出来的电压信号非常微弱，需要进行放大和噪声信号滤波，这样有利于B、H传感信号的后级处理，同时可提高信号检测的精度。

三维测试仪是整个系统中最重要的核心部分，主要由沿x、y、z轴三方向正交的三对磁极、连接磁极的C形环形磁轭、绕制在磁极上的三对激磁绕组(如图1所示)和置于装置几何中心的立方体传感箱组成。装置中磁轭和磁极是由相对磁导率很高的(约10000)高取向硅钢片Hi-B 叠置而成，可产生较强的磁场，如放置样品的中心处磁场最高可达1.9 T；立方体传感箱六面贴装B、H传感线圈，箱内放置立方体样品材料；三对磁极的极头将传感箱顶紧，使得传感线圈紧贴于样品表面实现样品表面磁场的测量。整个系统的结构框图如图2所示。

图1 三维测量仪的C环形钢片叠置磁轭和激磁绕组Fig.1 Prototype of laminated ‘C-type’ core and excitation winding

图2 三维磁特性检测系统结构框图Fig.2 Structure chart of 3D magnetic properties detection system

3 三维磁特性信号检测的关键问题

在磁特性测量过程中，激磁信号逐渐加大直至样品饱和，B、H感应电动势信号变化范围很大，当激磁信号较小时，传感信号非常微弱，尤其是样品表面磁场H传感信号，甚至比干扰信号还小；与此同时，研究分析变压器、电机铁心的铁磁材料三维的磁特性时，由于硅钢片叠置方向磁导率低，磁场难以通过，该方向对其他两方向的干扰较大，因此要对传感信号的检测系统进行优化设计。三维传感线圈的校准与标定、LabVIEW在三维激励下的积分漂移与滤波是实现精确三维磁测量的三个关键问题。

3.1 传感线圈校准与标定

无论是对磁性材料进行一维磁特性的测量，还是二维或三维磁特性的测量，主要是对其磁感应强度B和磁场强度H进行测量，通常测定磁场的B和H是通过置于磁场中的传感线圈来实现的。

图3(a)为新型B-H复合传感线圈结构图。H线圈采用线径为0.05mm的漆包线紧密地绕在0.5mm厚的环氧树脂板上，共有两层200匝，采用上下双层往返交叉绕制，并且在进线端和出线端双绞，这样可以有效消除线圈中的干扰，提高检测精度，中心覆盖了0.4mm厚的圆环形B线圈。B-H复合传感线圈紧贴于样品表面中心区域，可相对精确地检测样品表面磁场。

三维磁特性测量传感箱是由6组新型B-H复合传感线圈按照给定的方向构成的一个立方体传感箱，如图3(b)所示。传感箱中心放置边长为22mm由硅钢片按其轧制方向严格摆放的立方体样品，传感线圈紧贴样品放置，为了减少窗口面积带来的误差，在每轴放置的两个新型B-H传感线圈反向串联。用6块与样品同材料的硅钢片保护层盖住传感线圈，样品、传感线圈和保护层构成了“三明治”结构，其中保护层电工钢片的叠置方向和轧制方向与中心样品的叠置方向和轧制方向保持一致，样品和保护层之间有1mm的气隙，即为传感线圈的平均厚度。新型三维B-H传感箱实物如图4所示。

图3 新型传感线圈和传感箱结构图Fig.3 Structure of novel B-H sensing coils and sensing box

图4 B-H新型传感箱实物图Fig.4 Novel B-H sensing box

值得注意的是，我们定义立方体传感箱x、y、z三个方向和激磁结构定义的方向严格一致，这样才能保证磁特性检测实验的正确实施。由于共用同一基板的B和H线圈的窗口方向互相垂直，二者在三个方向的定义便不能沿同一方向，如x方向(激磁方向)上的Bx线圈和Hy线圈(窗口方向为y)共用同一基板；同理，y方向的传感线圈为By和Hz，z方向为Bz和Hx，如图3(b)上所示。

由于B、H线圈的截面积小，直接测量误差大，为了准确校准传感线圈，达到测量精度的要求，使用标准螺线管对传感线圈进行校准。具体方法是根据有限长直螺线管可以产生一个稳定、磁感应强度B均匀的交变磁场的特性，制作了一个可以提供测量要求磁场的标准螺线管，螺线管采用上下两层往返交叠绕制，通过绕线机计螺线管总匝数N。有限长直螺线管示意图如图5所示。

图5 有限长螺线管示意图Fig.5 Finite length solenoid

L为螺线管总长度，α、β分别为螺线管中心处和螺线管两个顶点的连线与螺线管轴向方向所成的角度，D2为螺线管外直径，D1为螺线管内直径，R为螺线管的平均半径。

有限长直螺线管中心处磁感应强度B计算公式为：

(1)

式中，μ0为磁导率；I为通入螺线管的电流。

定义线圈系数为K，传感线圈匝数为N，感应线圈窗口面积为S。螺线管正弦交变磁场中线圈的感应电动势为E，线圈系数计算公式如下：

K=E/(2πfB)

(2)

将B-H复合传感箱置于标准螺线管中心处，使待校准传感线圈主窗口方向依次与螺线管轴向方向一致，对螺线管通以电流，从1A开始，每次增加1A至10A，分别记录传感线圈感应的电动势E。将实验室现有螺线管参数代入，根据公式(2)，确定线圈系数如表1所示。

表1 B-H复合传感线圈的线圈系数Tab.1 Factors of novel B-H sensing coils

3.2 LabVIEW数字滤波

三维磁特性测试系统在检测传感线圈有效传感信号的同时，有一些随机干扰信号窜入其中，而这些干扰信号经常是无规律变化的，这样就给测试系统带来了随机误差，使波形有毛刺、不平滑，而这些干扰信号在多次测量中是符合统计规律的。同时由于三维磁特性检测传感箱为立方体，每个方向磁场两两垂直，也会有漏磁场混入其他B-H传感线圈，干扰其他两轴B、H的检测。为了克服随机干扰与自身相互影响引入的误差，我们除了采用硬件的办法，还可以按统计规律用软件算法来对信号进行预处理，即采用数字滤波方法来抑制有效信号中的干扰成分，并在三维激励磁场的作用下，消除随机误差，这样可以减小轴与轴之间的干扰，同时对信号进行必要的平滑处理，以保证采样得到的数据尽可能接近真实值。

磁特性传感信号是一种周期性位移变化信号。磁特性传感信号检测系统除采用硬件滤波以外，还采用算术平均法和防脉冲干扰平均值法相结合的数字滤波方法。由于采集的数据较多，首先对采集的数据作算术平均法滤波，连续取10个采样值进行算术平均运算，这样可以除去随机干扰的信号，然后将此均值作为防脉冲干扰平均值法中的一点进行第二重滤波，二次数字滤波后的结果作为一次采样结果，这样就可以拉开最终采样点之间的距离，从而容易滤出持续时间较长的串扰信号。图6为滤波前和滤波处理后的对比。可见滤波处理后波形有了明显改善，毛刺减少而且显得更平滑，但是还存在一个关键性问题，即零点漂移。

图6 原始波形和滤波处理后的波形对比图Fig.6 Comparison between original waveforms and waveforms after smoothing

3.3 LabVIEW积分漂移的补偿

三维磁特性检测系统从B线圈直接测得的量是感应电压E，根据电磁感应定律，感应电压与磁感应强度B存在着积分关系，测得的感应电压要通过积分转变为磁感应强度B的值。LabVIEW中有实现积分的子函数，但是在积分之后出现了积分漂移的现象，这是由于测试系统在测量中引入某些因素，而这些因素通过积分之后随着时间逐渐放大的缘故。例如在采集信号时，信号本身叠加了很小的直流分量，经过积分之后，这些分量随着时间的推移会越来越大，波形出现漂移，零点不能重合而最终使B-H曲线出现回环，使得实际积分电路和理想电路存在误差，严重影响实验真实数据的采集和分析。这种由于积分产生的偏差又叫做趋势项，任何测量系统都要避免或尽可能减少趋势项的产生。

三维磁特性传感信号检测系统解决积分漂移主要通过信号调理电路和数字调理两部分。在信号调理电路部分，原始信号经RC滤波，由现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)控制模拟开关进行频繁的切换，最后经仪表放大器产生输入到A/D转换器的采集信号。数字调理部分是在LabVIEW中构造一个Detrend VI消除趋势项。Detrend VI调用以最小二乘法拟合直线的LinearFit函数来拟合趋势项，然后在数据中减掉趋势项，达到减小积分漂移效果，前后波形的对比如图7所示。

图7 消除趋势项前后磁感应强度波形的对比Fig.7 comparison between original B waveform and B waveform after removing trend term

采用模拟调理信号和数字调理相结合的方式，通过对输入信号的采集和处理,有效地降低了零漂，提高了信号的检测精度。

4 结论

本文对磁性材料三维磁特性检测原理及测试装置进行研究，着重讨论了磁特性传感信号检测过程中的几个关键问题。设计了新型B-H传感线圈并通过对其校准标定，有效地消除了线圈中的干扰，提高了检测精度；通过数字滤波和信号调零的方法，大大提高了三维磁特性传感信号检测的精度。

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(，cont.onp.80)(，cont.fromp.22)

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Research and analysis on several key issues of sensor signal detection of there-dimensional (3D) magnetic properties

XUE Gang, LI Yong-jian, CAO Lei, ZHANG Wei-qiang

(Province-Ministry Joint Key Laboratory of EFEAR, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

It is extremely essential to simulate the magnetic properties of the magnetic materials accurately under actual operating conditions which could improve the performance and efficiency of the motors, power transformers and other electrical equipment. In order to analyze the magnetic properties of the magnetic materials comprehensively, the measuring method for there-dimensional (3D) magnetic properties of magnetic materials was presented. Based on the structure of three-dimensional (3D) magnetic property tester, the problems of the sensor signal detection of 3D magnetic properties of magnetic materials were studied, and calibration of the novelB-Hsensing coils was also analyzed. The magnetic properties sensing signal detection system based on virtual instrument technology was designed. Through the data acquisition card, the magnetic materials can be technically magnetized under various excitation conditions. And then, some key topics including the integral drift in the computation of LabVIEW and the clutter waveform during acquisition were discussed, and the effective measures had also been proposed.

magnetic properties detection; calibration of sensing coil; LabVIEW; data acquisition

2015-07-28

河北省自然科学基金(E2014202137)、 河北省高等学校科学技术研究项目-优秀青年基金(YQ2013034)资助项目

薛 刚(1992-), 男, 河北籍, 硕士研究生, 主要研究方向为工程电磁场与磁技术; 李永建(1978-), 男, 河北籍, 教授, 博士, 主要研究方向为工程电磁场与磁技术。

TM936

A

1003-3076(2016)05-0019-04