磁性材料交流磁性能测量方法及其电参量不确定度分析

秦成岗 胡一 程璐

摘 要：无论是消费家电产品如计算机、通讯设备、汽车制造，还是国防工业均离不开磁性材料。磁性材料是各类电子产品主要的配套产品，这使得作为有着"世界工厂"之称的中国的磁性材料具有很强的市场影响力，磁性材料的测量也越来越重要。专业测试人员使用电工钢磁测量装置测量电工钢片（带）的磁性能也日益广泛，人们开始关注装置测量数据的置信度（如准确度、不确定度、误差的年变化率等指标），使用实物标样对装置进行单点比对来评价装置的测量水平已远远不够。使用专用于电工钢磁测量装置交直流磁性能的溯源、校准的仪器，可实现将磁参量溯源到基本的电学物理量上，大大地提高了磁测量的准确度。

关键词：磁性材料，交流磁性能，交流电压，交流电流，交流功率

一、测量选择（23±5）℃的实验室环境，采用电工钢磁测量装置校准系统、标准功率源、标准方圈等作为测量设备。

二、按照图1所示，将电工钢交流磁性能测量仪的电流端与方圈的励磁端和电工钢磁测量装置校准系统的电流端串联连接，将电工鋼交流磁性能测量仪的电压端与方圈的测量端和电工钢磁测量装置校准系统的电压端并联连接，空气磁通补偿的互感线圈放置在线圈的中心位置，使其轴线垂直于4个线圈所构成的平面，爱波斯坦方圈的初级绕组与互感线圈的初级绕组串联，爱波斯坦方圈的次级绕组与互感线圈的次级绕组按反方向串联。当爱波斯坦方圈中没有试样的时候，在初级绕组中接通交流电压流，使在次级绕组非公共端之间的测量电压不大于爱波斯坦方圈的次级绕组本身电压的0.1%。

把标准样品进行称量，控制误差小于±0.1%。把样片在拐角处按双塔接方式叠放在爱波斯坦方圈中，在方圈的每一个分支中间的样片数量相同。当样片半数平行于轧制方向和半数垂直于轧制方向时，轧制方向剪切的条片插入方圈的两个相对的分支。垂直于轧制方向剪切的条片插入方圈的其他的两个相对的分支。确保搭接部分样片之间的空隙尽量小。可以在每个搭接角的垂直面施加1Nm的力。待测试样在一个初始磁场高于先前测试磁场的退磁场下，渐渐进行退磁处理。

电流表校准，将电工钢交流磁性能测量仪的电流校准专用端与标准功率源的电流端和电工钢磁测量装置校准系统的电流端串联连接，按照选择好电流量程后，输出要校准的电流值，稳定后读取电工钢磁测量装置校准系统的电流示值。

电压表校准，将电工钢交流磁性能测量仪的电压端与标准功率源的电压端和电工钢磁测量装置校准系统的电压端并联连接，选择好电压量程后，输出要校准的电压值，稳定后读取电工钢磁测量装置校准系统的电压示值。

功率表校准，同时按照以上电流表和电压表的接线方式连接好，根据测量的要求，选择合适的电压和电流量程，输出要校准的功率值，稳定后读取电工钢磁测量装置校准系统的功率示值。

根据测试要求选择合适的量程，输出要校准的参量值，稳定后读取电工钢磁测量装置校准系统的示值。单片磁导计的测量方法与爱波斯坦方圈一样。

三、测量结果的不确定度分析

1、数学模型

设标准器的示值为AN，被测设备显示值为AX，被测表设备的示值误差可表示为：

△=AX-AN

式中： △——示值误差；

AX——被测表的示值；

AN——标准器的示值；

2、方差及灵敏系数

由于AN和AX互不相关，依照公式得到：

u2c=u2（△）=c2（Ax）u2（Ax）+c2（AN）u2（AN）

灵敏系数：

3、影响量的标准不确定度分析

测量各个参数不同的值时，各不确定度分量的数值不同，这里在测量不同参数时选取一些合适的点为例依次进行分析。

不确定度主要来源于标准器和测量对象，人员操作和环境影响在标准实验室可以忽略不计。因为标准器的精度等级远高于被检对象，标准器具的稳定性和重复性也远高于被检对象，故考虑了被检对象的分辨力后，标准器的分辨力可以忽略不计。

（1）交流电压示值误差的不确定度

以1V测量点为例进行分析。由被检设备读数的重复性引入的标准不确定度分量u（IX1）。由电工钢磁测量装置校准系统输出1V电压给8508A数字多用表，从数字多用表读取10 次读数如表所示。

按照由贝塞尔公式：

式中：qi——第i次测量结果；

计算得：

s = 0.00042V （n=10）

实际测量的操作中，通常取一次读数作为测量结果，故标准不确定度为：

u（UX1）=s=0.00042V

由被测表分辨力引入的不确定度分量 u（UX2）。

被测量的电工钢磁测量装置校准系统在示值为1V的输出时分辨力为0.001V，其在±0.0005V的区间为均匀分布。在此区间内其服从均匀分布，取包含因子

故： V

以上两项不确定度分量中，被测量设备输出稳定性非常良好，重复性引入的A 类不确定度主要来源于被测量表分辨力，所以在考虑了被测量表分辨力引入的不确定度分量后，A类不确定度不再重复计算。故：

u（UX）= u（UX2）= 0.00029V

由于标准器精度等级远高于被测量对象，其稳定性和重复性也远高于被检对象，故考虑了被测量对象的分辨力后，标准器的不确定度分量可以忽略不计。

合成标准不确定度评定

uc= u（UX）= 0.00029V

相对不确定度：

（2）交流电流示值误差的不确定度

跟交流电压示值误差的不确定度分析方法相同，交流电流的不确定度主要由被测量对象的分辨力引入，被测量电工钢磁测量装置校准系统在示值为100mA的输出时分辨力为0.1mA，其在±0.05 mA的区间为均匀分布。在此区间内其服从均匀分布，取包含因子k= 3，故：

mA ，

合成标准不确定度评定：uc= u（IX）= 0.029mA

相对不确定度：

（3）交流功率示值误差的不确定度

跟交流电压示值误差的不确定度分析方法相同，交流功率的不确定度主要由被测量对象的分辨力引入，被测量电工钢磁测量装置校准系统在示值为1W的输出时分辨力为0.001W，其在±0.0005W的区间为均匀分布。在此区间内其服从均匀分布，取包含因子k= 3，故：

W

合成标准不确定度评定：uc= u（WX）= 0.00029W

相对不确定度：

（4）扩展不确定度的分析

由以上计算可知，在测量电工钢直流测试系统时，扩展不确定度：

交流电压：Urel =2×10-3 ，k=2；

交流电流：Urel=2×10-3 ，k=2；

交流功率：Urel =2×10-3 ，k=2。

参考文献：

[1] GB/T 3655-2008 用爱泼斯坦方圈测量电工钢片（带）磁性能的方法

[2] GB/T 13789-2008 用单片测试仪测量电工钢片（带）磁性能的方法