吴国玮,徐 磊,汪向华
(南京林业大学 信息科学技术学院,江苏 南京 210037)
现如今时代在发展,科技在进步,生产制造水平不断提高,在人们的生活生产中铁磁性材料的产品发挥着重要的作用,尤其是在工业生产和社会主义现代化建设等领域,铁磁性材料的产品种类繁多,同时也因其所表现的自身性能不同,把不同的产品应用于不同的领域,才能使其在该领域最大化的发挥作用[1,2]。因此,研究每一种铁磁性材料本身的磁性特点及其变化具有重要意义,磁化曲线和磁滞回线是反应铁磁材料磁性特定的重要参数,目前市场上极少有类似的测量仪器。本文设计的磁滞回线测试仪,以单片机为主控制器,可以测量出常用电压器的磁滞回线图、剩磁、矫顽磁力等参数,通过对参数的分析计算可以将被测期间的磁滞回线显示在LCD12864上,供被测人员观察。该磁滞回线测试仪具有结构紧凑、体积小、重量轻、可靠性高,测量时间范围宽、精度高等优点。同时利用具有良好的人机接口和控制运算的功能,LCD显示的磁滞回线可显示出各电磁场强度、磁感应强度、剩磁、矫顽力等参数,具有功能强、成本低、操作简单的特点。
系统过变压器将220V交流电变为5V、50 Hz交流信号,将输出的交流信号作为励磁电流输送到待测样品变压器原边,从而产生待测样品的励磁,通过改变励磁电压的大小,可以改变待测样品的励磁大小,从而改变样品磁滞回线的形状[3]。电压采集电路采集产生的励磁电压UH、磁场电压UB,经过精密整流滤波后,将采集的电压值转换为0~5 V的电压信号送给单片机进行采集。单片机通过内部A/D转换模块采集电压信号,再经过相应的参数运算,计算出待测样品的剩磁Br、矫顽磁力Hr等参数,将磁感应强度B作为所显示磁滞回线的纵坐标,磁场强度H作为横坐标,所得B-H曲线即为待测样品磁滞回线。通过参数与LCD12864像素点的匹配将磁滞回线逐点显示在LCD屏上。同时可以实时显示所测得的待测样品的剩磁Br、矫顽磁力Hr等参数,并可以通过按键对所显示页面信息进行控制,当被测电压超出测量范围时,会发声光报警,系统总体原理框图如图1所示。
图1 总体原理框图
系统信号输入采用220V转5V变压器,其输出电压频率为50 Hz,待测样品采用变比为150:50变压器,其电路原理如图2所示。将样品制成闭合的环形,然后均匀地绕以磁化线圈及副线圈,即所谓的罗兰环。5V、50Hz交流电压加在磁化线圈上,串联多个5Ω取样电阻R1,其两端的电压为UH即励磁电压。副边线圈n与电阻R2和电容串联成一回路。电容C2两端的电压为UB即磁场电压[4]。
图2 励磁电路原理图
励磁电压UH与磁场强度H成正比,若样品平均磁场长度为L,磁化线圈的匝数为N,若磁化电流瞬时值为I,根据安培环路定理,有HL=NI,而UH=R1I,所以:
(1)
在(1)式中,R1、L和N皆为常数,因此,该式清楚地表明LCD屏上像素点水平偏转的大小ΔH与待测样品中的电压变化ΔUH成正比,由励磁电压UH可以确定磁化场磁场强度H:
(2)
当待测铁磁样品在磁路中的横截面积为S时,根据法拉第电磁感应定律,在铁磁样品所在变压器的副边线圈中,其感应电动势E为:
(3)
同时,根据待测铁磁样品副边线圈回路中的电流i以及电容C2上的电量q也可以求得线圈中的感应电动势E:
(4)
在RC积分电路中,当R2、C2足够大时,电容C2上的电压降uc=q/c比起电阻上的电压降R2i足够小,因此可以忽略不计,故(4)式可以近似为:
E=R2i.
(5)
(6)
将(3)式(6)式两边积分,整理可得:
(7)
因此,当R2、C2足够大时,在(7)式中n、S、R2和C2皆为常数,因此,该式清楚地表明LCD屏上像素点竖直方向偏转的大小ΔB与待测样品中的电压变化ΔUB成正比,且由磁场电压UB可以确定磁化场磁场强度B:
(8)
图3 全波精密整流滤波电路
经过调理后的电压信号为正弦波信号,但是采用的STM32单片机只能对正电压进行采集,不能对负电压进行采集,因此设计全波精密整流电路,如图3所示。
在全波精密整流电路中,利用瞬时极性法判断:当Ui>0时,第一个TL081的输出脚(6脚)瞬间输出为-2Ui,二极管D1截止,D2导通,Uo1近似输出-2Ui,此时,R25和R24分别与R27构成反向加法器,输出Uo=-(-2Ui+Ui)=Ui;当Ui<0时,第一个TL081的输出脚(6脚)瞬间输出为2Ui,此时二极管D1就会导通,D2截止,相当于开路,由于反馈电阻R24的作用,Uo1的输出与TL081的反向输入端的电位,根据运算放大器“虚短虚断”原理,可以认为TL081的反相输入端电位与同相输入端电位相等,约等于0,故此时Uo1=0,R25与R27构成反向等比例放大,输出Uo=-Ui。
图4 正弦波整流输出波形
综上可知:当Ui>0时,Uo1=-2Ui,
Uo=-(-2Ui+Ui)=Ui;
当Ui<0时,U01=0,Uo=-Ui。
所以此图也称为绝对值电路,当输入电压为正弦波时,电路输出波形分别如图4所示。
当系统上电后,系统先进行初始化,之后启动励磁电流,检测系统是否运行正常,如果运行正常,则计算,输出UB和UH并进行信号放大,最后在LCD上显示波形[5];若系统不正常,则重复系统初始化步骤直至正常,整个系统流程图如图5所示。
图5 系统流程图
本文采用的是单片机内部10位A/D转换,所以系统精度不是很高。在实验室的条件下,对整个系统进行测试。其中一组采样结果及其打点结果如表1所示。
表1 单片机取样值
其中一组打点结果如图6所示。
图6 LCD波形显示
本文设计的磁滞回线测试仪,以单片机控制技术为核心,利用此设备,可以测量出常用变压器的磁滞回线图、剩磁、矫顽磁力等参数,通过对参数的分析计算可以将被测期间的磁滞回线以逐点显示在LCD12864显示屏上,供被测人员观察。该磁滞回线测试仪的特点是单片机控制灵活,使本系统具有结构紧凑、体积小、重量轻、可靠性高,测量时间范围宽、精度高等优点。