利用磁通计模拟冲击法原理测试初始磁导率

汪迪坤，韩和兵，李晓马，石英珂，许东耀

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

冲击法[1]作为一种被众多国家列为直流磁性能测试的标准方法，其在软磁直流磁性能测试过程中，有着测试精度高、测试结果重复性好等特点。但是随着科学技术的发展，用于冲击法进行磁性能测量的冲击检流计现已逐渐退出了历史舞台,取而代之的是分辨率与精度越来越高、漂移越来越小的磁通计。高端的磁通计已实现了量程无上限，最小分辨率达10-7V·s且漂移小于10-6V·s/min，已经能够满足大多数磁性材料测试的需求。但是在软磁材料磁性能测试过程中发现，采用磁通计积分法在测试超高磁导率的铁镍合金、非晶态合金时，即使每次测试前都对试样进行了完全的退磁处理，但最终所测得的初始磁导率都会有较大的波动，即测试重复性差，同一试样在同样条件下所测出的初始磁导率可能会偏差30%以上[2]。基于此原因，针对坡莫合金等初始磁导率高的软磁材料，目前国内还没有能够统一计量的标准试样，中国计量院也无法完成此类合金标样制作与计量的工作。本文利用磁通计积分法测试软磁材料的磁性能设备，结合国标中要求的高磁导率材料的测试条件参数，设计出采用磁通计积分法来模仿经典冲击法的软磁合金直流磁性能测试方法，最终验证了采用磁通计积分法模仿冲击法来测试软磁合金初始磁导率的测试方法,新方法测试所得到的数据与采用冲击法测试所得的数据具有相近的精确度与重复性。

1 磁通计积分法模拟冲击法测试原理

图1 软磁合金直流磁性能测试冲击法原理图

图2 磁通计积分法测试软磁合金直流磁性能的磁滞回线

(1)

至此可以看出，采用磁通计积分法来模拟冲击法在测试原理上是可行的，测试的微小不同取决于各个磁性能测试设备对磁化电源输出电流的控制精度与磁通计的积分精度等硬件设施。

2 验证实验设计

本文选取国标中常用的较高磁导率的材料1J50与常用的高磁导率材料1JH3作为研究对象，来验证利用磁通计模仿冲击法来测试软磁材料初始磁导率的可行性。具体实验过程如下：

(1) 采用常规测试磁化曲线的方法测试两种软磁合金同一个试样的磁化曲线，每个试样测量10次，并取出此种方法测试的初始磁导率数据；

(2) 采用测试设备的磁通计测试两种软磁合金同一试样磁化至标准规范中规定的磁场强度的磁滞回线10次，并依据式(1)计算出10个磁滞回线所对应的初始磁导率数据即为初始磁导率；

(3) 再采用冲击法分别测量两种软磁合金同一个试样的初始磁导率10次，并记录下测试结果。

最终将实验过程(1),(2)得到的初始磁导率数据分别与标准中规定的冲击法测试得到的数据做对比，以此来分析采用磁通计模仿冲击法测试软磁合金初始磁导率的测试精度与测试数据的可信度。如果磁通计积分法来模仿冲击法所测试得到的初始磁导率与冲击法测试所得到的初始磁导率偏差,能够满足标准中规定的偏差范围,且能够具有较高的重复性与可信度，则可以认为磁通计积分法测试软磁合金初始磁导率的方法是可行的。

3 实验验证测试数据与结果分析

采用磁通计积分法直接测量1J50与1JH3软磁合金的磁化曲线分别如图3、图4所示。从其测试数据中提取出10次的初始磁导率数据如表1所示。

图3 10次测量的1J50软磁合金磁化曲线

从10次采用磁通计积分法测试得到的两个不同磁导率材料的磁化曲线可以看出，对于磁导率较小的材料1J50，10次测试数据曲线基本重合，这是由于磁导率较低的材料在测试过程中对环境、测试前样环的退磁情况敏感性较低。测试结果具有很高的一致性，但是从测试数据提取出的10次初始磁导率数据与均值最大差异达到6.3%。而对于磁导率高的1JH3，10次测试的磁化曲线出现了明显差别，这主要是由于高磁导率类材料对测试过程中的环境，测试前的退磁状态比较敏感，环境或退磁状态稍有差异就会造成磁化曲线的不一致。因此，采用磁通计积分法虽然测得了1JH3材料的磁化曲线，但由于其磁化曲线波动较大，测试结果可信度较低，此10次测试出的初始磁导率数据与均值最大差异达到2.95%，尽管10次测量得到的初始磁导率数据波动性不是很大，但从测试曲线看不排除多次测量会得到波动较大的数据。

表1 采用磁通计积分法10次直接测量1J50与1JH3的初始磁导率

图5 10次测量的1J50软磁合金磁滞回线

从10次采用磁通计模仿冲击法测试1J50与1JH3的初始磁导率的磁滞回线可以看到，在整个测试过程中数据点都成锯齿状，其中1J50的磁滞回线锯齿状更为明显。造成此现象的主要原因是磁通计的漂移。由于1J50的磁导率较低,为7 mH/m，在场强0.4 A/m、截面积20 mm2、次级线圈N2为100匝的情况下，次级线圈接入磁通计的磁通量只有5.6 μWb左右，而目前最高精度的磁通计的分辨率也只达到10-7Wb，最小漂移量为1×10-6Wb。由此可见，磁导率越低、磁化场强越低、次级感应线圈匝数

表2 采用磁通计模仿冲击法10次测得1J50与1JH3的初始磁导率

从10次采用磁通计模仿冲击法测试1J50与1JH3的初始磁导率数据可以看出，尽管采用磁通计模仿冲击法测试磁滞回线测试所得到的数据不平滑，出现锯齿状，但是依据测试结果计算得到的1J50初始磁导率数据与均值差值最大也只有1.9%的差异，而依据测试结果计算得到1JH3初始磁导率数据与均值最大的差异也只有1.1%。目前，相关的测试标准无法给出磁导率测试误差重复性的要求，依据相关的测试标准要求，磁性能测试时，磁化场强测试误差≤2%，感应场强类参数测试误差≤3%。从以上两个参数要求来看，采用磁通计模仿冲击法测试软磁材料初始磁导率是完全可行的。为了提高测试精度，还可以通过提高感应线圈匝数、增大测试样环的截面积与采用精度更高的磁通计等措施，来进一步提高测试数据的可信度。

采用冲击法测试的1J50与1JH3软磁合金初始磁导率数据如表3所示。

表3 采用冲击法10次测得1J50与1JH3的初始磁导率

从采用冲击法的10次测试1J50与1JH3软磁合金初始磁导率数据可以看出，采用冲击法测试的1J50初始磁导率均值与采用磁通计模仿冲击法测试出的初始磁导率均值只相差了0.97%，10次采用冲击法测试出的1J50初始磁导率数据与均值相差最大为2.3%。可以看出，采用冲击法测试软磁合金磁性能也存在测试结果重复性差的问题，这主要是由于冲击法测试时测试样品在次级线圈中电流的暂态振荡引起的[5]。采用冲击法测试出的1JH3初始磁导率均值与采用磁通计模仿冲击法测试出的初始磁导率均值只相差了0.45%，采用冲击法测试出的1JH3初始磁导率数据与均值相差最大为1.5%。由此可见，利用磁通计模仿冲击法测试软磁合金初始磁导率是完全可行的。

将三种测试方法所得到的初始磁导率数据进行统计分析，以冲击法测试的初始磁导率数据作为基准，分别对比磁通计积分法与磁通计模仿冲击法测试结果与冲击法测试数据结果的差异如表4、表5所示。

表4 不同测试方法10次测试1J50与初始磁导率统计分析数据表

表5 不同测试方法10次测试1JH3与初始磁导率统计分析数据表

从表4、表5不同测试方法的10次测试初始磁导率对统计分析数据表可以看出，采用磁通计模拟冲击法测试的初始磁导率结果与采用冲击法测试出的初始磁导率偏差在1%以下,且采用磁通计积分法测得的初始磁导率的方差甚至优于冲击法测试得到的数据。而采用磁通计积分法直接测量得到的初始磁导率与冲击法测试得到的初始磁导率偏差最大高达5.66%，且磁通计积分法测试出的初始磁导率均方差也较高，有很大的不确定性。至此，我们验证了采用磁通计替代冲击检流计进行模拟冲击法测试软磁合金初始磁导率的方法是可行的，且采用磁通计代替冲击检流计的模拟冲击法测试软磁合金的初始磁导率也具有与采用冲击检流计相仿的重复精度，采用磁通计模仿冲击法还可以通过后续的增加感应线圈N2的匝数等措施来进一步提升测试数据的一致性。

4 结 语

本文通过仿效冲击法测试软磁合金磁性能的原理，提出了采用磁通计测试软磁合金磁滞回线所得到的测试数据，并结合磁滞回线对称的特点，模拟冲击法来计算测试软磁合金初始磁导率的方法，通过对比分析采用磁通计积分法、磁通计模拟冲击法与经典冲击法测试出的初始磁导率数据，我们发现，采用磁通计积分法测试得到的初始磁导率精度较低、重复测试精度较差，而采用磁通计模拟冲击法测试所计算得到的软磁合金的初始磁导率数据精确度与采用冲击法测试所得到的初始磁导率数据精确度偏差在1%以内，且测试重复性甚至更优于采用冲击法所测得的数据，因此我们认为采用磁通计模拟冲击法测试软磁合金的初始磁导率是准确且可行的。