磁滞回线测量原理

1、摘 要：介绍了磁滞回线测量中的定标方法, 与标样参数进行对比,分析了误差来源。给出了磁滞回线测量原理,并对传统的测量电 路进行了改进。随着电子信息产业的发展,与其密切相关的软磁材料及其性能测量引起了人们的高度重视。软磁材料绝大多数都用作工作在动态 磁化条件下的磁性器件1,如开关电源变压器磁芯、回扫变压器磁芯、滤波器磁芯等。磁性产品性能的好坏主要取决于作为导磁 材料的磁心的性能2。因此设计者迫切需要知道软磁材料在实际应用条件下的磁性能。而磁滞回线包含了体现磁材料性能的参数,如矫顽力、剩磁等,有了这些参数才能进行最佳的设计。由于交流磁滞回线的形状受多种因素的影响,定量测量交流磁参量涉 及到复杂的原理和计算，所以测量结果存在一定的误差。本文将着重叙述获取参数的原理和方法并作出误差分析。信号握生CHI CH2图1 磁滞回线测量原理1测量原理测量动态回线的方法很多,经常使用的有示波器法、铁磁仪法和采样法等3。这里介绍示波器法。此方法就是利用一般阴极射线示波器直接显示交流回线,由于简单可靠,在工业测量中有着广泛的应用。这些方法的测量原理都是相同的,具体如图1所示4。图1中,N和N2分别为样品的磁化

2、线圈和测量线圈的匝数;R为串入样品初级线圈回路的小电阻;e2为样品测量线圈上的感应电压;ur1为小电阻R上因磁化电流通过而产生的电压。感应电压e2与磁感应强度B的关系为：式(1)中,S为标准磁环的面积。在图1中,电压降url与磁场强度H的关系可用下式表示：岭“点尸旧局人帖(2)式(2)中,1为平均磁路长度,对于环行样品，八 - _ 为磁环的平均直径。线路里R、C和运放构成了 R-C积分器，当R、C取值适当，即时，可得积分器的输出值为:(3)因为电路为反相积分器,所以为了反映正相的B,在积分器前加了反相器。由式(2)、可以看出，电压ur1和uy分别正比于H 和B。这样就会在示波器屏幕上显示出B=f(H)回线。磁滞回线测量的原理如上所述而实验中得到的曲线存在两大不足:一是回线不清楚,B曲线和H曲线均有失真，原因是反相器和积分器不理想,如漂移、自激等都会影响曲线的质量;二是由于信号发生器输出信号功率小,激励电流小,小磁环很难达到饱和,几乎得不到高频磁滞回线。为此需进行以下改进得到高频磁滞回线。TlJA3fWfi0CIIICFU图 2 改进后的测量电路2测量电路的改进图2为改进后的测量电路，采

3、用了 TDA2006功率放大器作功率输出级，从而得到高频输入信号，增大激励电流,使磁环达到饱和。TDA2006的特点是通频带宽、高频特性好、噪声小、失真系数小。片内设置了各种保护电路对电流浪涌、过压和负载短路等异常情况都有较强的适应性,应用方便,可以获得大的不失真功率。达到的性能指标如下:(1)频率响应范围50Hz100kHz,3dB(2)闭环增益:30dB;开环增益:75dB(3)谐波失真(1kHz 时):0.1%(8W 8Q)最大输出功率:12W(4Q)(5)最大输出电流:2.5A此外,由测量原理图(图 1)可以看出,加入了反相器,反相器不会是完全理想化的,其比例电阻也不会很精确,这样会引起测量上 的误差，为此把积分器改为同相积分器。其中,Rf的用途是提供直流反馈,使失调电压不连续对C充电,否则会导致放大器处于极限 状态；R是相位置后补偿电路，以消除自激振荡，并改善高频时的负载特性，这一点也非常重要。由于集成运算放大器内部是由多 级放大器组成的，每级放大器的输出及后级放大器的输入都存在输入、输出阻抗及分布电容级间会产生R-C移相网络，这样信号 通过每一级后就产生了附加相位。在电路调

4、试初期，没有这个相位补偿电路,B信号为一条粗带,得到的磁滞回线非常模糊。C2是 隔直电容，可以滤除直流分量。另外，由于测试频率范围较宽，为了适应高、低频信号的需要，可以对积分电容C分档向，以适应各档图3 f=60kHz时的B-H回线3 定标计算 改进后的电路测量的磁滞回线如图3所示。该图形是由数码相机在示波器上拍摄下来的。示波器上显示的仅仅是测量电流 和电压的相位关系，如要得到B-H的关系曲线和具体的性能参数，还要进行定标转换。结合实际测量电路，由公式(2)、(3)得出最大 磁场强度H和最大磁感应强度B的计算公式为：当激励频率f=60kHz时，从示波器上读出初级输入电压最大幅值UR2m =1.65V,次级电压Ubm=0.95V,N=N2=5(N、N2分别为小磁环初、次级线圈匝数)，小磁环内径D =6.18mm,外径D =10.3mm,高h=5.10mm。经计算横截面积S=1.0506x10-5m2，平均直内外径D=8.24mm,积分电阻R=lkQ,积分电容C=0.022yF,取样电阻R2=4.3Q。经计算,Hm=76.37A/m,Bm=396.72mT。然后按照示波器 荧光屏上剩磁B和

5、矫顽力H相对B和H的比例，可以算出它们的具体数值:H =1.65/8H =15.675A/m,B =1.8/4.9B =145.73mT。4结果的比较及误差分析经定标计算得到MnZn铁氧体磁环的重要参数剩磁B和矫顽力H。将测量的结果与使用日本岩崎通信有限公司生产的SY- rc8232交流B-H分析仪所得的测量结果进行比较。该测试是委托信息产业部磁性产品质量监督检验中心完成的。SY-8232的测试 结果为:B =147.45mT,H =16.078A/m。误差分别为:oB =(147.45-145.73)/147.45=1.2%qh =(16.078-15.675)/15.675=2.5%。示波器法 测量磁滞回线参数的误差一般小于7%8,该测试结果的误差在这个范围之内。为了进一步提高测量的精度,改善测量系统的性能, 有必要分析一下可能引起测量误差的各种因素。对于本测试电路来说主要有以下几点:(1) 样品形状参数的影响样品的形状、尺寸也会对动态磁参数有所影响,本文采用的是环行样品。平均磁路l=2n(D 内+D 外)/2,环中的平均磁场强度内外为:式中为半径主处的磁场强度.由安培环跻定埋得a

6、 D尸(DZ)舟)/ln纟井、被称为谐和直径k当苹洙足(D卄内舁!)蚌+ /)齐)W1用刃时、用谐和直栓 求磁场强厦。公式(2)成为阳討匮二阳二師注 本文中(。-d rt)/(n内+心i用，这样导致样品 中的幣场不是很均匀，给测帛带来谋差。(2) 积分器的影响 积分器是用运算放大器实现的,理想化的集成运放应具有无限大的差模输入阻抗、趋于零的输出阻抗、无限大的共模抑制 比、无限大的频带宽度以及趋于零的失调和漂移10。实际上集成运放不可能具有上述理想特性。另外,积分电阻和电容也不是纯 电阻和电容,有一定的分布参数,一般表达式为:R=R0(l+j3T)C=C0(l-jtg6d) (8)式中,R0和C0为纯电阻、纯电容,t是电阻的时间常数,tg.为电容损耗正切角。为了使积分器有较低的误差除了选择合适的 RC数值，满足RC1外，还应选取t很低的电阻和tg8d趋于零的积分电容。(3) 磁心线圈及取样电阻的影响 本文中激励信号为正弦波,若磁心线圈是线性元件,则根据欧姆定律可知,通过磁心线圈的激励电流也是正弦的。但是,实际的 磁心线圈是非线性元件,所以磁化电流和电压必为畸变的波形。较多的初次级线圈匝数也会使回线变形,原因是线圈多了,匝间分 布的电容加大，通过分布电容的位移电流加大，当然会使回线变形。另外,H路信号的电压是从取样电阻上获得的，为了保证B为正 弦波，取样电阻阻值要低，且有很大的功率，并要求它是无感的。实际的电阻不是理想的,其分布电容和电感使H信号随着频率的升 高而失真。本文采用的是10W的线绕电阻，若采用金属膜电阻，可减小误差。此外,环境条件也对测试结果有一定的影响。测试中应保持温度恒定,还要远离电磁场。

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