專利名稱：一種用數(shù)字存儲(chǔ)示波器觀測(cè)交流磁滯回線的實(shí)驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電磁檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用數(shù)字存儲(chǔ)示波器觀測(cè)軟磁材料交流磁滯回線的實(shí)驗(yàn)方法。
背景技術(shù)：
軟磁材料的應(yīng)用已非常廣泛。觀測(cè)軟磁材料的交流磁滯回線并測(cè)出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)磁參數(shù)，對(duì)認(rèn)識(shí)軟磁材料的磁性質(zhì)、合理使用軟磁材料和研制新型軟磁材料都有著十分重要的意義。示波器法是觀測(cè)軟磁材料交流磁滯回線和動(dòng)態(tài)磁參數(shù)最常用的一種方法。雖然隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)有測(cè)量精度更高的方法，但示波器法其測(cè)量線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量過(guò)程的物理意義簡(jiǎn)單明了而且直觀，更有助于認(rèn)識(shí)軟磁材料的特性。所以，迄今許多高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)的磁滯回線實(shí)驗(yàn)還常用這種方法。但交流磁滯回線的形狀受很多測(cè)量因素的影響。其中影響最大的是磁化場(chǎng)周期性變化的頻率?；鼐€形狀隨磁化場(chǎng)的頻率而變化，反映了磁芯的渦流損耗、動(dòng)態(tài)磁滯損耗等隨磁化場(chǎng)的頻率而變化，也就是隨H或B變化的速率而變化，相應(yīng)地其動(dòng)態(tài)磁參數(shù)也不相同。所以工程上要根據(jù)其實(shí)際使用頻率進(jìn)行測(cè)量。影響大的另一種因素就是磁化場(chǎng)變化的波形。同一個(gè)樣品在同一頻率和相同的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm的條件下，磁化場(chǎng)的波形不同，回線的形狀也明顯不同。這一現(xiàn)象表明，B在相同的T/2的時(shí)間內(nèi)從相同的一 Bm變到+Bm時(shí)，因在各個(gè)時(shí)間段B變化的具體速率不同也使回線的形狀發(fā)生顯著的變化。這更進(jìn)一步表明H和B變化的速率對(duì)軟磁材料的動(dòng)態(tài)磁滯和損耗等產(chǎn)生的強(qiáng)烈影響。因此，在討論軟磁材料的動(dòng)態(tài)磁性時(shí)，不僅必須給定H和B變化的頻率，同時(shí)還要指定H或B變化的波形。因此很難制定一個(gè)檢測(cè)軟磁材料的動(dòng)態(tài)磁參數(shù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)橛糜陔娔軅鬏數(shù)淖儔浩鞔蠖鄶?shù)都在接近B正弦條件下工作，所以國(guó)際上規(guī)定在“B正弦”條件下測(cè)量軟磁材料的動(dòng)態(tài)磁參數(shù)，以便數(shù)據(jù)的統(tǒng)一和比對(duì)。所謂在“B正弦”條件下測(cè)量，就是指在測(cè)量軟磁材料樣品的交流磁滯回線的全過(guò)程中，包括樣品被交流磁化到其B的動(dòng)態(tài)范圍接近正、負(fù)飽和區(qū)的情況，都要求軟磁材料樣品中的B仍然按正弦規(guī)律變化。但在技術(shù)上有時(shí)很難實(shí)現(xiàn)“B正弦”條件。例如，當(dāng)樣品被交流磁化到接近飽和時(shí)就很難滿足“B正弦”條件，導(dǎo)致在此區(qū)域的測(cè)量結(jié)果誤差大。有人提出在“B三角波”條件下測(cè)量軟磁材料的交流磁滯回線及有關(guān)的動(dòng)態(tài)磁參數(shù)，當(dāng)樣品被交流磁化到其B值接近飽和時(shí)也因?yàn)椴荒軡M足“B三角波”條件導(dǎo)致測(cè)量誤差大。而軟磁材料在實(shí)際應(yīng)用中往往在接近飽和的磁感應(yīng)強(qiáng)度下工作，需要較準(zhǔn)確地測(cè)試在低頻高磁感應(yīng)強(qiáng)度下的動(dòng)態(tài)磁參數(shù)，因此需要研究能夠完成這類測(cè)試任務(wù)的實(shí)驗(yàn)方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種可減少測(cè)交流磁滯回線失真、提高測(cè)動(dòng)態(tài)磁參數(shù)精度的用數(shù)字存儲(chǔ)示波器觀測(cè)軟磁材料交流磁滯回線的實(shí)驗(yàn)方法。該方法能夠較準(zhǔn)確的測(cè)量樣品被交流磁化到其B值接近飽和時(shí)的交流磁滯回線及其動(dòng)態(tài)磁參數(shù)。
本發(fā)明方法是:
(I)先設(shè)計(jì)一個(gè)交流三角波電流恒流源電路，如附圖2所示，該電路包括電子積分器、雙向幅值檢測(cè)與控制電路、D觸發(fā)器、模擬開(kāi)關(guān)和電壓/電流轉(zhuǎn)換與恒流控制電路。其中模擬開(kāi)關(guān)(A)的輸入端接電源-V，其輸出端接電子積分器的輸入端，其控制端接D觸發(fā)器的Q端。模擬開(kāi)關(guān)(B)的輸入端接電源，其輸出端也接電子積分器的輸入端，其控制端接D觸發(fā)器的“Q非”端。電子積分器主要包括LF356集成運(yùn)算放大器，該電子積分器采用典型的反向積分電路，其輸出端接分壓器的輸入端和雙向幅值檢測(cè)與控制電路的輸入端。雙向幅值檢測(cè)與控制電路包括負(fù)峰值檢測(cè)與控制比較器(I)和正峰值檢測(cè)與控制比較器(2)，其中，負(fù)峰值檢測(cè)與控制比較器(I)的(+ )端接參考電源一 VMf，其(一)端接電子積分器的輸出端，其輸出端接D觸發(fā)器的“S非”端；正峰值檢測(cè)與控制比較器(2)的(+ )端也接電子積分器的輸出端，其(一)端接參考電源+VMf，其輸出端接D觸發(fā)器的“R非”端。分壓器電路由12個(gè)相同阻值的電阻串聯(lián)組成，由12位的波段開(kāi)關(guān)控制選擇其輸出電壓，其輸出端接電壓/電流轉(zhuǎn)換與恒流控制電路的輸入端。電壓/電流轉(zhuǎn)換與恒流控制電路主要由TDA2040集成功放元件組成，該電路的結(jié)構(gòu)與同向放大器基本相同，但有一點(diǎn)不同，如附圖1、附圖2所示，其負(fù)反饋輸入端不接功放的輸出端，而是與負(fù)反饋取樣電阻R1的一端連接，R1的另一端接地。勵(lì)磁線圈作為該電路的負(fù)載，其一端接功放的輸出端，其另一端接該電路的負(fù)反饋輸入端。所述的電源_V、+V、參考電源一 VMf、參考電源+VMf，分別根據(jù)所需電壓選用集成的標(biāo)準(zhǔn)電源元件，其電壓精確、穩(wěn)定、一致性好，便于匹配，而且小巧、便宜。(2)如附圖1所示，在軟磁材料環(huán)形磁芯樣品(I)上，繞有一副勵(lì)磁線圈(2)和一副檢測(cè)線圈(3)。將勵(lì)磁線圈作為交流三角波電流恒流源電路的負(fù)載接到該電路的輸出端，使通過(guò)勵(lì)磁線圈的勵(lì)磁電流A的波形為穩(wěn)定的三角波；當(dāng)該樣品被交流磁化到其B值的動(dòng)態(tài)范圍接近飽和區(qū)時(shí)，雖然勵(lì)磁線圈的感抗在不斷地急劇變化，但勵(lì)磁電流A的波形仍然為穩(wěn)定的三角波，其幅值和波形保持不變，從而使該樣品內(nèi)勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度H=N1Y1"的波形也為穩(wěn)定的三角波，其幅值和波形也保持不變，如附圖7和附圖10所示?？蓪⑦@種勵(lì)磁方式稱之為“H三角波”條件，或“H三角波”條件的勵(lì)磁方式；這也是本項(xiàng)發(fā)明的關(guān)鍵。上式中，N1為勵(lì)磁線圈的匝數(shù)，I為磁環(huán)的等效周長(zhǎng)，它們的數(shù)值已知。只要保持交流三角波電流恒流源電路的輸入端的三角波電壓的幅值和周期T不變，就可使交流三角波勵(lì)磁電流的幅值和周期T不變，從而使該樣品內(nèi)V變化的速率其大小I dH/dt I = I 4Hm/T I保持不變，創(chuàng)造了在H均勻變化的情況下觀測(cè)B值的變化規(guī)律的條件，使測(cè)得的交流磁滯回線能更好地反映該樣品內(nèi)B的數(shù)值與H的數(shù)值之間的函數(shù)關(guān)系，為準(zhǔn)確測(cè)繪交流磁化曲線創(chuàng)造了有利條件。采用這種方法，能夠較好的解決當(dāng)樣品被交流磁化到其B值接近飽和時(shí)，較準(zhǔn)確地測(cè)量其交流磁滯回線和有關(guān)的磁參數(shù)的問(wèn)題。(3)如附圖1所示，R1既是該電路負(fù)反饋的取樣電阻，也是勵(lì)磁電流士的取樣電阻。從R1兩端提取的電SVh= I1 R1，直接送到數(shù)字存儲(chǔ)示波器(6)的X輸入端直流耦合輸入。(4)檢測(cè)線圈(3)輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)電子積分器積分得到反映磁芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的信號(hào)V,。但該電子積分器采用的是典型的“反向積分器”的結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生180°的附加相移，因此需要使上述信號(hào)匕再通過(guò)一個(gè)反向放大器以抵消該“電子積分器”產(chǎn)生的附加相移，然后直接送到數(shù)字存儲(chǔ)示波器的Y輸入端直流耦合輸入。
(5)數(shù)字存儲(chǔ)示波器采用XY掃描方式。調(diào)節(jié)示波器兩個(gè)通道的放大倍率，使在屏幕上顯示大小適中有利于測(cè)量的交流磁滯回線。所謂“大小適中有利于測(cè)量”，指的是在保持波形完整的條件下使波形盡可能的大，以充分發(fā)揮數(shù)字存儲(chǔ)示波器的測(cè)量精度，如附圖
3、5、6、8、9等所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種交流磁滯回線具有對(duì)稱性，所以將回線的中心調(diào)到屏幕的中心，則過(guò)屏幕中心的橫線就是H坐標(biāo)軸；過(guò)屏幕中心的豎線就是B坐標(biāo)軸，如附圖5、附圖8所示。(6)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在“H三角波”條件下測(cè)得的交流磁滯回線，回線的兩端都是尖的，如附圖3、5、8所示；回線尖端點(diǎn)的Vh和Vb的數(shù)值，分別就是該回線上Vh和Vb的峰值VHm和V伽。利用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的測(cè)量光標(biāo)和數(shù)顯功能，根據(jù)回線具有的對(duì)稱性，采用如附圖3所示的方法，容易測(cè)出^和Van的數(shù)值，測(cè)量精度可達(dá)1%。(7)根據(jù)安培環(huán)路定理可得Hm=N1Ylm";根據(jù)歐姆定理可得于是可得Hm=(N1ZVR1)其中，Ah= N1ZVR1 是該磁滯回線上磁場(chǎng)強(qiáng)度的最大值。已知
且已測(cè)出Κ.，則可求出見(jiàn)。已知丸，利用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的測(cè)量光標(biāo)和數(shù)顯功能，根據(jù)飽和磁滯回線，如附圖8所示，可測(cè)出該回線與H坐標(biāo)軸的交點(diǎn)的坐標(biāo)，就可求出樣品的動(dòng)態(tài)矯頑力Hc。(8)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可得:丨e2丨=丨(Ιψ/dt丨=丨N2SdB/dt |， 將內(nèi)通過(guò)電子積分器積分，可得欠=0^/#25.)，其中，久為副線圈的匝數(shù)為磁
環(huán)的橫截面積，￥為電子積分器的積分常數(shù)(這些參數(shù)都已知)，K-為電子積分器的輸出電壓，如附圖5所示，可從磁滯回線上測(cè)出，于是可求出足。已知A=(R2C/N2S)，利用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的測(cè)量光標(biāo)和數(shù)顯功能，根據(jù)飽和磁滯回線，測(cè)出該回線與B坐標(biāo)軸的交點(diǎn)的坐標(biāo)，可求出樣品的動(dòng)態(tài)剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度4。(9)調(diào)節(jié)控制三角波電壓幅值的波段開(kāi)關(guān)，即可調(diào)節(jié)交流三角波電流恒流源電路輸出的三角波電流的幅值。調(diào)節(jié)該波段開(kāi)關(guān)，使勵(lì)磁電流A從最小依次逐檔調(diào)到最大，或從最大依次逐檔調(diào)到最小，使A依次分別取不同的數(shù)值，就分別得到相應(yīng)的穩(wěn)定的交流磁滯回線。分別測(cè)出這些達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的回線尖端點(diǎn)的坐標(biāo)(// .，兄,.)，就可畫出交流磁化曲線，求出相應(yīng)的幅值磁導(dǎo)率 H曲線，其中A3=BnZH1^(10)將e2送到數(shù)字存儲(chǔ)示波器的Y輸入端，Ve信號(hào)仍然送到數(shù)字存儲(chǔ)示波器的X輸入端，示波器仍然采用XY掃描方式，如附圖6、9所示，在示波器屏幕上可直接顯示微分磁導(dǎo)率μ d #曲線，其中yd=(W(W。本發(fā)明方法具有可減少測(cè)交流磁滯回線的失真，提高測(cè)動(dòng)態(tài)磁參數(shù)的精度的有益效果，具體體現(xiàn)在:
1、梅文余在機(jī)械工業(yè)出版社出版的《動(dòng)態(tài)磁性測(cè)量》一書中的第二章第一節(jié)指出，同一個(gè)軟磁材料磁芯樣品，在相同的勵(lì)磁頻率和相同的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm的條件下進(jìn)行交流磁化，當(dāng)H的波形保持為正弦形時(shí)(即所謂“H正弦”條件)其交流磁滯回線的面積最大；B的波形保持為正弦形時(shí)(即所謂“B正弦”條件)其回線的面積最小出或B為其它形狀時(shí)回線的面積介于這兩者之間。所謂“B正弦”條件，就是要求該樣品中的B值按正弦規(guī)律變化。當(dāng)該樣品被交流磁化到接近飽和甚至進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)，該條件顯然不能滿足，導(dǎo)致該方案在此情況下的測(cè)量誤差大。 “B三角波”條件也存在同樣的問(wèn)題。為解決此類問(wèn)題，我們提出了使勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度H的波形保持為三角波的方案。也可稱之為“H三角波”條件。本發(fā)明研制了一種交流三角波電流恒流源電路，將軟磁材料磁芯樣品的勵(lì)磁線圈作為該電路的負(fù)載，可使勵(lì)磁電流4的波形保持為穩(wěn)定的三角波，根據(jù)安培環(huán)路定理H=N1Y1", H也為穩(wěn)定的三角波。其突出特點(diǎn)是，在交流勵(lì)磁使該樣品中的B值雙向都交替地接近飽和時(shí)，勵(lì)磁線圈的感抗在不斷地急劇變化，但勵(lì)磁線圈中的勵(lì)磁電流4的波形仍能保持為穩(wěn)定的三角波，其幅值和波形都保持不變，該樣品內(nèi)勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度H的波形也仍然為穩(wěn)定的三角波，如附圖7、附圖10所示，其幅值和形狀都不變，即仍然能滿足“H三角波”條件。而且，只要保持交流三角波勵(lì)磁電流A的幅值和周期不變，就可以使該樣品內(nèi)"變化的速率其大小I dH/dt I = I 4Hm/T I保持不變，創(chuàng)造了在H均勻變化的條件下觀測(cè)B值的變化規(guī)律，從而突出了//的數(shù)值大小的作用，使測(cè)得的交流磁滯回線能更好地反映磁芯內(nèi)B的數(shù)值與H的數(shù)值之間的函數(shù)關(guān)系(包括動(dòng)態(tài)磁化到使該樣品中的B值達(dá)到飽和的情況)，為準(zhǔn)確測(cè)繪交流磁化曲線創(chuàng)造了有利條件。2、因?yàn)?I e2 I = I d ψ/dt | = | N2S (dB/dt) | = | N2S (dB/dH) (dH/dt) |，軟磁材料的微分磁導(dǎo)率 Z^=dB/dH，已知 I dH/dt I =4Hm/T=4fHm，可得 z/,=e2/ (4f N2SHm)=^e2，其中L=I/ (4f N2SHm), f為三角波的頻率。于是可知在“H三角波”條件下P d與e2成正比，且比例系數(shù)已知；又有H4hVh，，其中丸=N1ZVR1!已知。所以，將e2接到示波器的Y輸入端，Vh信號(hào)仍然接到示波器的X輸入端。示波器采用XY掃描方式，則示波器屏幕上的縱坐標(biāo)軸就代表U d坐標(biāo)軸；橫坐標(biāo)軸就代表H坐標(biāo)軸，于是在示波器屏幕上顯示的就是動(dòng)態(tài) H曲線，如附圖6、附圖9所示。3、因?yàn)樵凇癏三角波”條件下測(cè)得的交流磁滯回線，如附圖3、5、8所示，該回線不僅具有對(duì)稱性，而且該回線的兩端都是尖的，尖端點(diǎn)的V1^P Vb的數(shù)值，分別就是該回線上Vh和Vb的峰值、和KBm。用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的測(cè)量光標(biāo)和數(shù)顯功能，用如附圖3所示的方法，容易測(cè)出Vhi^PVbdi的數(shù)值。一般數(shù)字存儲(chǔ)示波器采用8比特的A/D轉(zhuǎn)換器，其量化誤差小于1LSB，所以測(cè)電壓的精度可達(dá) 到1%。根據(jù)公SHm=4VHn^PBm=4VBm，其中丸=N1^R1 (R2C/N2S)，于是可分別求得/4和足。測(cè)出一系列交流磁滯回線的/4和足，就可畫出交流磁化曲線，求出幅值磁導(dǎo)率 "曲線。并可測(cè)定交流飽和磁滯回線的動(dòng)態(tài)尾、足和這種方法的測(cè)量精度較高，能夠較準(zhǔn)確的測(cè)量樣品被交流磁化到其B值接近飽和時(shí)的交流磁滯回線及有關(guān)的動(dòng)態(tài)磁參數(shù)；測(cè)量動(dòng)態(tài)磁參數(shù)時(shí)，測(cè)量過(guò)程的物理意義簡(jiǎn)單明了而且直觀，所以很適宜用于開(kāi)設(shè)物理實(shí)驗(yàn)，特別是用來(lái)做演示實(shí)驗(yàn)，也可用于工程測(cè)量。
圖1為本發(fā)明方法原理框 圖2為交流三角波電流恒流源電路的原理框 圖3為實(shí)驗(yàn)樣品I在瑞利區(qū)交流磁化時(shí)的磁滯回線；
圖3A為測(cè)交流磁滯回線的2VBm示意 圖3B為測(cè)交流磁滯回線的ZVail示意 圖4為實(shí)驗(yàn)樣品I在瑞利區(qū)交流磁化時(shí)的//和A的波形；
圖5為實(shí)驗(yàn)樣品I的交流飽和磁滯回線；
圖6為實(shí)驗(yàn)樣品I的動(dòng)態(tài)微分磁導(dǎo)率 H曲線； 圖7為實(shí)驗(yàn)樣品I交流磁化到深度飽和時(shí)"和A的波形 圖8為實(shí)驗(yàn)樣品2的交流飽和磁滯回線；
圖9為實(shí)驗(yàn)樣品2的動(dòng)態(tài)微分磁導(dǎo)率μ d H曲線；
圖10為實(shí)驗(yàn)樣品2交流磁化到飽和時(shí)"和A的波形圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明方法具體步驟:
如附圖2所示，研制了一種交流三角波電流恒流源電路⑷。該電路由電子積分器、雙向幅值檢測(cè)與控制電路、D觸發(fā)器、模擬開(kāi)關(guān)和電壓/電流轉(zhuǎn)換與恒流控制電路5大部分組成。該電路的基本工作原理如下:電路剛接通電源時(shí)，D觸發(fā)器的狀態(tài)是隨機(jī)的，假設(shè)Q為0，“Q非”為1，使模擬開(kāi)關(guān)⑶接通電源+V，電子積分器輸出電壓線性下降。當(dāng)下降到低于負(fù)峰值控制比較器的閾值電平時(shí)，該比較器輸出為低電平，使D觸發(fā)器置1，即Q為1，“Q非”為0，于是轉(zhuǎn)換為使模擬開(kāi)關(guān)(A)接通電源-V，使電子積分器輸出電壓線性上升。當(dāng)上升到高于正峰值控制比較器的閾值電平時(shí)，該比較器輸出為低電平，使D觸發(fā)器置0，即Q為0，“Q非”為1，于是開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)周期。電子積分器輸出的三角波電壓，經(jīng)分壓控制波段開(kāi)關(guān)選擇輸出電壓的幅值，再經(jīng)電壓/電流轉(zhuǎn)換與恒流控制電路轉(zhuǎn)換成(三角波)交流恒流電流通過(guò)勵(lì)磁線圈(2 )進(jìn)行勵(lì)磁。在勵(lì)磁過(guò)程中，雖然勵(lì)磁線圈的感抗不斷地發(fā)生變化，但通過(guò)它的三角波電流的幅值和形狀都能保持不變，使得該樣品內(nèi)勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度H的波形也為穩(wěn)定的三角波，如附圖7和附圖10所示，其幅值和波形也保持不變。調(diào)節(jié)控制三角波電壓幅值的波段開(kāi)關(guān)，增大三角波電壓的幅值，以增大交流三角波電流恒流源輸出電流的幅值，該樣品內(nèi)勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度H的幅值也隨著增大。當(dāng)H增大到使該樣品內(nèi)的B值達(dá)到飽和時(shí)，H的波形仍然保持為三角波，仍然能滿足“H三角波”條件，使測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定、可靠。該電路中的電壓源+V、一 V、+VMf和一 VMf都采用集成的標(biāo)準(zhǔn)電源元件，其電壓精確、穩(wěn)定、一致性好，便于匹配，使產(chǎn)生的三角波電壓幅度穩(wěn)定，頻率穩(wěn)定，波形對(duì)稱性好，線性度好；而且其結(jié)構(gòu)小巧，價(jià)格便宜。如附圖1所示，在軟磁材料環(huán)形磁芯樣品⑴上繞有勵(lì)磁線圈⑵和檢測(cè)線圈⑶。將勵(lì)磁線圈⑵作為交流三角波電流恒流源電路⑷的負(fù)載接在該電路的輸出端，使勵(lì)磁線圈⑵中的勵(lì)磁電流A的波形為穩(wěn)定的三角波，從而使得在該樣品⑴內(nèi)產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度H=N1Y1"的波形也為穩(wěn)定的三角波，如附圖7、10所示。式中N1為勵(lì)磁線圈⑵的匝數(shù)，I為該樣品的等效周長(zhǎng)。如附圖1所示，將一個(gè)小電阻&的一端接在該電路的負(fù)反饋輸入端，另一端接地。R1既是該電路負(fù)反饋信號(hào)的取樣電阻，也是勵(lì)磁電流4的取樣電阻。從R1兩端提取的電壓Vh= I1 R1，直接送到數(shù)字存儲(chǔ)示波器(6)的X輸入端直流耦合輸入。檢測(cè)線圈(3)輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2，經(jīng)過(guò)電子積分器積分得到反映該樣品中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的信號(hào)VB。但該電子積分器產(chǎn)生了 180°的附加相移，所以需要再經(jīng)過(guò)反向放大器進(jìn)行相位補(bǔ)償，然后接到數(shù)字存儲(chǔ)示波器(6)的Y輸入端直流耦合輸入。數(shù)字存儲(chǔ)示波器采用XY掃描方式，調(diào)節(jié)示波器兩個(gè)通道的放大倍率，使在屏幕上顯示大小適中便于測(cè)量的交流磁滯回線，如附圖3、5、8所示。因?yàn)樵凇癏三角”條件下測(cè)得的交流磁滯回線具有很好的對(duì)稱性，所以將回線的中心調(diào)到屏幕的中心，則過(guò)屏幕中心的橫線就是//坐標(biāo)軸；過(guò)屏幕中心的豎線就是A坐標(biāo)軸。因?yàn)樵凇癏三角波”條件下測(cè)量的交流磁滯回線，如附圖3、5、8所示，這種交流磁滯回線不僅具有對(duì)稱性，而且回線尖端點(diǎn)的V1^P Vb的數(shù)值，分別是該回線上V1^P Vb的峰值電壓I和L的數(shù)值。用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的測(cè)量光標(biāo)和數(shù)顯功能，用如圖3所示的方法，容易測(cè)出KHm和KBm的數(shù)值，測(cè)量精度可達(dá)到1%。根據(jù)安培環(huán)路定理可得Hm=N1Y Jl ;根據(jù)歐姆定理可得^R1，于是可求得Hm=N1 VamZVR1 =iHVHm。已知^h,從飽和磁滯回線上,測(cè)出回線與H坐標(biāo)軸的交點(diǎn)的坐標(biāo),可求出樣品的動(dòng)態(tài)矯頑力盡。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,可得:丨e2丨=丨dF/dt I = I N2SdB/dt | ,通過(guò)電子積分器將e2對(duì)時(shí)間t積分，可得Bm= (R2C/N2S)VBm4BVBm，其中，久為副線圈的匝數(shù)J為磁環(huán)的橫截面積，￥為電子積分器的積分常數(shù)，A= (R2C/N2S)。已知4，從飽和磁滯回線上，測(cè)出磁滯回線與A坐標(biāo)軸的交點(diǎn)的坐標(biāo)，即可求出動(dòng)態(tài)剩余磁磁感應(yīng)強(qiáng)度4。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流Y1依次取一系列不同的數(shù)值，分別得到相應(yīng)的穩(wěn)定的交流磁滯回線，測(cè)出這些回線尖端點(diǎn)的坐標(biāo)0/ .，1)，可畫出交流磁化曲線，并求出相應(yīng)的幅值磁導(dǎo)率' //曲線，其中'=i m///m。將內(nèi)接到數(shù)字存儲(chǔ)示波器的Y輸入端，Kh信號(hào)送到數(shù)字存儲(chǔ)示波器的X輸入端，示波器采用XY掃描方式，如附圖6、9所示，在示波器屏幕上可直接顯示動(dòng)態(tài)微分磁導(dǎo)率μ d "曲線，其中yd=(W(W。實(shí)驗(yàn)及結(jié)果:
從市場(chǎng)上隨機(jī)買了幾種軟磁材料環(huán)形磁芯當(dāng)實(shí)驗(yàn)樣品，用本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)這些樣品進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將其中動(dòng)態(tài)磁參數(shù)差別較大的兩種樣品的測(cè)量結(jié)果列舉如下:
這兩種軟磁材料環(huán)形磁芯樣品的形狀和尺寸相同；內(nèi)徑:33.56mm,外徑:49.44 mm,厚度:7.94 mm,高度:10.90 mm,等效周長(zhǎng)Z=130.38 mm,截面積5.=86.55 mm2;實(shí)驗(yàn)時(shí)，選定三角波電流的頻率/=105.0Hz。測(cè)出了它們的交流磁滯回線、交流飽和磁滯回線和與其相應(yīng)的V1^P Vb的波形圖，以及動(dòng)態(tài)微分磁導(dǎo)率μ -H曲線等，如附圖3 附圖10所示。對(duì)照附圖5和附圖7可知，樣品I已被交流磁化到深度飽和，但勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度H的波形仍然為穩(wěn)定的三角波，仍然滿足“H三角形”條件。用本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)方法能夠較準(zhǔn)確的測(cè)量樣品被交流磁化到其B值接近飽和時(shí)的交流磁滯回線及有關(guān)的動(dòng)態(tài)磁參數(shù)。實(shí)驗(yàn)樣品I在瑞利區(qū)交流磁化時(shí)的磁滯回線(圖3)，回線的兩端都是尖的；利用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的測(cè)量光標(biāo)和數(shù)顯功能，很容易測(cè)出vHm和VBm的數(shù)值。實(shí)驗(yàn)樣品I在瑞利區(qū)交流磁化時(shí)的H和B的波形(圖4)，彼此很相似。實(shí)驗(yàn)樣品I的交流飽和磁滯回線(圖5)，回線是對(duì)稱的，兩端是尖的；實(shí)驗(yàn)樣品I交流磁化到深度飽和時(shí)H和B的波形(圖7)，B已達(dá)到深度飽和，而H的波形仍為穩(wěn)定的三角波；實(shí)驗(yàn)樣品2的交流飽和磁滯回線(圖8)，回線是對(duì)稱的，兩端是尖的，其盡明顯要比樣品I的大；實(shí)驗(yàn)樣品2交流磁化到飽和時(shí)H和B的波形(圖10)，B已接近飽和，而H的波形仍然為三角波。樣品I的有關(guān)測(cè)值:
勵(lì)磁線圈匝數(shù)Ν1=80 ;檢測(cè)線圈匝數(shù)N2=IOO ；測(cè)出磁滯回線上B達(dá)到飽和時(shí)的Vb電壓值:^=0.544V;
測(cè)出磁滯回線上B剛達(dá)到飽和時(shí)的Vh電壓值'Hhs=。.880V;
測(cè)出磁滯回線上與B坐標(biāo)軸相交的點(diǎn)的Vb電壓值:VBr=0.152V;
測(cè)出磁滯回線上與H坐標(biāo)軸相交的點(diǎn)的Vh電壓值:^=0.084V;
測(cè)出檢測(cè)線圈輸出電壓的峰值:e2m=9.98V。計(jì)算結(jié)果:
飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bs= (R2C/N2S) Vbs=Vbs=1- 155X0.544=0.628 (T);
飽和磁化磁場(chǎng)強(qiáng)度 Hs=N1 VhsZVR1 =AHVHS=61.36 X 0.880=54.0 (A/m);
動(dòng)態(tài)剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度1.155X0.152=0.176 (T);
動(dòng)態(tài)矯頑力 Hc=4Vhc=61.36X0.084=5.15 (A/m);
最大微分磁導(dǎo)率 Z^=e2ni/ (4fN2SHm) =5.09 X 10 ^3 X 9.98=5.08 X 10 ^2 (Tm/A)。樣品2的有關(guān)測(cè)值:
勵(lì)磁線圈匝數(shù)N1=IOO ;檢測(cè)線圈匝數(shù)N2=IOO ；
測(cè)出磁滯回線上B達(dá)到飽和時(shí)的Vb電壓值:^=0.304V;
測(cè)出磁滯回線上B剛達(dá)到 飽和時(shí)的Vh電壓值:Hhs;\.60V;
測(cè)出磁滯回線上與B坐標(biāo)軸相交的點(diǎn)的Vb電壓值Vjlr=0.252V;
測(cè)出磁滯回線上與H坐標(biāo)軸相交的點(diǎn)的Vh電壓值:^=0.456V;
測(cè)出檢測(cè)線圈輸出電壓的峰值:e2m=10.2V。計(jì)算結(jié)果:
飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bs= (R2C/N2S) Vbs =1.155X0.304=0.351 (T)；
飽和磁化磁場(chǎng)強(qiáng)度 Hs=N1 VhsZVR1 =AhVhs=76.70X 1.60=122.7 (A/m)；
動(dòng)態(tài)剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 Br=^VBr=1- 155X0.252=0.291 (T)；
動(dòng)態(tài)矯頑力 Hc=々hVhc=76.70 X 0.464=35.6 (A/m);
最大微分磁導(dǎo)率//,=e2m/ (4/凡3扎)=2.24X10 —3Xl0.2=2.29X10 —2 (Tm/A)。
權(quán)利要求
1.一種用數(shù)字存儲(chǔ)示波器觀測(cè)交流磁滯回線的實(shí)驗(yàn)方法，其特征是: (1)設(shè)計(jì)一個(gè)交流三角波電流恒流源電路，該電路包括電子積分器、雙向幅值檢測(cè)與控制電路、D觸發(fā)器、模擬開(kāi)關(guān)和電壓/電流轉(zhuǎn)換與恒流控制電路；其中，模擬開(kāi)關(guān)包括模擬開(kāi)關(guān)A和模擬開(kāi)關(guān)B ;模擬開(kāi)關(guān)A的輸入端接電源-V，其輸出端接電子積分器的輸入端，其控制端接D觸發(fā)器的Q端；模擬開(kāi)關(guān)B的輸入端接電源+V，其輸出端也接電子積分器的輸入端，其控制端接D觸發(fā)器的“Q非”端；電子積分器是以LF356集成運(yùn)算放大器為主構(gòu)成的典型的反向積分電路，其輸出端接分壓器的輸入端和雙向幅值檢測(cè)與控制電路的輸入端；雙向幅值檢測(cè)與控制電路包括負(fù)峰值檢測(cè)與控制比較器和正峰值檢測(cè)與控制比較器；負(fù)峰值檢測(cè)與控制比較器的(+ )端接參考電源一 VMf，其(一)端接電子積分器的輸出端，其輸出端接D觸發(fā)器的“S非”端；正峰值檢測(cè)與控制比較器的(+ )端接也接電子積分器的輸出端，其(一)端接參考電源+VMf，其輸出端接D觸發(fā)器的“R非”端；分壓器電路由12個(gè)相同阻值的電阻串聯(lián)組成，由12位的波段開(kāi)關(guān)控制選擇其輸出電壓，其輸出端接電壓/電流轉(zhuǎn)換與恒流控制電路的輸入端；電壓/電流轉(zhuǎn)換與恒流控制電路包括TDA2040集成功放元件，電路結(jié)構(gòu)與同向放大器基本相同，但其負(fù)反饋輸入端不接功放的輸出端，而是與負(fù)反饋取樣電阻R1的一端連接，R1的另一端接地；勵(lì)磁線圈作為該電路的負(fù)載，其一端接功放的輸出端，其另一端接該電路的負(fù)反饋輸入端；所述的電源、電源、參考電源一 VMf、參考電源+VMf，分別根據(jù)所需電壓選用集成的標(biāo)準(zhǔn)電源元件； (2)在軟磁材料環(huán)形磁芯樣品上繞有一副勵(lì)磁線圈和一副檢測(cè)線圈；將勵(lì)磁線圈作為交流三角波電流恒流源電路的負(fù)載接到該電路的輸出端，使通過(guò)勵(lì)磁線圈的勵(lì)磁電流A的波形為穩(wěn)定的三角波；當(dāng)該樣品被交流磁化到其B值的動(dòng)態(tài)范圍接近飽和區(qū)時(shí)，雖然勵(lì)磁線圈的感抗在不斷地急劇變化，但勵(lì)磁電流A的波形仍然為穩(wěn)定的三角波，其幅值和波形保持不變，從而使該樣品內(nèi)的勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度H=N1Y1"的波形也為穩(wěn)定的三角波，其幅值和波形也保持不變；其中，N1為勵(lì)磁線圈的匝數(shù)，I為該樣品的等效周長(zhǎng)；可將這種勵(lì)磁方式稱為“H三角波”條件的勵(lì)磁方式； (3)交流三角波電流恒流源電路的負(fù)反饋取樣電阻R1，也是勵(lì)磁電流士的取樣電阻；從R1兩端提取的電壓Vh= I1 R1，直接送到數(shù)字存儲(chǔ)示波器的X輸入端直流耦合輸入； (4)檢測(cè)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)電子積分器積分得到反映該樣品中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的信號(hào)V,;該電子積分器會(huì)產(chǎn)生180°的附加相移，須使上述信號(hào)匕再通過(guò)一個(gè)反向放大器以抵消該“電子積分器”產(chǎn)生的附加相移，然后直接送到數(shù)字存儲(chǔ)示波器的Y輸入端直流耦合輸入； (5)數(shù)字存儲(chǔ)示波器采用XY掃描方式；調(diào)節(jié)示波器兩個(gè)通道的放大倍率，使在屏幕上顯示有利于測(cè)量的交流磁滯回線，在保持波形完整的條件下使波形盡可能的大，以充分發(fā)揮數(shù)字存儲(chǔ)示波器的測(cè)量精度；將回線的中心調(diào)到屏幕中心，則過(guò)屏幕中心的橫線就是H坐標(biāo)軸；過(guò)屏幕中心的豎線就是B坐標(biāo)軸； (6)在“H三角波”條件下測(cè)得的交流磁滯回線，回線的兩端都是尖的；回線尖端點(diǎn)的Vh和Vb的數(shù)值，分別就是該回線上Vh和Vb的峰值Vlh和Van ;利用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的測(cè)量光標(biāo)和數(shù)顯功能，根據(jù)回線具有的對(duì)稱性，測(cè)出^和Van的數(shù)值； (7)根據(jù)安培環(huán)路定理可得Hm=N1Ylm";根據(jù)歐姆定理可得，于是Hm=(VHm N1/JR1) =^hVhdi ；其中，丸=N1ZVR1 是該磁滯回線上磁場(chǎng)強(qiáng)度H的最大值；已知Ar1JP1J ;且已測(cè)出V-,則可求出/4;已知丸，利用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的測(cè)量光標(biāo)和數(shù)顯功能，根據(jù)飽和磁滯回線，測(cè)出該回線與H坐標(biāo)軸的交點(diǎn)的坐標(biāo)，求出樣品的動(dòng)態(tài)矯頑力盡； (8)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可得:Ie2 I = I d ψ/dt I = I N2SdB/dt | ,將e2通過(guò)電子積分器積分，得Bm= (R2C/N2S)VBm4BVBm，其中，#2為副線圈的匝數(shù)J為磁環(huán)的橫截面積，￥為電子積分器的積分常數(shù)，乙為電子積分器的輸出電壓，可從磁滯回線上測(cè)出，求出Bm ；已知A= (R2C/N2S)，利用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的測(cè)量光標(biāo)和數(shù)顯功能，根據(jù)飽和磁滯回線，測(cè)出該回線與B坐標(biāo)軸的交點(diǎn)的坐標(biāo)，求出樣品的動(dòng)態(tài)剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度& ； (9)調(diào)節(jié)控制三角波電壓幅值的波段開(kāi)關(guān)，使勵(lì)磁電流Y1從最小依次逐檔調(diào)到最大，或從最大依次逐檔調(diào)到最小，使A依次分別取不同的數(shù)值，分別得到相應(yīng)的穩(wěn)定的交流磁滯回線；分別測(cè)出這些達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的回線的尖端點(diǎn)的坐標(biāo)(U .)，畫出交流磁化曲線，求出相應(yīng)的幅值磁導(dǎo)率 "曲線，其中^3=BnZHni; (10)將送到數(shù)字存儲(chǔ)示波器的Y輸入端，Ve信號(hào)仍然送到數(shù)字存儲(chǔ)示波器的X輸入端，示波器仍然采用XY掃描方式，在示波器屏幕上直接顯示微分磁導(dǎo)率μ d //曲線，其中μ d-dB/ Ηο
全文摘要
一種用數(shù)字存儲(chǔ)示波器觀測(cè)交流磁滯回線的實(shí)驗(yàn)方法，屬電磁檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，目的是減少測(cè)交流磁滯回線失真，提高測(cè)動(dòng)態(tài)磁參數(shù)的精度；本發(fā)明先設(shè)計(jì)交流三角波恒流源電路，將勵(lì)磁線圈作為該電路的負(fù)載，使磁化場(chǎng)強(qiáng)度H的波形為三角波；該電路的負(fù)反饋取樣電阻R1也是勵(lì)磁電流的取樣電阻，其端電壓VH送示波器X輸入端；檢測(cè)線圈輸出電壓e2經(jīng)電子積分器積分得到VB，送示波器Y輸入端；示波器用XY掃描顯示交流磁滯回線；測(cè)量時(shí)可使H變化的速率不變，創(chuàng)造了在H均勻變化的條件下觀測(cè)B的變化規(guī)律，使測(cè)得的磁滯回線能更好地反映樣品內(nèi)B與H的數(shù)值之間的函數(shù)關(guān)系；將e2取代VB送示波器Y輸入端，可直接顯示微分磁導(dǎo)率μd～H曲線。
文檔編號(hào)G01R33/14GK103116145SQ201310024718
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者張旭峰, 何森, 姜衛(wèi), 曹美珍, 高永全, 王秉仁, 吳晶瑩 申請(qǐng)人:中北大學(xué)
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