应用阻抗分析仪测量磁芯复数磁导率的不确定度分析.

1、应用阻抗分析仪测量磁芯复数磁导率的不确定度分析吴琼，王宝燕，胡秀坤，肖小飞(中国计量学院国家磁性材料及其制品质量监督检验中心(浙江)，浙江杭州3 10 0 18)摘要：应用阻抗分析仪及短路同轴腔测量了镍锌铁氧体材料高频下的复数磁导 率，具体介绍了该测试系统测量重复性及仪器精度导致的标准不确定度以及合成不 确定度、扩展不确定度等评定过程。结果表明，在6MHz6 0MHz频率范围内，复数磁导率实部/和虚部/的扩展不确定 度为5%6%左右，证实了用这种方法测量高频复数磁导率是可行的。通过比较发现，随着频率的增高，/的不确定 度增高，而/的不确定度却呈现减小的趋势。关键词：阻抗分析仪；复数磁导率；测量

2、；不确定度中图分类号：TM9 3 6.4文献标识码：E文章编号：1001 3830 (2009) 04.0043.04UncertaintyAnalysisofComplexPermeabilityMeasurementUsinglmpedanceAnalyzerWUQiong，WANGBao yah，HUXiu kun，XIAO Xiao feiNationalCenterfo,.QualitySupervisi onandTestingofMagneticMaterialsandPr oducts,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310 018,ChinaAb

3、stract:ThecomplexpermeabilityofN iZnferritemagneticcoreathighfrequencywaYmeasuredbyshortingcoaxialcavityoftheimpedanceanalyze r,andthestandarduncertaintycomponent sresultingfrommeasuringrepeabilityandequipmentprecision,thecombineds tandarduncertaintyandtheexpandeduncertaintyareanalyzedItisturnedoutt

4、 hattheexpandeduncertaintyof and 泣isintherangeof50/,6%,whichprovesthepracitabilityofhighfrequencypermeabilitymeasurementbyshortingcoaxialcavity.Itwasalsofoundthattheexpandeduncertaintyof increases, whiletheexpandeduncertainty of泣 decreaseswithincreas ingfrequency.Keywords:impedanceanalyzer;complexpe

5、rmeability;measurement;uncertainty1引言复数磁导率/.t = / ?一/ ”是表征在正弦交变磁场下磁性材料磁特性的重 要参数。对于软磁铁氧体材料来说，磁导率是一个标称参数。为适应电子设备微型化的需要，磁性材料的使用频率越来越高，其复数磁导率的测试频率也从过去的1肛10 0kHz提升到11OOMHz。低频条件下，通常是在环形样品上绕制测量线圈即磁芯线圈进行测收稿日期：2 0 0 9.0 1.0 6修回日期：2 0 0 9.0 6 1 9基金项目：国家质检总局科技计划资助项目( 2 0 0 7 QK60);浙江省科技厅分析测试科技计划项目(2007F0043)作者

6、通信：Tc1:0571.87676292E mai1：.ca磁性材料及器件2 0 0 9年8月量的，当测试频率上升到110 0 MHz时，由于磁芯线圈分布电容和导线 铜损的增大，此时采用考虑分布电容的修正方法也难以得到真实的测量结果【1】。固定长度的终端短路同轴腔是一个低损耗的集中参数电磁系统，它可以产生一 个沿样品径向均匀磁化的环形交变磁场。由它取代磁芯线圈”进行高频复数磁导率测量，可以得到相对真实的测量结果。经过几十年的发展它已经作为标准测量方法 的形式固定下来2】。但是，用这种方法测量复数磁导率的准确性和可靠程度却 鲜有评定。测量结果的准确性和可靠程度用标准偏

7、差表示的标准不确定度和说明了置信水准区间半宽度 的扩展不确定度来衡量。测量不确定度的概念以及不确定度的评定和外导体=息息昌昌卜防一叫卜“一图1(a)短路同轴腔示意图和(b)等效电路表示方法的采用，是计量科学的一个新进展，是测量误差的综合和发展【3,40本文应用Agilent公司的4 2 9 4 A阻抗分析仪和配套磁性材料测试夹具1 6 4 5 4 A在660MHz频率范围内对N iZn铁氧体环形样品进行测量，对测试结果的不确定度进行分析，以期揭示应用阻抗分析仪测量磁芯复数磁导率的准确性和可靠程度。2测量原理阻抗分析仪是基于电流一电压法来测量磁芯复数磁导率的。夹具16454A 是一种具有固定长度

8、和短路端盖的同轴腔。环形样品套在中心导体上并紧贴短路端 盖，将中心导体和腔体接到测试仪器后，短路同轴腔可以视为匝数等于1的线圈。 样品选用镍锌铁氧体，尺寸如下：内径b = 9.69111m，外径c = 19.45min、高h = 3.05mm。当线圈外加交流电压矿时，回路中流过交流电流厶，根据电磁感应原理，此时产生平行样品表面的 磁场。实验温度为2 2 0 C+IoC，湿度为 65%75%。图la是终端短路同轴腔的原理示意图，图lb是其等效电路，图中o、 尺。为空腔电感和损耗电阻，厶和凡为被测样品的电感和损耗电阻，它们组成串联 等效电路。当我们用任何一种测量方法得到厶、o和风、Ro之后，就可计

9、算复磁导率 实部/ ?和虚部/。了。对于采用终端短路同轴腔，1,羽，则有:旦.1 1(1)丄一11L1J风胁丢(2)o gofhInco式中AL=t瓦为加样腔电感和空腔电感之差，AR = R足，为加样腔电 阻和空腔电阻之差。鍪图2测量不确定度来源3测试系统不确定度分析3.1测试不确定度的数学模型材料复数磁导率的实部/ ?和虚部/。，它们的评定模型可用下式表示用其中z为被测样品参数的读出值；Y为被测样品参数的测量结果。3.2测量不确定度来源分析图2为测量不确定度的可能来源。当测试一给定样品，非抽样样品，样品选择 及采样所引起的不确定度可忽略；测试全过程为同一人员操作，并按同一操作过程 完成，可消

10、除由人员带来的不确定度；测试室温、湿度对材料测量结果影响较小， 可忽略不计。因此根据评定模型及图3,复数磁导率的不确定度由两部分(分量) 组成：(1) 测量重复性所引起的标准不确定度姒s；(2) 阻抗分析仪测试精度导致的标准不确定度uE(x)。3.3测量标准不确定度分量的评定3.3. 1由测量重复性所引起的标准不确定度(标准不确定度A类评定)对铁氧体磁芯样品的复数磁导率进行10次独立测量，用贝塞尔公式计算标准 不确定度:厅Un(x)= VK , 一 x-)2/(n 一1)相对标准不确定度为：UA,reI(X)=UA(z)/i(3)测量结果如表1所示。3.3.2阻抗分析仪的测试精度所引起的标准不

11、确定度甜B0)4 2 9 4 A阻抗分析仪说明书表明，厂 1MHz时，阻抗分析仪的测试精度 为【5】：JMagnMaterDevicesVo140No4表1/ ?测量结果及标准不确定度分量表2/J ”测量结果及标准不确定度分量表3不同频率下的样品参数不确定度计算结果/7的相对精度彳(/ ?:4+若脚” +嚣胴】损耗角正切/ ?/ ?勺相对精度A(/0/d7):0.0 0 2 笆 + 竺 + 0.0 0 4 厂生 + 幽(5)/IFfa ”,/al10 0其中，.厂为测试频率(GHz);F = hlnc/b(mm),h、b、C 分别为待测样品的高度、内径和外径；/a?和/。分别为复数磁导率的实部

12、和虚部的测量值：t/E,ml(/?为/ ?勺2类相对标准不确定度。仪器测试精度所引起的不确定度按E类方法磁性材料及器件2 0 0 9年8月评定，认为服从均匀分布，置信因子为 它，自由度V2(x)为花则/ ?,/，u ?勺2类相对标准不确定度分别为%ocs =警,争警/ ?勺相对不确定度可以通过计算得到：UB，ml(/1 =3.3.3合成不确定度uc(x)相对合成不确定度为甜。州(z)=獗2再X而+2(7)(8)4 53.4确定扩展不确定度定度却呈现减小的趋势。在没有特殊要求的情况下，按国际惯例，取扩展因子 k = 2，则相对扩展不确定度。_95为砜.9 5 = kuol(工)(9)从表1的测试

13、数据，可得到计算结果如表3所示。4结语本文介绍了阻抗分析仪测量磁芯复数磁导率的工作原理和理论模型，并对不同 频率下测得的复数磁导率进行了不确定度分析。分析结果表明在6-6 0MHZ频 率范围内，复数磁导率实部W ?和虚部/。的扩展不确定度为5 6%左右。通过 比较发现随着频率的增高，/7的不确定度增大，而/。的不确参考文献：【1】周世昌.磁性测量【M】.北京：电子工业出版社，1 9 9 4.【2】 SJ 2 0 9 6 6 ? 2 0 0 6，软磁铁氧体材料测量方法【S】.【3】倪育才.实用测量小确定度评定M】.北京：中国计量出版社，2 0 0 8.4】刘智敏.不确定度原理M】.北京：中国计量

14、出版社,1 9 9 3.5AgilentTechnologiesAgilent16454AMagneticMaterialTestFixtureOperationandServiceManu al瞄,Japan,2 0 0 1.作者简介：吴琼fl 9 8J），女，硕士，安徽桐城人，助理研究员，主要从事磁性材料检测技术及标准研究.妊瞩娃鸭蠕嗨？人娃娃娃研人m啦性墙艟聩惦性啵嗨啵啵啦镰啦啦研舳啵嗨镊”m ?胡鸭啵？蝴昭镊诏蟾嗨辐啦蟾啵椎”舳嗨蟾蟾？人铂，礁？蝴蟾椎？娜慨啵增舳？皤人 抛镰镰啦魄镰镰啵镊恼辅.图5Li0425+0.5rTiyZno.15MndFe2.43口1.5y04铁氧体肮及R的比

15、较有关。所有这些因素作用的结果，都有可能带来气孔致宽删；贡献的增加，共同掩盖了T14+取代引起的崩变化图4中两种Zn含量的样品的自旋波线宽A风很接近，都随T14+含量的增加而逐渐减小，其原因还有待进一步查明。从图5可知，随着T1含量的增加Zn含量x = 0.2的LiTiZn铁氧体 的剩磁比R呈线性下降，而x=O.15的材料的剩磁比在T1含量x = 00.25区间变化不大，而后才趋于减小。这是因为，磁晶各向异性的减弱不利于 剩磁比的提高，非磁性Zn2+、T14+离子的取代量较大时都会带来R的下 降Zn2十含量多的铁氧体的蜀随T14+离子取代所引起的改变可能会比Zn 2+含量少的更明显，因而剩磁比

16、R有显著下降。图中矫顽力皿的实验结果表明，zn含量.棚.2的样品的皿比X-0.15的材料的要低一些，同样也是这个道理。矫顽力对显微结构因素也十分敏感，Zn含量x = 0.2的样品的较低风还跟随Zn含量增加气孔率减小有一定的关系。剩磁比尺也与气孔率等显微结构有关，但础.25后R随着T1含量的减小，可能主要来自大量T14+的取代所导致的各向异性显著减弱。4结论用SOl.Gel法制备的低温烧结L1T1Zn铁氧体的特性随Zn2+、 T14+取代的变化与普通陶瓷工艺制备的L1T1Zn铁氧体的变化规律,5卅相似：(1)聪随T14+离子的增加而减小，随Zn2+的增加而增加;(2)居里温度随Ti4+、Zn2+

17、离子的增加而下降：(3)AH随Zn 2+离子的增加而减小，随Ti针的变化不大；A巩随T14+的增加而下降，随 zn2+的变化不大；(4)Zn2+取代量越大皿越小，T14+取代引起的R和腹的变化不很明 显。参考文献：117.Processforfabr1cat1ngam1crowa vepowerdev1cesP,U.S.Patent5772802.【212YueZX,ZhouJ,LongtuL1LT,eta1 .叨.J MagnMagnMater,2000,208:55 60.3 1韩志全，廖杨，冯涛.【A1 .第十二届全国磁学和磁性材料会议论文集【C1.武夷山，2005:274.【414韩志

18、全，廖杨，冯涛.阴.磁性材料及器件，2007,38 (3):16.51BabaPD,eta1.【j1.IEEETransMagn,1 9 7 2,MAG8(3):9 0 7.6】6何瑞云，侯居正.993:55.60.A】.第七届全国微波磁学会议论文集c.厦门，17】邓绍清，何瑞云，喻顺江.离子代换对Li铁氧体旋矩 特性的影响【R】，绵阳：西南应用磁学研究所，1 9 8 4.JMagnMaterDevicesVol40No4应用阻抗分析仪测量磁芯复数磁导率的不确定度分析作者：吴琼，王宝燕，胡秀坤，肖小飞，WU Qiong，WANG Bao-yan，HU Xiu-kun ， XIAO Xiao-f

19、ei作者单位：中国计量学院，国家磁性材料及其制品质量监督检验中心（浙江,浙江 杭州,310018刊名：磁性材料及器件英文干刊名：JOURNAL OF MAGNETIC MATERIALS AND DEVICES 年，卷(期:2009, 40(4被引用次数：参考文献（5条1. 周世昌磁性测量19942. SJ 20966-2006软磁铁氧体材料测量方法3倪育才 实用测量不确定度评定20084.刘智敏不确定度原理19935. Agile nt Techno logies Agile nt 16454A Mag netic Material Test Fixture Operation and Se

20、rvice Man ual2001相似文献（3条1.期刊论文 谢天.白建民.马斌.魏福林.杨正.王安.胡建民.Xie Tian. BaiJia nming. Ma Bi ng. Wei Fuli n. Ya ng Zhe ng . Wang An. Hu Jia nmin 罐形磁芯法测量软 磁薄膜复数磁导率的研究-兰州大学学报（自然科学版）2000,36（3介绍了罐形磁芯法测量软磁薄膜材料磁导率的磁路结构原理；根据磁路磁通分布，给出了计算的等效磁路；推导了复数磁导率的计算表达式；利用罐形磁芯法在阻抗 分析仪上测量了几种软磁薄膜样品的复数磁导率，并与冲击法的实验结果做了比较， 获得了较为一致的结

21、果.2.期刊论文 刘海顺.都有为.张丽萍.张吉雄.殷春浩.缪协兴.LIU Hai-shun. DU You-wei. ZHANG Li-ping. ZHANG Ji-xiong . YIN Chun-hao. MIAO Xie-xing 不同退 火条件对Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3-xAlx磁导率的影响-功能材料2008,39（5用Al部分替代Nb制备了 Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3-xAlx非晶条带,通过4种不同 的退火方式得到其纳米晶样品，采用阻抗分析仪测量各样品的复数磁导率，并分析了 退火方式对初始磁导率的影响.研究发现，经退火后，样品（除x=3.0的磁导率有明显

22、改 善,明显高于经同样退火处理的Fin emet配方的样品；对于不同退火方式，性能最好的 样品Al含量不尽相同；对于不同Al含量的样品，有各自不同的最佳退火方式；对于 x=3.0、完全不含Nb的样品，经随炉升温或降温退火后，仍然有较高的磁导率.研究结 果表明，在Fin emet配方中，用适量Al替代Nb,经适当退火后，样品的磁导率得到明显 改善,从而提供了一条研制低成本高磁导率纳米晶合金的可能的途径.3. 学位论文 王伟掺Co Sen dust合金的微结构和磁性能研究 2007Sen dust合金由于具有良好的软磁性能以及低廉的价格，工业上广泛用作磁头和 磁芯材料的制造，但是也存在工作温度低、

23、高频性能不佳等缺点.本文在调整合金配 方的基础上，采用熔体快淬技术并改变球磨工艺和热处理温度，获得了具有高工作温 度和优良高频性能的纳米晶掺Co-Se ndust合金.使用快淬法制得了 (Fev,l-xCov,xv,85Siv,9.6Alv,5.4(wt % (x=0,0.05,0.10,0.15,0.20合金快淬带，经高能球磨获得扁平化程度良好的微粉 球磨粉 在氮气保护下退火处理获得了最佳的软磁性能.运用SEM、XRD、VSM和MTG等方法系统研究了经不同工艺处理的样品的微观结构、软磁性能和居里温度.采用复合粘结技术制备了掺Co-Sendust合金/树脂环状材料运用阻抗分析仪系统测试了不 同粉末样品制备的环状样品的高频性能.XRD结果表明,快淬带呈两相结构：在无序aFe相的基础上有部分DO相析 出,Co添加会促使无序相从a-Fe转变为aFe(Co.球磨有利于晶粒的细化，同时也引 起了合金内部DO相向无序相转变球磨20 h后,DO相衍射峰完全消失.使用 SEM观察了合金材料的表明形貌，确定具有最佳扁平度的球磨时间为 70 h;热处理促 使球磨粉内部无序a相向有序DO相转变，随着热处理温度的升高,材料DO 相衍射峰越来越明显，长程有序度越来越高.球磨是合