磁滞回线测量原理

1、磁滞回线测量原理摘要：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

2、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。 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,N1和N2分别为样品的磁化线圈和测量线圈的匝数;R1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R1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

3、。在图1中,电压降ur1与磁场强度H的关系可用下式表示: 式(2)中,l为平均磁路长度,对于环行样品,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: 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)、(3)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

4、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。 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):%(8W 8) (4)最大输

5、出功率:12W(4) (5)最大输出电流: 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;R1C1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。在电路调试初期,没有这个相位补偿电路,B信号为一条粗带,

6、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6,以适应各档频率的积分时间。 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Hm和最大磁感应强度Bm的计算公式7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 =,次级电压Ubm=,N1=N

7、2=5(N1、N2分别为小磁环初、次级线圈匝数),小磁环内径D内=,外径D外=,高h=。经计算横截面积S=×10-5m2,平均直径D=,积分电阻R=1k,积分电容C=F,取样电阻R2=。经计算,Hm=m,Bm=。然后按照示波器荧光屏上剩磁Br和矫顽力Hc相对Bm和Hm的比例,可以算出它们的具体数值:Hc=8Hm=m,Br=。 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Br和矫顽力Hc。将测量的结果与使用日本岩崎通信有限公司生产的SY-8232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

8、结果为:Br=,Hc=m。误差分别为:Br=。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7,本文采用的是环行样品。平均磁路l=2(D内+D外)/2,环中的平均磁场强度为: (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

9、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(1+j)   (7) C=C0(1-jtgd)(8) 式中,R0和C0为纯电阻、纯电容,是电阻的时间常数,tgd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RC>>1外,还应选取很低的电阻和tgd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