范　雯　侯瑞芬　張志高　賀　建　胡曉榮　林安利　王京平

(中國計量科學研究院，北京 100029)

0　引言

硅鋼是電力、家電和儀器制造工業(yè)中不可缺少的重要磁性材料，主要分為冷軋無取向和冷軋取向硅鋼。近年來，我國電力行業(yè)的快速發(fā)展，對取向硅鋼的需求量巨大。由于技術(shù)門檻高，國內(nèi)產(chǎn)能有限，取向硅鋼價格一度飆升，造成全國每年需要從國外進口大量的取向硅鋼片。但在我國出入境檢驗中，取向和無取向硅鋼的海關稅率和監(jiān)管方式都不盡相同[1]，經(jīng)常有不法商人在進口硅鋼片時，利用其外觀難以分辨的特點，把取向硅鋼謊報成無取向硅鋼以逃避高稅值，從而給國家經(jīng)濟造成重大損失。因此，硅鋼的取向性鑒別技術(shù)已成為打擊偷稅漏稅、維護市場穩(wěn)定、保障國家重要領域發(fā)展的有力工具。雖然冷軋無取向硅鋼和取向硅鋼在涂層表面質(zhì)量、厚度、密度和力學性能等上所表現(xiàn)出的性能都不盡相同，但最準確、有效的鑒別方法是利用其磁性能方面的差異，即硅鋼片橫縱方向上比總損耗比值的定量差異作為鑒別依據(jù)[2]。

目前，國際上測量比總損耗的標準方法為Epstein方圈法[3]和SST單片測量法[4]兩種，其共同具備的優(yōu)點是采用閉磁路測量，具備理想的復現(xiàn)性和準確性，但均需要將硅鋼片剪切成規(guī)定的標準尺寸并在實驗室中進行測試。在出入境檢驗中，不僅費工費時，而且其樣品往往不能代表整卷硅鋼的性能。因此，急需研制科學、便捷的硅鋼取向性鑒別儀器以滿足出入境檢驗的需求。

1　取向硅鋼鑒別儀的基本原理

硅鋼片的比總損耗是在給定頻率，給定磁感應峰值下測量其交流磁滯回線所包圍的面積[5]。通過測量在固定頻率50Hz，磁感應峰值為1.5T時，硅鋼片橫向和縱向的比總損耗的比值的大小來鑒別其取向性。如圖1所示，U型磁軛采用高磁導率的硅鋼材料疊片制成并在其上繞有勵磁線圈N1。勵磁磁軛一端從感應線圈N2中穿過并與樣品緊密接觸，另一端在感應線圈外與樣品接觸，與硅鋼片形成回路。通過對繞在U形疊片硅鋼片的初級線圈N1勵磁，并測量固定在磁導計的底座中的次級線圈N2的感應電壓。如圖2所示，采用伏安法測量原理，在固定頻率50Hz下采用雙通道A/D對電流和電壓同步實時、整周期采樣，從定義出發(fā)計算比總損耗。

圖1　便攜式取向硅鋼鑒別儀原理示意圖

圖2　伏安法原理圖

(1)

(2)

式中，N1為初級繞組匝數(shù)；N2為次級繞組匝數(shù)；l為等效磁路長度；S為樣品截面積。由式(1)和式(2)可推導出：

(3)

式中，Bm為磁感應強度峰值。由式(3)可以看出頻率f、次級繞組匝數(shù)N2，樣品截面積S為已知，Bm的大小直接與電壓的平均值成正比。因此，對平均值電壓的鎖定即為對磁感應峰值的鎖定，對次級感應電壓即平均值電壓的鎖定是整個裝置的技術(shù)關鍵。

最后通過采樣電壓和電流計算出比總損耗。

(4)

(5)

其中，Pt為比總損耗；ma為有效質(zhì)量；PC為試樣消耗的功率；P為有功功率。

2　系統(tǒng)硬件電路設計

測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由鋰電池電源模塊、32位單片機系統(tǒng)、信號源、功率放大器、雙通道14位A/D和14位D/A等構(gòu)成。其鋰電池電源模塊的容量為22000mAh，可保證儀器獨立工作3小時左右。單片機系統(tǒng)包含了觸摸屏顯示、鍵盤管理和RS232接口等外圍器件，具備參數(shù)輸入、結(jié)果輸出及與上位機通訊等功能。

圖3　取向鑒別儀的硬件框圖

32位的單片機是本測試儀的智能控制單元，由該單片機設置信號源的頻率，并控制14位D/A經(jīng)積分器調(diào)節(jié)輸出電壓，采用伏安法測量原理，在50Hz頻率下對電流和電壓同步實時、整周期采樣，通過雙通道A/D每周期每通道采樣128個點，并將其輸入單片機根據(jù)定義計算出鐵損。完成樣品參數(shù)的輸入、采樣頻率的設置和磁感峰值的設定等功能。

其中，信號源單元的硬件原理如圖4所示，單片機的高速輸出器HSO端口向鎖相環(huán)發(fā)送200Hz，240Hz的時鐘頻率。經(jīng)分頻器及鎖相環(huán)，使該頻率倍頻28倍并輸入到計數(shù)器中。計數(shù)器通過10位地址線連接ROM查詢正弦波表，ROM中存有1個周期正弦波(1024個點)，再由數(shù)據(jù)線連接8位D/A，驅(qū)動D/A輸出，經(jīng)過濾波最終得到頻率為50Hz，60Hz的正弦波。其中LK為反饋信號，用來調(diào)節(jié)D/A的基準電壓，達到改變并鎖定輸出電壓的目的。

圖4　信號源硬件框圖

圖5　儀器校準結(jié)構(gòu)圖

3　裝置的校準及測量結(jié)果

3.1　測量裝置的校準

根據(jù)式(5)可知，比總損耗測量是在給定磁感應峰值B下測量的損耗，因此，其磁感應強度峰值和功率的大小直接影響比總損耗測量的準確性，對便攜式取向硅鋼鑒別儀裝置校準的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

由下列公式推導可知，其磁感應強度峰值與平均值電壓在數(shù)學上嚴格成正比，即鎖定平均值電壓即鎖定磁感應峰值[6]，因此，采用2001平均值電壓表采集次級感應線圈的電壓，并對其進行校準。校準結(jié)果見表1，從結(jié)果可以看出，誤差都在1%以內(nèi)。

(6)

(7)

(8)

(9)

表1　磁感應峰值校準數(shù)據(jù)

為校準功率，將取向硅鋼鑒別儀的初級電流和次級電壓分別輸入功率表的電流端和電壓端，在頻率為50Hz的前提下，通過2335功率表將功率直接讀出并進行校準，此時讀出的功率為采樣電流與采樣電壓的乘積。校準結(jié)果見表2，從結(jié)果可以看出，誤差都在1%以內(nèi)。

表2　表2　功率校準數(shù)據(jù)

3.2　測量結(jié)果

通過上文所述的校準方法分別對磁感應峰值和功率等進行校準，使用校準后的便攜式取向硅鋼鑒別儀在頻率為50Hz，磁感應強度峰值為1.5T的條件下，分別對不同類型的取向和無取向樣品進行測量，其測量結(jié)果分別如表3和表4所示：

表3　無取向硅鋼測量數(shù)據(jù)

表4　取向硅鋼測量數(shù)據(jù)

由以上試驗結(jié)果可以看出，使用本文研制的便攜式取向硅鋼鑒別儀測量無取向硅鋼橫縱方向比總損耗的比值均小于1.5；且取向硅鋼的橫縱方向的比總損耗比值均大于3。因此，可通過硅鋼片的橫縱性能差異，較準確的判斷冷軋硅鋼的取向性。

4　結(jié)論

本文研制了便攜式取向硅鋼鑒別儀，在不破壞硅鋼片的前提下，能夠快速利用橫縱向比總損耗的比值來鑒別硅鋼的晶粒取向性。該儀器具有便攜式和準確度高的特點，使之能夠滿足我國出入境檢驗中日益增長的對冷軋硅鋼取向性進行快速鑒別的要求。對該儀器進行校準后，使用本文研制的儀器對無取向硅鋼和取向硅鋼的橫縱向比總損耗分別進行測試，取向硅鋼的橫縱方向的比總損耗比值均大于3，無取向硅鋼橫縱方向的比總損耗的比值均小于1.5，可準確判斷冷軋硅鋼的取向性。

[1]傅志強，等.冷軋硅鋼片取向性的鑒別方法[J].磁性材料及器件，2011(4)

[2]莫明珍，等.冷軋硅鋼片晶粒取向和無取向鑒定方法[J].檢驗檢疫學刊，2010(6)

[3]IEC 60404-2 Magnetic materials - Part 2: Methods of measurement of the magnetic properties of electrical steel sheet and strip by means of an Epstein frame

[4]IEC 60404-3 Magnetic materials - Part 3: Methods of measurement of the magnetic properties of magnetic sheet and strip by means of a single sheet tester

[5]JJG1013-1989 磁學計量常用名詞術(shù)語及定義.北京：中國計量出版社，1989

[6]林安利，等.中國電氣工程大典第三卷第二篇第六章(第一版).北京：中國電力出版社，2009