陳 毅， 徐 勇， 張毅磊， 羅 堅

(1.湖南大學(xué)，湖南 長沙 410082； 2.中南大學(xué)，湖南 長沙 410012)

0 引 言

在特定磁化裝置產(chǎn)生的磁化場作用下，磁性材料被磁化到飽和，當(dāng)磁化場減弱為零時，樣品上仍然能保留較強剩磁的材料被稱為永磁材料。傳統(tǒng)的磁性參數(shù)測試儀測試永磁材料采用模擬積分器的原理實現(xiàn)對感應(yīng)信號的積分，同時采用硬件電路實現(xiàn)對積分器的調(diào)零和補償。模擬積分器的零漂是難以克服的，硬件調(diào)零和補償也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度[1～3]。因此,傳統(tǒng)磁性參數(shù)測試儀具有測試誤差較大，性能不穩(wěn)定、手動操作不便、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺陷。

本文以TMS320F2812處理器為核心，通過使用復(fù)化Newton-Cotes數(shù)字積分算法，不僅可以解決模擬積分器零漂的問題，而且提高了積分運算精度[4,5]。同時在DSP上使用巴特沃斯數(shù)字濾波器對采集信號進行濾波，相比于模擬濾波器有更高的精度和更好的穩(wěn)定性。同時該測試儀采用軟件實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)零和補償，無需硬件調(diào)零電路和補償電路，很好地解決了系統(tǒng)初值不為零和補償系統(tǒng)在測試過程中所帶來的誤差。

1 數(shù)字積分理論和算法

利用A/D將磁感應(yīng)線圈中由磁通量變化所感應(yīng)出的模擬電動勢轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)字量，然后經(jīng)過DSP采用合適的數(shù)字積分算法完成整個積分運算[6，7]。因此，A/D的轉(zhuǎn)換精度和數(shù)字積分算法決定了測試結(jié)果的精度。本系統(tǒng)中采用12位采樣芯片TLC2558，可以最高支持400kSPS的采樣。要提高積分算法的準(zhǔn)確度，就需要縮小積分子區(qū)間長度，即增加A/D采樣的點數(shù)來實現(xiàn)。但是由于一般系統(tǒng)硬件與成本的限制，是不能任意提高采樣率的，因此，可以采用高階積分算法來提高積分精確度。然而，高階公式由于穩(wěn)定性差而不宜使用，因此，采用復(fù)化積分求積法是一個很好的辦法[8]。由于永磁材料的測試是在準(zhǔn)靜態(tài)磁特性環(huán)境中進行的，因此，磁場基本上是勻速變化的[9]。假設(shè)測量線圈的初始磁通為零，運用求積公式可以求出連續(xù)變化的磁通量在某一時刻的值，積分過程可以表示如下：

tj=0+jh,j=0,1,…,n，

(1)

(2)

在子區(qū)[tj,tj+1](j=0,1,…,n-1)上使用四階Newton-Cotes公式，將[tj,tj+1]分割為4等份，步長為h/4，分后的節(jié)點為

(3)

記為

(4)

在[tj,tj+1]上作ei(t)的四階Newton-Cotes求積[10]

(5)

由積分區(qū)間的可加性，可得

(6)

當(dāng)樣品和探測線圈被置于磁化場中時，線圈中磁通量變化值從0～t的時間內(nèi)為Φ

(7)

磁通量的值即是對整個[0,t]測量時間內(nèi)感應(yīng)電動勢的變化進行積分。將[0,t]分為n等分的小區(qū)間[tj,tj+1]，設(shè)小區(qū)間的步長h=4T，T為A/D采樣時間的間隔，同時,t=kh，k=1,2,…,n,則當(dāng)在A/D采集的過程中時，每A/D采集4個感生電動勢，k的值就增加1。

根據(jù)構(gòu)造的積分公式，由此可以求出磁通變化量Φ為

(8)

同時也可以求出永磁材料在某一時刻的磁感應(yīng)強度B為

(9)

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)硬件主要包括：霍爾探頭和同心形J線圈組成的信號探測部分、DSP為核心的信號處理和控制部分、充退磁模塊電路、數(shù)據(jù)傳輸和PC上位機部分。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

硬件系統(tǒng)以TMS320F2812處理器為核心，工作頻率能達到150 MHz，具有128 k Flash和18 k SARAM存儲空間，豐富的I/O接口[11,12]。信號探測部分:霍爾探頭探測由磁化裝置產(chǎn)生的磁化電場，J線圈感應(yīng)的是由相應(yīng)的磁化電場產(chǎn)生的磁極化強度。同心形J線圈是由磁通測量線圈和磁場補償線圈串聯(lián)反接而成的[9]。DSP通過D/A轉(zhuǎn)換器控制實現(xiàn)壓控恒流源和開關(guān)電源充退磁過程。在磁化場變化的同時，感應(yīng)到的信號通過信號處理模塊和A/D進行數(shù)據(jù)采集。

2.2 前級信號處理電路

前級信號處理部分包括感應(yīng)線圈感應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號和霍爾探頭檢測的信號，其中，感應(yīng)線圈感應(yīng)的電壓信號經(jīng)過一級固定放大和二級可調(diào)放大?？烧{(diào)放大采用DSP控制DS1267數(shù)字電位器進行調(diào)節(jié)，前級信號的處理框圖如圖2和硬件處理電路圖3所示。

圖2 前級信號處理框圖

圖3 信號放大電路

2.3 A/D采集電路

TLC2558是12位低功耗、高速的CMOS A/D采樣芯片，其4通道最高支持400 kSPS的采樣，自帶有8級FIFO，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，放入FIFO中等待主處理器讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)與DSP連接時，可用一個幀同步信號FS來表明一個串行數(shù)據(jù)幀的開始。A/D采集電路如圖4所示。

圖4 A/D采集電路

2.4 D/A轉(zhuǎn)換壓控恒流源電路

D/A轉(zhuǎn)換芯片采用TLV5618，輸出模擬電壓信號來控制充退磁電路，輸出電壓范圍為0～5 V。通過線圈反向加退磁電流產(chǎn)生退磁場[13]。退磁電流的大小與霍爾傳感器輸出端產(chǎn)生的電動勢呈正比。該芯片是12位低功耗雙通道電壓型輸出芯片，兼容TMS320和SPI總線接口。如圖5、圖6所示。

圖5 D/A轉(zhuǎn)換硬件電路

圖6 壓控恒流源電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 DSP軟件設(shè)計

不同永磁材料磁性參數(shù)樣品，需要設(shè)置樣品的材料型號和實際尺寸。在樣品測試前需要將樣品磁化到飽和點進行磁鍛煉，以保持試樣磁狀態(tài)的穩(wěn)定。對于具有疊片磁軛的磁化裝置，當(dāng)磁化電流為零時，磁軛和極頭產(chǎn)生的剩余磁場強度Hr并不等于零[9]。因此,需要采集零點值，并且進行軟件補償。DSP控制的D/A轉(zhuǎn)換數(shù)字壓控恒流源對磁化電流進行調(diào)節(jié)，同時兩路A/D分別采集磁感應(yīng)信號和磁化場的信號，通過IIR巴特沃斯數(shù)字濾波后，進行數(shù)字積分運算，繼而將數(shù)據(jù)傳送至上位機進行數(shù)據(jù)處理和顯示。軟件設(shè)計主流程圖如圖7所示。

圖7 軟件主流程圖

3.2 上位機軟件界面設(shè)計

上位機界面采用Delphi軟件編寫的，界面清晰簡單，具有強大的數(shù)據(jù)處理功能，通過計算機與數(shù)據(jù)庫相連，能夠很好地顯示、存儲、查詢、打印測試結(jié)果。

4 系統(tǒng)校正和測試數(shù)據(jù)

本測試系統(tǒng)中，采用MTC—1伏秒發(fā)生器對磁通值進行校準(zhǔn)。伏秒發(fā)生器輸出一標(biāo)準(zhǔn)的磁通，與讀取到的磁通值進行比較，從而進行校準(zhǔn)[14]。

為了將測試值和樣品標(biāo)準(zhǔn)值進行對比，重復(fù)對一樣品進行測試，當(dāng)測試儀和磁化裝置有一定發(fā)熱時，觀測測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和重復(fù)性。其中,已測試的鋁鎳鈷樣品參數(shù)剩磁Br、矯頑力Hcb、內(nèi)稟矯頑力Hcj、最大磁能積(BH)max的標(biāo)準(zhǔn)值分別為1.251 T，51.67 kA/m，52.23 kA/m，43.90 kJ/m3。鋁鎳鈷樣品具體測試記錄如表1所示。

表1 鋁鎳鈷樣品10次測試數(shù)據(jù)

通過表1可以看出：樣品重復(fù)測試次數(shù)為10次，通過將鋁鎳鈷樣品參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值和測試值進行對比，可以得出結(jié)論：剩磁、矯頑力、內(nèi)稟矯頑力，磁性參數(shù)測試儀數(shù)據(jù)誤差控制在0.35 %以內(nèi)，同時最大磁能積的數(shù)據(jù)誤差也控制在±5 %以內(nèi)，測試數(shù)據(jù)誤差控制明顯優(yōu)于傳統(tǒng)儀器和國標(biāo)的要求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的高精度磁性參數(shù)測試儀充分利用了DSP核心快速數(shù)據(jù)處理的功能，復(fù)化Newton-Cotes積分算法和數(shù)字濾波提高了測試精度，軟件的調(diào)零和補償提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本儀器適應(yīng)于鋁鎳鈷、鐵氧體等永磁材料磁性參數(shù)的測量，與傳統(tǒng)儀器相比，儀器操作簡單，人機交互好，測試精度高，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和重復(fù)性好。

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