王銘華,李 強(qiáng), 陳虹麗

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

磁性材料的磁特性測(cè)量是在外加磁場(chǎng)的不斷激勵(lì)下,測(cè)量磁性材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁感應(yīng)強(qiáng)度B以及H和B的相互影響[1]。首先在待測(cè)磁性材料上纏繞不同匝數(shù)的銅線(xiàn),制成一個(gè)簡(jiǎn)易變壓器[2]。為了減少變壓器中的鐵損耗,變壓器的鐵芯一般采用導(dǎo)磁性能好的硅鋼片疊壓而成,硅鋼片要盡量薄,以保證鐵芯中的渦流損耗小。然而,以硅鋼為磁性材料的變壓器連入電路后,測(cè)量得到的磁滯回線(xiàn)圖形十分狹長(zhǎng),其原因是硅鋼屬于易磁化、易退磁的軟磁性材料,矯頑力很小,無(wú)法得到飽滿(mǎn)的磁滯回線(xiàn)。此外,還要選擇適當(dāng)?shù)你~線(xiàn)繞制變壓器,銅線(xiàn)的截面積需按通過(guò)電流的大小選擇。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)利用虛擬儀器的磁特性測(cè)量系統(tǒng)。將磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)信號(hào),用數(shù)據(jù)采集卡NI6251采集信號(hào),將信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行磁特性測(cè)量并得到磁滯回線(xiàn)[3-5],用示波器進(jìn)行磁性材料的磁滯回線(xiàn)顯示[6-11]。

1 磁滯回線(xiàn)測(cè)量電路設(shè)計(jì)

磁滯回線(xiàn)測(cè)量電路如圖1所示。電路中,U2表示磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)信號(hào),U1表示磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。

圖1 磁滯回線(xiàn)測(cè)量電路

由磁滯回線(xiàn)測(cè)量原理可知,原邊輸入端的電勢(shì)與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的大小成正比,副邊輸出端的電壓正比于鐵芯內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B,并且在測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的一端,設(shè)計(jì)一個(gè)RC電路進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換[12]。

為了方便實(shí)驗(yàn)操作,電路設(shè)計(jì)選取50 Hz(周期為0.02 s)的交流電源,所以RC值應(yīng)遠(yuǎn)大于0.02 s。根據(jù)這個(gè)要求,選擇10 kΩ電阻以及10 μF的電容作為測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度端的元件參數(shù)。為了使電動(dòng)勢(shì)波形不發(fā)生畸變,采用變壓器控制，使測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度端的勵(lì)磁電壓成為可以控制大小的電壓,勵(lì)磁電壓可以分別為0 V、0.5 V、1 V、1.5 V、2 V、2.5 V、3 V。相應(yīng)地,測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度端設(shè)置一個(gè)滑動(dòng)變阻器,選擇若干個(gè)阻值為0.5 Ω的電阻,通過(guò)改變電路中電阻的個(gè)數(shù)改變電阻值。

為了使磁滯回線(xiàn)圖形更加直觀(guān),選擇硬磁材料碳鋼作為變壓器的磁性材料。設(shè)計(jì)磁路長(zhǎng)度L為0.05 m,匝數(shù)比設(shè)置為3∶1,纏繞匝數(shù)為150∶50。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路計(jì)算,電路中通過(guò)的最大電流為10 A,而且選擇的磁性材料較小,因此選用2.5 mm2的銅線(xiàn)來(lái)對(duì)磁性材料進(jìn)行繞制。本文磁性樣品——變壓器,采用多層整齊密繞方法,引線(xiàn)長(zhǎng)10～15 mm。繞線(xiàn)后包銅箔,再用膠帶纏繞。圖2為焊接完成的磁滯回線(xiàn)電路。

圖2 焊接完成的磁滯回線(xiàn)電路

磁性樣品(變壓器)一共有4條引線(xiàn)。將150匝線(xiàn)圈的兩條引線(xiàn)分別與RC電路中的電阻一端和“地”相連,將50匝的兩條引線(xiàn)分別與0.5 Ω電阻一端和選擇開(kāi)關(guān)變壓器一端相連,把電路中的地都連到一起。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在示波器上出現(xiàn)理想的磁滯回線(xiàn)。改變勵(lì)磁電壓的大小,磁滯回線(xiàn)的形狀也會(huì)相應(yīng)地有所改變。

示波器上理想的磁滯回線(xiàn)圖形證明了本設(shè)計(jì)對(duì)磁性材料磁特性測(cè)量電路的設(shè)計(jì)制作是正確的。

2 噪聲抑制

實(shí)驗(yàn)中難免會(huì)產(chǎn)生誤差,例如環(huán)境中雜散信號(hào)產(chǎn)生的噪聲會(huì)引起測(cè)量誤差。通過(guò)示波器的頻譜分析發(fā)現(xiàn),在頻率分別為150 Hz、250 Hz和2 000 Hz的時(shí)候是存在噪聲的。因此需要加入一個(gè)一階低通濾波器(截止頻率100 Hz)。經(jīng)過(guò)計(jì)算,選用720 Ω的電阻與2.2 μF的電容構(gòu)成一階低通濾波器。

3 基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)磁滯回線(xiàn)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

LabVIEW程序面板界面如圖3所示,前面板所得磁滯回線(xiàn)見(jiàn)圖4?？梢栽谇懊姘宓玫絻啥溯斎氲牟ㄐ?見(jiàn)圖5),將不同的勵(lì)磁電壓下的磁滯回線(xiàn)曲線(xiàn)的頂點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)值記錄下來(lái),見(jiàn)表1。

圖3 程序面板界面

圖4 前面板所得磁滯回線(xiàn)圖

圖5 兩端輸入波形圖

勵(lì)磁電壓/VHmax/(A·m-1)Bmax/mT1.025.0236.1451.529.5648.2962.036.3559.9552.545.53410.2163.076.38911.559

4 結(jié)語(yǔ)

基于虛擬儀器LabVIEW的磁特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使學(xué)生熟悉磁場(chǎng)測(cè)量傳感器及測(cè)量?jī)x器的原理及設(shè)計(jì)方法,學(xué)會(huì)利用數(shù)字示波器和虛擬儀器來(lái)觀(guān)測(cè)、分析和繪制測(cè)量曲線(xiàn)。該測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到了以下實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

(1) 了解軟磁材料測(cè)量系統(tǒng)的組成；

(2) 掌握軟磁材料的B-H曲線(xiàn)的測(cè)定方法；

(3) 熟悉基于微機(jī)和LabVIEW的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用；

(4) 了解軟磁材料在不同頻率下的B-H曲線(xiàn)變化規(guī)律和磁特性。

學(xué)生可以基于磁特性測(cè)量結(jié)果對(duì)相關(guān)電子設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì),可以減小磁滯損耗,提升工作效率與能源的利用率。