吳國(guó)瑋，徐 磊，汪向華

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210037)

0 引言

現(xiàn)如今時(shí)代在發(fā)展，科技在進(jìn)步，生產(chǎn)制造水平不斷提高，在人們的生活生產(chǎn)中鐵磁性材料的產(chǎn)品發(fā)揮著重要的作用,尤其是在工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)等領(lǐng)域，鐵磁性材料的產(chǎn)品種類繁多，同時(shí)也因其所表現(xiàn)的自身性能不同，把不同的產(chǎn)品應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，才能使其在該領(lǐng)域最大化的發(fā)揮作用[1,2]。因此，研究每一種鐵磁性材料本身的磁性特點(diǎn)及其變化具有重要意義，磁化曲線和磁滯回線是反應(yīng)鐵磁材料磁性特定的重要參數(shù)，目前市場(chǎng)上極少有類似的測(cè)量?jī)x器。本文設(shè)計(jì)的磁滯回線測(cè)試儀，以單片機(jī)為主控制器，可以測(cè)量出常用電壓器的磁滯回線圖、剩磁、矯頑磁力等參數(shù)，通過(guò)對(duì)參數(shù)的分析計(jì)算可以將被測(cè)期間的磁滯回線顯示在LCD12864上，供被測(cè)人員觀察。該磁滯回線測(cè)試儀具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、可靠性高，測(cè)量時(shí)間范圍寬、精度高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)利用具有良好的人機(jī)接口和控制運(yùn)算的功能，LCD顯示的磁滯回線可顯示出各電磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、剩磁、矯頑力等參數(shù)，具有功能強(qiáng)、成本低、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)過(guò)變壓器將220V交流電變?yōu)?V、50 Hz交流信號(hào)，將輸出的交流信號(hào)作為勵(lì)磁電流輸送到待測(cè)樣品變壓器原邊，從而產(chǎn)生待測(cè)樣品的勵(lì)磁，通過(guò)改變勵(lì)磁電壓的大小，可以改變待測(cè)樣品的勵(lì)磁大小，從而改變樣品磁滯回線的形狀[3]。電壓采集電路采集產(chǎn)生的勵(lì)磁電壓UH、磁場(chǎng)電壓UB，經(jīng)過(guò)精密整流濾波后，將采集的電壓值轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行采集。單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊采集電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的參數(shù)運(yùn)算，計(jì)算出待測(cè)樣品的剩磁Br、矯頑磁力Hr等參數(shù)，將磁感應(yīng)強(qiáng)度B作為所顯示磁滯回線的縱坐標(biāo)，磁場(chǎng)強(qiáng)度H作為橫坐標(biāo)，所得B-H曲線即為待測(cè)樣品磁滯回線。通過(guò)參數(shù)與LCD12864像素點(diǎn)的匹配將磁滯回線逐點(diǎn)顯示在LCD屏上。同時(shí)可以實(shí)時(shí)顯示所測(cè)得的待測(cè)樣品的剩磁Br、矯頑磁力Hr等參數(shù)，并可以通過(guò)按鍵對(duì)所顯示頁(yè)面信息進(jìn)行控制，當(dāng)被測(cè)電壓超出測(cè)量范圍時(shí)，會(huì)發(fā)聲光報(bào)警，系統(tǒng)總體原理框圖如圖1所示。

圖1 總體原理框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 勵(lì)磁電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)信號(hào)輸入采用220V轉(zhuǎn)5V變壓器，其輸出電壓頻率為50 Hz，待測(cè)樣品采用變比為150：50變壓器，其電路原理如圖2所示。將樣品制成閉合的環(huán)形，然后均勻地繞以磁化線圈及副線圈，即所謂的羅蘭環(huán)。5V、50Hz交流電壓加在磁化線圈上，串聯(lián)多個(gè)5Ω取樣電阻R1，其兩端的電壓為UH即勵(lì)磁電壓。副邊線圈n與電阻R2和電容串聯(lián)成一回路。電容C2兩端的電壓為UB即磁場(chǎng)電壓[4]。

圖2 勵(lì)磁電路原理圖

勵(lì)磁電壓UH與磁場(chǎng)強(qiáng)度H成正比，若樣品平均磁場(chǎng)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，磁化線圈的匝數(shù)為N，若磁化電流瞬時(shí)值為I，根據(jù)安培環(huán)路定理，有HL=NI，而UH=R1I，所以：

(1)

在(1)式中，R1、L和N皆為常數(shù)，因此，該式清楚地表明LCD屏上像素點(diǎn)水平偏轉(zhuǎn)的大小ΔH與待測(cè)樣品中的電壓變化ΔUH成正比，由勵(lì)磁電壓UH可以確定磁化場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H：

(2)

當(dāng)待測(cè)鐵磁樣品在磁路中的橫截面積為S時(shí)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在鐵磁樣品所在變壓器的副邊線圈中，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E為：

(3)

同時(shí)，根據(jù)待測(cè)鐵磁樣品副邊線圈回路中的電流i以及電容C2上的電量q也可以求得線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E：

(4)

在RC積分電路中，當(dāng)R2、C2足夠大時(shí)，電容C2上的電壓降uc=q/c比起電阻上的電壓降R2i足夠小，因此可以忽略不計(jì)，故(4)式可以近似為：

E=R2i.

(5)

(6)

將(3)式(6)式兩邊積分，整理可得：

(7)

因此，當(dāng)R2、C2足夠大時(shí)，在(7)式中n、S、R2和C2皆為常數(shù)，因此，該式清楚地表明LCD屏上像素點(diǎn)豎直方向偏轉(zhuǎn)的大小ΔB與待測(cè)樣品中的電壓變化ΔUB成正比，且由磁場(chǎng)電壓UB可以確定磁化場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度B：

(8)

2.2 精密整流濾波電路設(shè)計(jì)

圖3 全波精密整流濾波電路

經(jīng)過(guò)調(diào)理后的電壓信號(hào)為正弦波信號(hào)，但是采用的STM32單片機(jī)只能對(duì)正電壓進(jìn)行采集，不能對(duì)負(fù)電壓進(jìn)行采集，因此設(shè)計(jì)全波精密整流電路，如圖3所示。

在全波精密整流電路中，利用瞬時(shí)極性法判斷：當(dāng)Ui>0時(shí)，第一個(gè)TL081的輸出腳(6腳)瞬間輸出為-2Ui，二極管D1截止，D2導(dǎo)通，Uo1近似輸出-2Ui，此時(shí)，R25和R24分別與R27構(gòu)成反向加法器，輸出Uo=-(-2Ui+Ui)=Ui；當(dāng)Ui<0時(shí)，第一個(gè)TL081的輸出腳(6腳)瞬間輸出為2Ui，此時(shí)二極管D1就會(huì)導(dǎo)通，D2截止，相當(dāng)于開路，由于反饋電阻R24的作用，Uo1的輸出與TL081的反向輸入端的電位，根據(jù)運(yùn)算放大器“虛短虛斷”原理，可以認(rèn)為TL081的反相輸入端電位與同相輸入端電位相等，約等于0，故此時(shí)Uo1=0，R25與R27構(gòu)成反向等比例放大，輸出Uo=-Ui。

圖4 正弦波整流輸出波形

綜上可知：當(dāng)Ui>0時(shí)，Uo1=-2Ui，

Uo=-(-2Ui+Ui)=Ui；

當(dāng)Ui<0時(shí)，U01=0，Uo=-Ui。

所以此圖也稱為絕對(duì)值電路,當(dāng)輸入電壓為正弦波時(shí)，電路輸出波形分別如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，之后啟動(dòng)勵(lì)磁電流，檢測(cè)系統(tǒng)是否運(yùn)行正常，如果運(yùn)行正常，則計(jì)算,輸出UB和UH并進(jìn)行信號(hào)放大，最后在LCD上顯示波形[5]；若系統(tǒng)不正常，則重復(fù)系統(tǒng)初始化步驟直至正常，整個(gè)系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文采用的是單片機(jī)內(nèi)部10位A/D轉(zhuǎn)換，所以系統(tǒng)精度不是很高。在實(shí)驗(yàn)室的條件下，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。其中一組采樣結(jié)果及其打點(diǎn)結(jié)果如表1所示。

4.1 測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示

表1 單片機(jī)取樣值

4.2 磁滯回線顯示圖

其中一組打點(diǎn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 LCD波形顯示

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的磁滯回線測(cè)試儀，以單片機(jī)控制技術(shù)為核心，利用此設(shè)備，可以測(cè)量出常用變壓器的磁滯回線圖、剩磁、矯頑磁力等參數(shù)，通過(guò)對(duì)參數(shù)的分析計(jì)算可以將被測(cè)期間的磁滯回線以逐點(diǎn)顯示在LCD12864顯示屏上，供被測(cè)人員觀察。該磁滯回線測(cè)試儀的特點(diǎn)是單片機(jī)控制靈活，使本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、可靠性高，測(cè)量時(shí)間范圍寬、精度高等優(yōu)點(diǎn)。