孫曉華，梁 鵬，劉 曄，李運(yùn)甲，原曉楠，陳 琪

（西安交通大學(xué)電工電子國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，西安 710049）

0 引言

《非電量電測(cè)技術(shù)》是面向全校工科專業(yè)碩士研究生開設(shè)的校級(jí)公共基礎(chǔ)學(xué)位課程。該課程以科研案例和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用為背景，以“雨課堂”互動(dòng)形式講授測(cè)量的基本知識(shí)，傳感器的工作原理、特性、測(cè)量電路，信號(hào)的放大、濾波與轉(zhuǎn)換等調(diào)理電路，信號(hào)分析與處理基礎(chǔ)等內(nèi)容［1］。在實(shí)驗(yàn)設(shè)置和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的編排上，以學(xué)生為主體，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為基調(diào)，以研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)為主線，研究、設(shè)計(jì)和完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)［2］。將傳感器測(cè)試技術(shù)、虛擬儀器編程設(shè)計(jì)、基于Multisim的傳感器建模和調(diào)理電路設(shè)計(jì)與仿真、測(cè)試系統(tǒng)集成和拓展等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有機(jī)融合，通過創(chuàng)建“基礎(chǔ)實(shí)踐”“設(shè)計(jì)應(yīng)用”和“綜合拓展”的模塊式、階段式、漸進(jìn)式、互動(dòng)式的實(shí)踐過程設(shè)計(jì)，強(qiáng)力支撐學(xué)生創(chuàng)新能力的實(shí)踐和培養(yǎng)［3-5］。同時(shí)，以基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ酿B(yǎng)成為基礎(chǔ)，將多種方法和手段融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐、自主設(shè)計(jì)和自主拓展的積極性，提高學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建和研發(fā)能力［6-8］。

1 設(shè)計(jì)要求

考慮到電工鋼片（帶）比鐵損測(cè)量在工程應(yīng)用和理論上的重要性，依據(jù)課程要求并結(jié)合實(shí)踐教學(xué)，傳感器和虛擬儀器設(shè)計(jì)的軟、硬件要求，設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到以下幾個(gè)方面要求［9］：

（1）學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，用國(guó)標(biāo)規(guī)定功率表法進(jìn)行測(cè)量比鐵損的基礎(chǔ)實(shí)踐訓(xùn)練；在掌握虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件編程后，在該平臺(tái)上進(jìn)行硅鋼性能的設(shè)計(jì)性和拓展性實(shí)驗(yàn)的研究。

（2）平臺(tái)設(shè)計(jì)必須反映硅鋼比鐵損測(cè)量的較新水平。在符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)硬件結(jié)構(gòu)上力求簡(jiǎn)單，能靈活更換各單元部件，軟件要求具有自定義功能，擴(kuò)展能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

（3）測(cè)量平臺(tái)應(yīng)具有：國(guó)標(biāo)規(guī)定在磁通波形為正弦波下，可以實(shí)現(xiàn)不同頻率下電工鋼片比鐵損pt-Bm曲線的測(cè)量和顯示；可以測(cè)量電工鋼片常用的標(biāo)準(zhǔn)比鐵損pBm／f，并將其分解為磁滯損耗phBm／f與渦流損耗peBm／f。即p5／50（ph5／50和pe5／50）、p10／50（ph10／50和pe10／50）和p15／50（ph15／50和pe15／50）；可以實(shí)現(xiàn)不同頻率下硅鋼材料磁滯回線B-H、磁化曲線Bm-Hm、磁導(dǎo)率曲線μ-Hm的自動(dòng)測(cè)試和顯示；以及常用的磁參數(shù)，如飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm、飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm、剩磁Br、矯頑力Hc、最大磁導(dǎo)率μm和初始磁導(dǎo)率μa的測(cè)量和顯示［2］。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理

2.1 愛潑斯坦方圈的結(jié)構(gòu)

為便于在相同測(cè)試條件下進(jìn)行產(chǎn)品性能的比對(duì)，將硅鋼片閉合成環(huán)形或條形試樣，愛潑斯坦方圈作為硅鋼性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)方圈。本實(shí)驗(yàn)的愛潑斯坦方圈采用國(guó)標(biāo)規(guī)定的25 cm 方圈結(jié)構(gòu)，在忽略空氣漏磁情況下，其內(nèi)部接線不包括空氣磁通補(bǔ)償線圈。愛潑斯坦方圈結(jié)構(gòu)與搭接方式、內(nèi)部接線以及實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 愛潑斯坦方圈的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部接線圖及實(shí)物圖

圖1（a）中樣片選用晶粒無(wú)取向冷軋硅鋼片，為減小漏磁，樣片采用垂直錯(cuò)位單搭接銜接，在骨架內(nèi)緊密疊放；圖1（b）中每個(gè)骨架內(nèi)層繞制2-2’的次級(jí)繞組N2，外層繞制1-1’的初級(jí)繞組N1（*為同名端），再串聯(lián)構(gòu)成匝比1∶1的平面空載變壓器；圖1（c）中用酚醛壓塑的電工膠木作為絕緣無(wú)磁性的線圈骨架和支撐底板。為盡可能降低繞組阻抗的影響，方圈試樣必須滿足［10］：

式中：r1、r2分別為初、次級(jí)繞組的線圈內(nèi)阻，Ω；L1、L2分別為初、次級(jí)繞組的電感，H。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組建

硅鋼工頻比鐵損測(cè)量方法，都是以功率表法為標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)制訂的。采用由愛潑斯坦方圈組建的功率表法測(cè)量比鐵損的原理如圖2 所示。該系統(tǒng)由激勵(lì)回路、感應(yīng)回路和測(cè)量?jī)x表3 部分組成。激勵(lì)回路由可程控的低頻交流電源、初級(jí)繞組、交流電流表和低功率因數(shù)瓦特表的電流線圈串聯(lián)組成；交流電壓表與低功率因數(shù)瓦特表的電壓線圈并聯(lián)，作為次級(jí)繞組的負(fù)載構(gòu)成感應(yīng)回路。負(fù)載電壓由交流電壓表測(cè)得；測(cè)量?jī)x表由低功率因數(shù)瓦特表W、交流電壓表V和監(jiān)視用交流電流表A組成。其中瓦特表讀數(shù)為試樣和負(fù)載的總鐵損Wa，通過測(cè)量交流電壓計(jì)算出試樣的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm，而監(jiān)視用的交流電流表確保測(cè)量時(shí)瓦特表的電流線圈不過載。

圖2 功率表法測(cè)量比鐵損的原理圖

2.3 測(cè)量原理

功率表法測(cè)量比鐵損的等效電路及相量關(guān)系圖如圖3 所示［11］。圖中，交流電源的輸出電壓u1，為初級(jí)繞組提供激勵(lì)電流i1，也使其產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1，這時(shí)在截面積為S試樣的閉合磁路中產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度B。

圖3 測(cè)量比鐵損的等效電路及相量關(guān)系圖

根據(jù)基爾霍夫回路定律，有

電源輸入到初級(jí)電路的瞬時(shí)功率為pi，有

次級(jí)感應(yīng)電勢(shì)e2使回路流過瞬時(shí)電流i2，并在負(fù)載電阻R上產(chǎn)生電壓降u2＝i2R。此時(shí)的R值是交流電壓表內(nèi)阻RV與瓦特表電壓線圈內(nèi)阻RWV的并聯(lián)，且r2＜＜R。即

因?yàn)镹1和N2同繞于一個(gè)試樣，在全耦合無(wú)漏磁情況下，依據(jù)電磁感應(yīng)定律，得

為簡(jiǎn)化計(jì)算，在工作狀態(tài)下引入產(chǎn)生真實(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度H0的等效磁化電流i0，并令i0＝H0l／N1。根據(jù)安培環(huán)路定律、初、次級(jí)鐵芯線圈通電后滿足：

式中：l為試樣的等效磁路長(zhǎng)度，m。把式（4）、（5）代入式（6），兩端再乘以e1，有

式中：u2i2為感應(yīng)回路的測(cè)量?jī)x表?yè)p耗，W；i22r2為次級(jí)繞組的銅損，W；e1i0為被測(cè)試樣激磁所消耗的能量，W。該能量的瞬時(shí)值為［12］

對(duì)求一個(gè)周期中的平均值與試樣有效質(zhì)量ma的比值，就得到被測(cè)試樣單位質(zhì)量的比鐵損

式中：U2為感應(yīng)回路負(fù)載端電壓的有效值，V；I1為流經(jīng)初級(jí)繞組激勵(lì)電流的有效值，A。

硅鋼試樣在通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)內(nèi)均勻磁化，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，由此可求磁感應(yīng)強(qiáng)度B，即

國(guó)標(biāo)規(guī)定磁通按正弦形態(tài)變化，則獲得的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值：

由斯坦麥茲公式，在固定頻率下硅鋼比鐵損主要由與波形無(wú)關(guān)的磁滯損耗ph和與波形有關(guān)的渦流損耗pe兩大部分組成［13-14］，即

而分離比鐵損主要有變頻法和變波形系數(shù)法，在現(xiàn)有設(shè)備條件下選用變頻法實(shí)現(xiàn)［15］。變頻法測(cè)試分離中，在保持磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm不變的條件下，測(cè)量?jī)蓚€(gè)相近不同頻率f1和f2的比鐵損，得到一組聯(lián)立方程式，有

式中：A和B為系數(shù)。對(duì)于給定試樣，在某一磁感應(yīng)強(qiáng)度下A和B均不隨頻率發(fā)生改變。因此通過求取A、B，就可分離出某一頻率標(biāo)準(zhǔn)磁感應(yīng)強(qiáng)度下的磁滯損耗和渦流損耗。

由大到小改變交流電源輸出的電壓幅度，可獲得標(biāo)準(zhǔn)比鐵損pt-Bm曲線，以及標(biāo)準(zhǔn)比鐵損pBm／f、磁滯損耗phBm／f與渦流損耗peBm／f等參數(shù)。需要指出，國(guó)際上規(guī)定必須在B為正弦條件下測(cè)量硅鋼比鐵損參數(shù)，以便數(shù)據(jù)的統(tǒng)一和比對(duì)；本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在測(cè)量所有參數(shù)時(shí)，均保持B路為正弦。

3 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

完成設(shè)計(jì)后的基礎(chǔ)實(shí)踐、設(shè)計(jì)與拓展平臺(tái)實(shí)物和結(jié)構(gòu)框圖如圖4（a）～（c）所示。

圖4 基礎(chǔ)實(shí)踐、設(shè)計(jì)應(yīng)用與綜合拓展平臺(tái)實(shí)物和結(jié)構(gòu)框圖

硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

（1）平臺(tái)中將愛潑斯坦方圈單獨(dú)制作，支撐底板后面的繞組連線可靈活接拆，線圈骨架側(cè)邊擋板用可調(diào)整松緊的螺絲固定，方便隨時(shí)更換不同硅鋼試樣和成套初次級(jí)線圈；

（2）平臺(tái)的測(cè)量?jī)x表和采集模塊外接，方便標(biāo)定時(shí)多功能電量分析儀的接入；

（3）在進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)踐和掌握LabVIEW 編程的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)與拓展實(shí)踐環(huán)節(jié)，用myDAQ 配合電壓和電流傳感器搭建采集模塊，增加USB編程對(duì)程控電源進(jìn)行控制，構(gòu)建國(guó)標(biāo)的硅鋼比鐵損和磁性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

4 軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn)

比鐵損測(cè)量平臺(tái)的軟件采用圖形化虛擬儀器設(shè)計(jì)工具LabVIEW。根據(jù)前期的設(shè)計(jì)宗旨和3 個(gè)不同階段的測(cè)試要求，實(shí)驗(yàn)可分為3 種模塊實(shí)施教學(xué)。

（1）基礎(chǔ)實(shí)踐訓(xùn)練。學(xué)生通過基礎(chǔ)實(shí)踐驗(yàn)證比鐵損測(cè)量，用變頻法分離的基本理論，完成給定試樣比鐵損曲線的逐點(diǎn)測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)比鐵損參數(shù)的分離，學(xué)會(huì)用多功能電量分析儀PM-100 作為標(biāo)準(zhǔn)表，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。

（2）設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊。通過自主選擇傳感器和測(cè)試軟件，讓學(xué)生學(xué)會(huì)組建比鐵損測(cè)量軟、硬件平臺(tái)，完成該平臺(tái)的基本測(cè)試功能，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的意識(shí)。實(shí)施時(shí)指導(dǎo)教師針對(duì)學(xué)生個(gè)體水平的差異，強(qiáng)化學(xué)生獨(dú)立思考，給學(xué)生預(yù)留設(shè)計(jì)創(chuàng)新的空間，同時(shí)因材施教，通過設(shè)置不同要求不斷引導(dǎo)學(xué)生。

圖5 硅鋼比鐵損自動(dòng)測(cè)量與分離的虛擬界面

（3）綜合拓展模塊。學(xué)生可在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)其中的某個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行拓展研究，以達(dá)到新增測(cè)試功能以及性能改善的目的。如利用數(shù)字積分和不同差值算法等編程，拓展硅鋼材料國(guó)標(biāo)磁特性與磁參數(shù)的自動(dòng)測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果標(biāo)定、數(shù)據(jù)修正和性能評(píng)價(jià)等方面有所新意［16］。

5 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)2016 年制作了4 套，經(jīng)5 年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐和問卷調(diào)查，證明了該比鐵損測(cè)量平臺(tái)的研制是成功的，取得了很好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

（1）在研究生“非電量電測(cè)技術(shù)”“電氣測(cè)量技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，所有學(xué)生在規(guī)定的3 學(xué)時(shí)內(nèi)完成基礎(chǔ)實(shí)踐訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；

（2）選擇該設(shè)計(jì)題目92%的研究生在限定的4學(xué)時(shí)內(nèi)完成設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的基本要求，其中20%的學(xué)生在不同之處有所拓展和創(chuàng)新；

（3）在本科生校級(jí)創(chuàng)新性開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，學(xué)生從電磁場(chǎng)課程中的工程應(yīng)用出發(fā)，分組拓展出了不同的軟、硬件設(shè)計(jì)方案，并制作出4 套完整的愛潑斯坦方圈和采集模塊，還針對(duì)相應(yīng)的方案各自進(jìn)行深入的專題研究。