CN102721939A - 铁磁材料磁滞回线的测量装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了铁磁材料磁滞回线的测量装置及其应用方法。所述铁磁材料磁滞回线的测量装置包括：励磁电路、控制电路、积分电路、采样电阻电路、液晶显示电路、按键检测电路、示波器。所述方法中，通过单片机编程设置励磁电压、励磁电阻的步进值，示波器显示测量的磁滞回线，上位机根据磁滞回线测量分析铁磁材料的矫顽力、剩磁感应强度、最大磁场、最大磁感应强度及磁滞损耗。本发明以程控方式代替原有的机械式开关和手动旋钮式开关控制方式，解决了旋钮开关触点容易接触不良、档位容易松动等缺点，使用该发明研制的实验仪器可提升实验设备的可靠性与使用寿命；程控的方式使励磁电压的步进值小，励磁电压档位多，测量精度更高，实用性与准确性好。

Description

铁磁材料磁滞回线的测量装置及其应用方法

技术领域

本发明公开了铁磁材料磁滞回线的测量装置及其应用方法，属于磁滞回线测量的技术领域。

背景技术

“铁磁材料磁化特性研究”是物理实验中一个经典的实验项目，通过该实验可了解到铁磁质在磁场中磁化原理与磁化规律，并可测定样品的磁滞回线，确定其矫顽力、剩磁感应强度、最大磁场、最大磁感应强度及磁滞损耗等重要的物理参数,认识到铁磁材料在制造永久磁铁、电机、变压器、电磁铁等方面存在的重要实用价值。

现阶段各高校实验室使用的陈旧不变的实验仪器存在数据单一、功能不足、老化损坏等种种缺陷，其手动或者半自动的方式已经略显繁琐，自动化的程度很低，已经满足不了技术发展的要求。以南京航空航天大学物理实验中心为例，在“铁磁材料磁化特性研究实验”中使用的磁滞回线测试仪是由杭州天皇电器设备厂生产的TH-MHC型磁滞回线实验仪，该实验仪采用机械旋钮操作档位的选择，长时间使用后旋钮会发生松动，可靠性很差，且机械旋钮的档位十分有限，产生的数据单一、功能不足，无法得到精确的磁滞回线，且该仪器自投入使用至今已经面临老化损坏、更新换代的局面。已经远远无法适应科技潮流和大学生实验教学的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了铁磁材料磁滞回线的测量装置及其应用方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

铁磁材料磁滞回线的测量装置，包括：励磁电路、控制电路、

积分电路、采样电阻电路、液晶显示电路、按键检测电路、示波器；其中：

所述控制电路的输入端与按键检测电路的输出端连接，第一输出端与励磁电路的第一输入端连接，第二输出端与采样电阻电路的第一输入端连接，第三输出端与液晶显示电路连接；

所述励磁电路的第二输入端接市电信号，输出端与铁磁材料初级线圈的一端连接；

所述采样电阻电路的第二输入端与铁磁材料初级线圈的另一端连接，输出端与示波器的第一信号通道连接；

所述积分电路的正相输入端、负相输入端分别与铁磁材料次级线圈的两端连接，输出端与示波器的第二信号通道连接。

所述铁磁材料磁滞回线的测量装置中，励磁电路包括：变压器、有源低通滤波器、数模转换电路、功率放大电路；其中：所述变压器与有源低通滤波器依次连接，所述有源低通滤波器的输出端与数模转换电路的输入端连接，所述数模转换电路的输出端与功率放大电路的输入端连接。

所述铁磁材料磁滞回线的测量装置中，按键检测电路包括：励磁电压增大按键、励磁电压减小按键、采样电阻增大按键、采样电阻减小按键、自动手动切换按键。

所述铁磁材料磁滞回线的测量装置中，数模转换器选用了DAC0832芯片，控制电路为AT89S52单片机及其外围电路。

所述铁磁材料磁滞回线的测量装置中，控制电路通过通信电路与上位机连接，所述控制电路将当前时刻励磁电压数据、采样电阻数据传送至上位机。

所述铁磁材料磁滞回线测量装置的应用方法，具体实施如下：

步骤1，根据测量精度对控制电路的芯片编程设置励磁电压步进值、采样电

阻步进值，使得控制电路在按键检测电路有按键按下时励磁电压、采样电阻按照步进值逐步增大或者减小；

步骤2，将待测铁磁材料初级线圈的两端分别与功率放大电路的输出端、采

样电阻电路的输入端连接，将待测铁磁材料次级线圈与积分电路的输入端连接；

步骤3，按下自动手动切换按键选择测量方式：当选择自动测量方式时，铁

磁材料磁滞回线测量装置自动测量磁滞回线；当选择手动测量方式时，铁磁材料磁滞回线测量装置根据按键操作逐步生成磁滞回线；

步骤4，上位机通过通信模块获取励磁电压数据、励磁电阻数据，实现对铁磁材料的矫顽力、剩磁感应强度、最大磁场、最大磁感应强度及磁滞损耗测量和分析。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：以程控方式代替原有的机械

式开关和手动旋钮式开关控制方式，解决了旋钮开关触点容易接触不良、档位容易松动等缺点，使用该发明研制的实验仪器可提升实验设备的可靠性与使用寿命；程控的方式使励磁电压的步进值小，励磁电压档位多，测量精度更高，实用性与准确性更好。

附图说明

图1为铁磁材料磁滞回线测量装置的模块图。

图2为有源低通滤波器的电路图。

图3为数模转换电路的电路图。

图4为功率放大电路的电路图。

图5为采样电阻电路的电路图。

图6为铁磁材料磁滞回线测量装置的工作流程示意图。

图中标号说明：R1至R31为第一至第三十一电阻，C1至C6为第一至第六电容，U1、U2、U4均为LM741运算放大器，U3为DAC0832芯片，U5、U6均为CD4051芯片，D1、D2为第一、二二极管，Q1至Q9为第一至第九三极管，T1为变压器。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

铁磁材料磁滞回线的测量装置如图1所示，包括励磁电路、控制电路、积分

电路、采样电阻电路、液晶显示电路、按键检测电路。控制电路的输入端与按键检测电路的输出端连接，第一输出端与励磁电路的第一输入端连接，第二输出端与采样电阻电路的第一输入端连接，第三输出端与液晶显示电路连接；励磁电路的第二输入端接市电信号，输出端与铁磁材料初级线圈的一端连接；采样电阻电路的第二输入端与铁磁材料初级线圈的另一端连接，输出端与示波器的第一信号通道连接；积分电路的正相输入端、负相输入端分别与铁磁材料次级线圈的两端连接，输出端与示波器的第二信号通道连接。

励磁电路包括：变压器、有源低通滤波器、数模转换电路、功率放大电路。变压器与有源低通滤波器依次连接，有源低通滤波器的输出端与数模转换电路的输入端连接，数模转换电路的输出端与功率放大电路的输入端连接。

有源低通滤波器的电路图如图2所示，电阻R1、R2、R3、R4和电容C2、C3以及运算放大器U1组成低通滤波电路，220V、50Hz的交流电经过降压变压器T1后经过该低通滤波器，滤除波形中的高次谐波，获得电压幅值为5V左右的纯净的正弦波。C1、C4为分压电容。

数模转换电路的电路图如图3所示，数模转换器DAC0832，电阻R6、R7、R8和运算放大器U2组成了数模转换电路，DAC0832采用直通的接法，即控制脚CS、XFER、WR1、WR2接低电平，ILE接高电平。运放uA741起到将DAC0832电流输出转换为电压输出的作用。数据线D0～D7接AT89S52单片机的P1口，通过改变单片机P1口的输出的八位数字量，就可以改变输出电压幅值的大小，从而实现了数字量到模拟量的转化。

功率放大电路的电路图如图4所示，U4的输入端与U3的输出端连接，三极管构建的功率放大电路采用三级结构，由R9、R10、R11、R12、D1、D2、Q1、Q5组成的第一级采用了可消除交越失真的OCL（无输出电容功率放大电路）电路，当电路处于静态时，D1，D2的导通压降略大于Q1和Q5发射结开启电压之和，从而使两只管子处于微导通状态，都有一个极小的基极电流，这样，即使输入电压很小，总能保证至少一只晶体管导通，从而消除了交越失真。后两级均采用基本的OCL电路，其中最后一级由两组并联分流。

采样电阻电路的电路图如图5所示，U5、U6公共端相连，控制线A、B、C相连后分别接单片机P2.0、P2.1、P2.2口，U5的INH端接P2.3口，再经过一个三极管Q9构成的反向器接到U6的INH端。通过控制P2.0 - P2.3口的输出量可以控制采样电阻的大小，芯片供电VCC＝+5V，GND＝0，VEE＝-12V，则0～5V的数字信号可控制-12V～5V的模拟信号。采样电阻电路中通过电子模拟开关的动作接入的电阻即为励磁电阻。

控制电路选用了AT89S52单片机，单片机的晶振端口接晶振电路，复位端口接复位电路，P0口与液晶显示电路的输入端连接，P1口接数模转换电路的输入端，P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分别与采样电阻电路的控制线连接，P2.4、P2.5、P2.6分别与液晶显示电路的工作模式控制端连接。控制电路的工作流程如图6所示，当有按键按下时，单片机首先会检测按键值，判断是自动/手动切换键按下还是电压或者电阻的大小控制键被按下。如果检测得到电压大小控制键被按下，那么与DAC0832数字量输入端相连的P1口，将输出相应的数字量，从而控制DAC0832转换得到的模拟量，实现驱动电压的增大或者减小。如果检测得到电阻大小的控制键被按下，那么与模拟电子开关相连的P2.0～P2.3口，将输出相应的数字量，从而控制模拟开关的通断实现采样电阻的增大或减小。如果检测得到的是自动/手动按键被按下，那么系统将在单片机的控制下进行电阻和电压依次循环变化的自动演示过程，直至有键被按下为止。

通信接口部分主要由MAX232电平转换芯片和四个电容组成，实现232串行通信中电平逻辑与TTL电平的兼容和通信数据的传输。可以与上位机和其它相关设备联机测试，实现对铁磁材料的矫顽力、剩磁感应强度、最大磁场、最大磁感应强度及磁滞损耗等重要的物理参数的自动测量。

通过以上电路组成的铁磁材料磁滞回线测量装置（以下简称测量装置），借助示波器、上位机等设备，可实现一种铁磁材料磁滞回线的测量方法，包括如下步骤：

步骤1，根据测量精度对AT89S52编程设置励磁电压步进值、采样电阻步进

值，使得控制电路在按键检测电路有按键按下时励磁电压、采样电阻按照步进值逐步增大或者减小。设置手动测量方式下励磁电压的步进值为0.1V，采样电阻的步进值为0.5Ω。设置自动测量方式下励磁电压的步进值为0.02V，采样电阻的步进值为0.5Ω。

步骤2，按照附图1所示，将包含待测量的铁磁材料样品的测量装置的样品初级电压信号U _H 和样品次级电压信号U _B 分别接入双踪示波器的X和Y输入端，示波器选择在X-Y工作方式，打开示波器，后打开测量装置的电源开关。

接通电源后，示波器上就会显示显示铁磁性材料的磁滞回线。整套装置在初始化时默认的工作方式为手动测量，默认的励磁电压为2.5V、采样电阻为2.5Ω。此时通过调节测量装置上按键可以调节测量装置电路中采样电阻和励磁电压的大小，相应地，示波器上显示的磁滞回线也会相应的变大或变小。在励磁电阻不变的条件下：按励磁电压值增大按键，手动测量待测铁磁材料的磁滞回线；当励磁电压达到最大值后再按励磁电压值减小按键继续测量待测铁磁材料的磁滞回线。在励磁电路不变的条件下：按采样电阻值增大按键，手动测量待测铁磁材料的磁滞回线；当采样电阻达到最大值后再按采样电阻值减小按键继续测量待测铁磁材料的磁滞回线。

步骤3，按下测量装置上的手动/自动切换键，此时测量装置将进入自动测量状态，自动测量的过程是一个循环变化的形式，变化时，从初始化位置开始，按照励磁电阻不变、励磁电压以0.02V的步进值先增加到5.0V再减小到0V再增加到2.5V，然后再按照励磁电压不变，励磁电阻以每0.5Ω步进值先增加到5.0Ω后减小到0Ω在增加到5.0Ω的方式对磁滞回线进行循环测量，直到自动/手动键被按下。

步骤4，通过测量装置的联机通信功能，实现对铁磁材料样品的物理参数的测量与分析。将测量装置与上位机通过RS232串口相连接，实现联机测试，测量装置将采样电阻和励磁电压等数据传输给上位机，上位机对数据进行分析和处理，可以实现对铁磁材料的矫顽力、剩磁感应强度、最大磁场、最大磁感应强度及磁滞损耗等重要的物理参数的测量和分析。

综上所述：整个测量过程以程序和按键控制的方式代替了原有测量装置的旋钮式开关来调节电压和电阻的大小，解决了旋钮开关触点容易接触不良、档位容易松动等缺点，测量装置的可靠性与使用寿命得到大大提高；程序控制的方式使励磁电压的电压档位大大提高，从原有的1V或0.5V提高到0.02V，测量精度更高，实用性与准确性更好，整个测量过程有液晶显示器清晰实时地显示仪器当前的励磁电压和采样电阻的值，具有良好的人机交互功能。

Claims (6)

1.铁磁材料磁滞回线的测量装置，其特征在于包括：励磁电路、控制电路、

积分电路、采样电阻电路、液晶显示电路、按键检测电路、示波器；其中：

所述控制电路的输入端与按键检测电路的输出端连接，第一输出端与励磁电路的第一输入端连接，第二输出端与采样电阻电路的第一输入端连接，第三输出端与液晶显示电路连接；

所述励磁电路的第二输入端接市电信号，输出端与铁磁材料初级线圈的一端连接；

所述采样电阻电路的第二输入端与铁磁材料初级线圈的另一端连接，输出端与示波器的第一信号通道连接；

所述积分电路的正相输入端、负相输入端分别与铁磁材料次级线圈的两端连接，输出端与示波器的第二信号通道连接。

2.根据权利要求1所述的铁磁材料磁滞回线的测量装置，其特征在于所述励磁电路包括：变压器、有源低通滤波器、数模转换电路、功率放大电路；其中：所述变压器与有源低通滤波器依次连接，所述有源低通滤波器的输出端与数模转换电路的输入端连接，所述数模转换电路的输出端与功率放大电路的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的铁磁材料磁滞回线的测量装置，其特征在于所述按键检测电路包括：励磁电压增大按键、励磁电压减小按键、采样电阻增大按键、采样电阻减小按键、自动手动切换按键。

4.根据权利要求1所述的铁磁材料磁滞回线的测量装置，其特征在于所述数模转换器选用了DAC0832芯片，控制电路为AT89S52单片机及其外围电路。

5.根据权利要求1所述的铁磁材料磁滞回线的测量装置，其特征在于所述控制电路通过通信电路与上位机连接，所述控制电路将当前时刻励磁电压数据、采样电阻数据传送至上位机。

6.如权利要求1所述的铁磁材料磁滞回线测量装置的应用方法，其特征在于具体实施如下：

步骤1，根据测量精度对控制电路的芯片编程设置励磁电压步进值、采样电

阻步进值，使得控制电路在按键检测电路有按键按下时励磁电压、采样电阻按照步进值逐步增大或者减小；

步骤2，将待测铁磁材料初级线圈的两端分别与功率放大电路的输出端、采

样电阻电路的输入端连接，将待测铁磁材料次级线圈与积分电路的输入端连接；

步骤3，按下自动手动切换按键选择测量方式：当选择自动测量方式时，铁

磁材料磁滞回线测量装置自动测量磁滞回线；当选择手动测量方式时，铁磁材料磁滞回线测量装置根据按键操作逐步生成磁滞回线；

步骤4，上位机通过通信模块获取励磁电压数据、励磁电阻数据，实现对铁磁材料的矫顽力、剩磁感应强度、最大磁场、最大磁感应强度及磁滞损耗测量和分析。

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