CN102879751A - 基于数字积分的磁滞回线测量方法与装置 - Google Patents

基于数字积分的磁滞回线测量方法与装置 Download PDF

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基于数字积分的磁滞回线测量方法，采用R-C有源积分器测量电路测量磁性材料的磁滞回线，R-C有源电路经模数转换滤波并累加得到与成正比例关系的积分的感应电压Ei；其步骤如下，磁性材料的外加磁场H导致磁性材料体内磁通测量变化产生感应电势ei经自稳零放大器放大后，输出一段时间积分的感应电压Ei；对Ei采用高速A/D模数变换模块，将模拟信号变换成数字信号，在设定的定时器Δt内，进行N次A/D变换并累加∑Ei；得到Δt时间内的磁通量值为将测量周期内的所有做算术运算,即可得出被测样品对应外加磁场H的磁通量本发明得到的磁性材料样品的磁滞回线图具有良好的重现性和闭合性。

Description

基于数字积分的磁滞回线测量方法与装置
一、技术领域
本发明涉及数字积分的磁滞回线测量方法与装置。
二、背景技术
磁性物质是一种性能特异、用途广泛的材料，物质磁特性研究是材料物理学的重要领域之一。人们研究发现，当磁性材料沿磁化曲线oab到达b点后，继续加大外加磁场H也不能使磁性材料的磁感应强度B继续增加，此时对应的磁感应强度为该磁性材料的饱和磁感应强度Bm。之后，磁性材料内部的磁场B会跟着外加磁场H的减小而减小,但不是沿着磁化曲线oab的轨迹下降。当外加磁场H退到0时，磁性材料内部仍然保持磁感应强度B=Br，此值称为磁性材料的剩磁。如果继续逐渐加大反向磁场H，磁性材料内部的磁感应强度B将会减，当反向外加磁场强度H=增加到-Hc时（图1上的Hc点），磁性材料内部磁感应强度B降为0，至此推此过程结束，对应外加磁场值Hc称为磁性材料的矫顽力。如继续加大反向磁场，铁磁材料的磁化会达到饱和h点后不再变化。减小反向磁场到o点后沿正向加大磁场，磁感应强度将通过e点到达b点。由点b->Br->Hc->h->d->e->f->b构成的闭合曲线该磁性材料的磁滞回线。可以看出，磁性材料的磁滞回线具有饱和性、滞后性、不可逆性和中心对称性。
磁性材料分为硬磁材料和软磁材料两类，区分两类材料的依据是测量磁性材料的剩磁Br和娇顽力Hc值，硬磁材料的剩磁Br和娇顽力Hc值大，软磁材料的剩磁Br和娇顽力Hc值小。物质磁特性研究是材料物理学的重要领域之一，在大学近代物理实验中，通常安排动态和静态磁滞回线测定实验。通过测量磁场强度H和磁感应强度B对应关系，描绘出磁性样品的磁滞回线图，并从该图中得到磁性材料的饱和磁感应强度Bm、剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc等参数。实验中磁场强度H由通过线圈的激励电流产生，测量后可换算成H值；磁场强度B通常用有源积分方法磁通量进行换算得到。一般采用运算放大器和阻容网络组成的积分电路，对磁通变化产生的感应电势进行时间积分。然而由于积分电容的漏电等因素的存在，将导致测量系统漂移问题。在大学物理实验中，一般会安排静态磁滞回线测量和动态（50赫兹交变外加磁场H）磁滞回线测量。静态测量方法主要有冲击检流计法、霍尔效应法、核磁共振法和磁通测量法。如CN201681149U一种螺线管轴线磁感应强度测量仪，通过霍尔传感器(6)进行测量。
现有的数字测量方法是，磁场强度H由通过线圈的激励电流产生，测量后可换算成H值；采用R-C有源积分器的磁通测量法测量磁感应强度B.
根据法拉第定律，开环线圈内的磁通量发生变化时，其两端产生感应电压
ei(t)=-dΦ/dt    …(1)
如果线圈截面积S、匝数N为定值，则
Ei(t)=-NSdB(t)/dt    …(2)
对应感应电压积分
∫Ei(t)dt=-NSB(t)…(3)
有B(t)=-(1/NS)∫Ei(t)dt    …(4)
感应电压ei，磁通量Φ。Ei为感应电压一段时间的累加。
采用R-C有源积分器测量电路，积分电路的输出是通过电容C来实现时间积分的。一方面，由于实际使用的运算放大器并不是理想的放大器，其反向输入端的输入阻抗不可能是无穷大，偏置电流会使积分电容C上的电荷逐渐积累，造成输出端电压不断上升或变化。另一方面，由于电容存在一定的漏电电阻（并非无穷大），积分器输出端会随时间推移而逐渐下降。由于上述原因，综合表现为R-C模拟积分器存在着的所谓零点漂移。对磁滞回线测量结果的影响是：测出的磁滞回线的饱和磁感应强度数据往往不能重合（闭合）。
三、发明内容
本发明目的是提出一种采用改进的方法数字积分测量磁场强度B，并对励磁电流进行数字化采集，通过数据传输给电脑，由电脑描绘出样品的磁滞回线图。尤其是克服现有积分电容的漏电等因素的存在，将导致测量系统漂移问题
本发明的技术方案是，基于数字积分的磁滞回线测量方法，采用R-C有源积分器测量电路测量磁性材料的磁滞回线，R-C有源电路经模数转换滤波并累加得到与
Figure BDA00002232996200021
成正比例关系的积分的感应电压Ei；其步骤如下，磁性材料的外加磁场H导致磁性材料体内磁通测量变化产生感应电势
Figure BDA00002232996200022
ei经自稳零放大器放大后，输出一段时间积分的感应电压Ei；
对Ei采用高速A/D模数变换模块，将模拟信号变换成数字信号，在设定的定时器Δt内，进行N次A/D变换并累加∑Ei；
为消除Ei可能包含有噪声和干扰信号，采用基于拉依达准则的奇异数据滤波法，通过计算得到Ei；
做Ei和Δt乘法运算，可得到Δt时间内的磁通量值为
将测量周期内的所有
Figure BDA00002232996200024
做算术运算,即可得出被测样品对应外加磁场H的磁通量
Figure BDA00002232996200025
计算并保存数据B=Φ/NS。
磁性材料外加磁场H通过三角波的外加电流提供给绕制在磁性材料的线圈。
本发明的有益效果是，通过对励磁电流进行数字化采集，通过数据传输给电脑，由电脑描绘出样品的磁滞回线图。克服现有积分电容的漏电等因素的导致测量系统漂移问题。通过采用改进的方法数字积分测量磁场强度B，实现磁感应强度B，得到的磁性材料样品的磁滞回线图具有良好的重现性和闭合性，收到预期效果。克服R-C模拟积分器零点漂移。不会对磁滞回线测量结果有所影响。
四、附图说明
图1为磁滞回线测量的基本原理图；
图2为R-C有源积分器基本电路；
图3为数字积分器实现原理和线路示意图；
图4为本发明方法的步骤图；
图5为本发明提供磁场强度的电流图；
图6为本发明控制测量的流程图；
图7为本发明实测得到的磁性材料样品的磁滞回线图。
五、具体实施方式
R-C有源积分器基本电路组成如下（参见图2）：图2为R-C有源积分器图中R为积分电阻，C为积分电容，V0为积分输出。
输出输入关系为：
V0=-1/RC×∫eidt=-φ/RC    …（5）
（5）式中的ei即为磁通变化而成生的感应电压，V0为R-C有源积分器输出电压。通过校正得到磁通量Φ值，进而得到B=φ/NS数据。
本发明通过嵌入式微处理器和软件技术，设计出数字积分器，原理如下：
（1）式可转化为：
Φ=-∑eiΔt    （Δt很小）…（6）
即：
Φ=-（e1Δt+e2Δt+…+enΔt+…）…（7）
数字积分器实现原理可用图3表示：
本发明利用拉依达准则，拉依达准则处理奇异数据滤波器的参数：拉依达准则用于剔除严重失真的奇异数据。第一步计算N次测量的算术平均值（本测量装置N取8，可以在4-20的范围），然后计算出标准差σ，并将大于3σ的数据剔除，在求出本测量期内的平均值。本测里装置设定的采样期Δt为10us。
另外，B=φ/NS式中的N为测量线圈的匝数，S为测量线圈面积。具体测量的实施例（图7）：永磁材料样品：C308，外径24mm，内径16mm，厚度10mm；测量线圈：N=40，自稳零放大器：7650，模数转换芯片：AD574，系统控制处理器：ADUC812，电脑数据接口：USB。
积分器工作过程如下：参见本发明图2-6的测量系统设计。采用数字积分测量磁通量来实现磁感应强度B，得到的磁性材料样品的磁滞回线图具有良好的重现性和闭合性，收到预期效果。

Claims (3)

1.基于数字积分的磁滞回线测量方法，其特征是采用R-C有源积分器测量电路测量磁性材料的磁滞回线，R-C有源电路经模数转换滤波并累加得到与
Figure FDA00002232996100011
成正比例关系的积分的感应电压Ei；其步骤如下，磁性材料的外加磁场H导致磁性材料体内磁通测量变化产生感应电势
Figure FDA00002232996100012
ei经自稳零放大器放大后，输出一段时间积分的感应电压Ei；对Ei采用高速A/D模数变换模块，将模拟信号变换成数字信号，在设定的定时器Δt内，进行N次A/D变换并累加∑Ei；
为消除Ei可能包含有噪声和干扰信号，采用基于拉依达准则的奇异数据滤波法，通过计算得到Ei；做Ei和Δt乘法运算，得到Δt时间内的磁通量值为
Figure FDA00002232996100013
将测量周期内的所有
Figure FDA00002232996100014
做算术运算,即可得出被测样品对应外加磁场H的磁通量计算并保存数据B=Φ/NS。
2.根据权利要求1所述的基于数字积分的磁滞回线测量方法，其特征是磁性材料外加磁场H通过三角波的外加电流提供给绕制在磁性材料的线圈。
3.根据权利要求1所述的基于数字积分的磁滞回线测量方法，其特征是拉依达准则处理奇异数据滤波器的参数：第一步计算N次测量的算术平均值，N取8，然后计算出标准差σ，并将大于3σ的数据剔除，在求出本测量期内的平均值；设定的采样期Δt为10us。
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