CN103116145A - 一种用数字存储示波器观测交流磁滞回线的实验方法 - Google Patents

Abstract

一种用数字存储示波器观测交流磁滞回线的实验方法，属电磁检测技术领域，目的是减少测交流磁滞回线失真，提高测动态磁参数的精度；本发明先设计交流三角波恒流源电路，将励磁线圈作为该电路的负载，使磁化场强度H的波形为三角波；该电路的负反馈取样电阻R₁也是励磁电流的取样电阻，其端电压V_H送示波器X输入端；检测线圈输出电压e₂经电子积分器积分得到V_B，送示波器Y输入端；示波器用XY扫描显示交流磁滞回线；测量时可使H变化的速率不变，创造了在H均匀变化的条件下观测B的变化规律，使测得的磁滞回线能更好地反映样品内B与H的数值之间的函数关系；将e₂取代V_B送示波器Y输入端，可直接显示微分磁导率μ_d～H曲线。

Description

一种用数字存储示波器观测交流磁滞回线的实验方法

技术领域

本发明属于电磁检测技术领域，涉及一种用数字存储示波器观测软磁材料交流磁滞回线的实验方法。 

背景技术

软磁材料的应用已非常广泛。观测软磁材料的交流磁滞回线并测出相应的动态磁参数，对认识软磁材料的磁性质、合理使用软磁材料和研制新型软磁材料都有着十分重要的意义。示波器法是观测软磁材料交流磁滞回线和动态磁参数最常用的一种方法。虽然随着现代科学技术的不断发展，已经有测量精度更高的方法，但示波器法其测量线路结构简单，测量过程的物理意义简单明了而且直观，更有助于认识软磁材料的特性。所以，迄今许多高等学校物理实验课程开设的磁滞回线实验还常用这种方法。但交流磁滞回线的形状受很多测量因素的影响。其中影响最大的是磁化场周期性变化的频率。回线形状随磁化场的频率而变化，反映了磁芯的涡流损耗、动态磁滞损耗等随磁化场的频率而变化，也就是随H或B变化的速率而变化，相应地其动态磁参数也不相同。所以工程上要根据其实际使用频率进行测量。影响大的另一种因素就是磁化场变化的波形。同一个样品在同一频率和相同的最大磁感应强度B_m的条件下，磁化场的波形不同，回线的形状也明显不同。这一现象表明，B在相同的T/2的时间内从相同的－B_m变到+B_m时，因在各个时间段B变化的具体速率不同也使回线的形状发生显著的变化。这更进一步表明H和B变化的速率对软磁材料的动态磁滞和损耗等产生的强烈影响。因此，在讨论软磁材料的动态磁性时，不仅必须给定H和B变化的频率，同时还要指定H或B变化的波形。因此很难制定一个检测软磁材料的动态磁参数的统一标准。因为用于电能传输的变压器大多数都在接近B正弦条件下工作，所以国际上规定在“B正弦”条件下测量软磁材料的动态磁参数，以便数据的统一和比对。所谓在“B正弦”条件下测量，就是指在测量软磁材料样品的交流磁滞回线的全过程中，包括样品被交流磁化到其B的动态范围接近正、负饱和区的情况，都要求软磁材料样品中的B仍然按正弦规律变化。但在技术上有时很难实现“B正弦”条件。例如，当样品被交流磁化到接近饱和时就很难满足“B正弦”条件，导致在此区域的测量结果误差大。有人提出在“B三角波”条件下测量软磁材料的交流磁滞回线及有关的动态磁参数，当样品被交流磁化到其B值接近饱和时也因为不能满足“B三角波”条件导致测量误差大。而软磁材料在实际应用中往往在接近饱和的磁感应强度下工作，需要较准确地测试在低频高磁感应强度下的动态磁参数，因此需要研究能够完成这类测试任务的实验方法。 

发明内容

本发明的目的是为克服上述已有技术的不足，提供一种可减少测交流磁滞回线失真、提高测动态磁参数精度的用数字存储示波器观测软磁材料交流磁滞回线的实验方法。该方法能够较准确的测量样品被交流磁化到其B值接近饱和时的交流磁滞回线及其动态磁参数。 

本发明方法是： 

 （1）先设计一个交流三角波电流恒流源电路，如附图2所示，该电路包括电子积分器、双向幅值检测与控制电路、D触发器、模拟开关和电压/电流转换与恒流控制电路。其中模拟开关（A）的输入端接电源-V，其输出端接电子积分器的输入端，其控制端接D触发器的Q端。模拟开关（B）的输入端接电源，其输出端也接电子积分器的输入端，其控制端接D触发器的“Q非”端。电子积分器主要包括LF356集成运算放大器，该电子积分器采用典型的反向积分电路，其输出端接分压器的输入端和双向幅值检测与控制电路的输入端。双向幅值检测与控制电路包括负峰值检测与控制比较器（1）和正峰值检测与控制比较器（2），其中，负峰值检测与控制比较器（1）的（+）端接参考电源－V_ref，其（－）端接电子积分器的输出端，其输出端接D触发器的“S非”端；正峰值检测与控制比较器（2）的（+）端也接电子积分器的输出端，其（－）端接参考电源+V_ref，其输出端接D触发器的“R非”端。分压器电路由12个相同阻值的电阻串联组成，由12位的波段开关控制选择其输出电压，其输出端接电压/电流转换与恒流控制电路的输入端。电压/电流转换与恒流控制电路主要由TDA2040集成功放元件组成，该电路的结构与同向放大器基本相同，但有一点不同，如附图1、附图2所示，其负反馈输入端不接功放的输出端，而是与负反馈取样电阻R₁的一端连接，R₁的另一端接地。励磁线圈作为该电路的负载，其一端接功放的输出端，其另一端接该电路的负反馈输入端。所述的电源-V、+V、参考电源－V_ref、参考电源+V_ref，分别根据所需电压选用集成的标准电源元件，其电压精确、稳定、一致性好，便于匹配，而且小巧、便宜。

(2)如附图1所示，在软磁材料环形磁芯样品（1）上，绕有一副励磁线圈（2）和一副检测线圈（3）。将励磁线圈作为交流三角波电流恒流源电路的负载接到该电路的输出端，使通过励磁线圈的励磁电流i ₁的波形为稳定的三角波；当该样品被交流磁化到其B值的动态范围接近饱和区时，虽然励磁线圈的感抗在不断地急剧变化，但励磁电流i ₁的波形仍然为稳定的三角波，其幅值和波形保持不变，从而使该样品内励磁磁场强度H=N₁ i ₁/l的波形也为稳定的三角波，其幅值和波形也保持不变，如附图7和附图10所示。可将这种励磁方式称之为“H三角波”条件，或“H三角波”条件的励磁方式；这也是本项发明的关键。上式中，N₁为励磁线圈的匝数，l为磁环的等效周长，它们的数值已知。 

只要保持交流三角波电流恒流源电路的输入端的三角波电压的幅值和周期T不变，就可使交流三角波励磁电流i ₁的幅值和周期T不变，从而使该样品内H变化的速率其大小│dH/dt│=│4H_m/T│保持不变，创造了在H均匀变化的情况下观测B值的变化规律的条件，使测得的交流磁滞回线能更好地反映该样品内B的数值与H的数值之间的函数关系，为准确测绘交流磁化曲线创造了有利条件。采用这种方法，能够较好的解决当样品被交流磁化到其B值接近饱和时，较准确地测量其交流磁滞回线和有关的磁参数的问题。 

 （3）如附图1所示，R₁既是该电路负反馈的取样电阻，也是励磁电流i ₁的取样电阻。从R₁两端提取的电压V_H= i ₁ R₁，直接送到数字存储示波器（6）的X输入端直流耦合输入。 

（4）检测线圈（3）输出的感应电动势e ₂ ，经过电子积分器积分得到反映磁芯中磁感应强度B的信号V _B 。但该电子积分器采用的是典型的“反向积分器”的结构，会产生180°的附加相移，因此需要使上述信号V _B 再通过一个反向放大器以抵消该“电子积分器”产生的附加相移，然后直接送到数字存储示波器的Y输入端直流耦合输入。 

（5） 数字存储示波器采用XY扫描方式。调节示波器两个通道的放大倍率，使在屏幕上显示大小适中有利于测量的交流磁滞回线。所谓“大小适中有利于测量”，指的是在保持波形完整的条件下使波形尽可能的大，以充分发挥数字存储示波器的测量精度，如附图3、5、6、8、9等所示。实验结果表明这种交流磁滞回线具有对称性，所以将回线的中心调到屏幕的中心，则过屏幕中心的横线就是H坐标轴；过屏幕中心的竖线就是B坐标轴，如附图5、附图8所示。 

（6）实验结果表明，在“H三角波”条件下测得的交流磁滞回线，回线的两端都是尖的，如附图3、5、8所示；回线尖端点的V_H和V_B的数值，分别就是该回线上V_H和V_B的峰值V _Hm 和V _Bm 。利用数字存储示波器的测量光标和数显功能，根据回线具有的对称性，采用如附图3所示的方法，容易测出V _Hm 和V _Bm 的数值，测量精度可达1%。 

（7）根据安培环路定理可得H_m=N₁ i _1m/l；根据欧姆定理可得V_Hm=i _1mR₁，于是可得H_m=（N₁/lR₁）V _Hm=k _H V _Hm。其中，k _H= N₁/lR₁；H _m 是该磁滞回线上磁场强度的最大值。已知N ₁、R ₁、l；且已测出V _Hm ，则可求出H _m 。已知k _H，利用数字存储示波器的测量光标和数显功能，根据饱和磁滞回线，如附图8所示，可测出该回线与H坐标轴的交点的坐标，就可求出样品的动态矫顽力H _C 。 

（8）根据法拉第电磁感应定律可得：│e₂│=│dψ/dt│=│N₂SdB/dt│, 

将e ₂通过电子积分器积分，可得B _m=(R ₂ C/N ₂ S)V _Bm=k _B V _Bm，其中，N ₂为副线圈的匝数，S为磁环的横截面积，R ₂ C为电子积分器的积分常数（这些参数都已知），V _Bm 为电子积分器的输出电压，如附图5所示，可从磁滞回线上测出，于是可求出B _m 。已知k _B=(R₂C/N₂S)，利用数字存储示波器的测量光标和数显功能，根据饱和磁滞回线，测出该回线与B坐标轴的交点的坐标，可求出样品的动态剩余磁感应强度B _r。

（9）调节控制三角波电压幅值的波段开关，即可调节交流三角波电流恒流源电路输出的三角波电流的幅值。调节该波段开关，使励磁电流i ₁从最小依次逐档调到最大，或从最大依次逐档调到最小，使i ₁依次分别取不同的数值，就分别得到相应的稳定的交流磁滞回线。分别测出这些达到稳定状态的回线尖端点的坐标（H _mi ,B _mi ），就可画出交流磁化曲线，求出相应的幅值磁导率μ _a ～H曲线，其中μ _a =B_m/H_m。 

（10）将e ₂送到数字存储示波器的Y输入端，V _H信号仍然送到数字存储示波器的X输入端，示波器仍然采用XY扫描方式，如附图6、9所示，在示波器屏幕上可直接显示微分磁导率μ_d～H曲线，其中μ_d=dB/dH。 

本发明方法具有可减少测交流磁滞回线的失真，提高测动态磁参数的精度的有益效果，具体体现在： 

 1、梅文余在机械工业出版社出版的《动态磁性测量》一书中的第二章第一节指出，同一个软磁材料磁芯样品，在相同的励磁频率和相同的最大磁感应强度B _m 的条件下进行交流磁化，当H的波形保持为正弦形时（即所谓“H正弦”条件）其交流磁滞回线的面积最大；B的波形保持为正弦形时（即所谓“B正弦”条件）其回线的面积最小；H或B为其它形状时回线的面积介于这两者之间。所谓“B正弦”条件，就是要求该样品中的B值按正弦规律变化。当该样品被交流磁化到接近饱和甚至进入饱和状态时，该条件显然不能满足，导致该方案在此情况下的测量误差大。“B三角波”条件也存在同样的问题。为解决此类问题，我们提出了使励磁磁场强度H的波形保持为三角波的方案。也可称之为“H三角波”条件。本发明研制了一种交流三角波电流恒流源电路，将软磁材料磁芯样品的励磁线圈作为该电路的负载，可使励磁电流i ₁的波形保持为稳定的三角波，根据安培环路定理H=N₁ i ₁/l，H也为稳定的三角波。其突出特点是，在交流励磁使该样品中的B值双向都交替地接近饱和时，励磁线圈的感抗在不断地急剧变化，但励磁线圈中的励磁电流i ₁的波形仍能保持为稳定的三角波，其幅值和波形都保持不变，该样品内励磁磁场强度H的波形也仍然为稳定的三角波，如附图7、附图10所示，其幅值和形状都不变，即仍然能满足“H三角波”条件。而且，只要保持交流三角波励磁电流i ₁的幅值和周期不变，就可以使该样品内H变化的速率其大小│dH/dt│=│4H_m/T│保持不变，创造了在H均匀变化的条件下观测B值的变化规律，从而突出了H的数值大小的作用，使测得的交流磁滞回线能更好地反映磁芯内B的数值与H的数值之间的函数关系（包括动态磁化到使该样品中的B值达到饱和的情况），为准确测绘交流磁化曲线创造了有利条件。

 2、因为│e₂│=│dψ/dt│=│N₂S(dB/dt)│=│N₂S(dB/dH)（dH/dt）│，软磁材料的微分磁导率μ _d =dB/dH，已知│dH/dt│=4H_m/T=4fH_m，可得μ _d =e₂/（4f N₂SH_m）=k _μe₂，其中k _μ=1/（4f N₂SH_m），f为三角波的频率。于是可知在“H三角波”条件下μ _d 与e₂成正比，且比例系数已知；又有H=k _HV_H,，其中k _H= N₁/lR₁也已知。所以，将e₂接到示波器的Y输入端，V_H信号仍然接到示波器的X输入端。示波器采用XY扫描方式，则示波器屏幕上的纵坐标轴就代表μ _d 坐标轴；横坐标轴就代表H坐标轴，于是在示波器屏幕上显示的就是动态μ _d ～H曲线，如附图6、附图9所示。 

 3、因为在“H三角波”条件下测得的交流磁滞回线，如附图3、5、8所示，该回线不仅具有对称性，而且该回线的两端都是尖的，尖端点的V_H和V_B的数值，分别就是该回线上V_H和V_B的峰值V _Hm和V _Bm。用数字存储示波器的测量光标和数显功能，用如附图3所示的方法，容易测出V_Hm和V_Bm的数值。一般数字存储示波器采用8比特的A/D转换器，其量化误差小于1LSB，所以测电压的精度可达到1%。根据公式H_m=k _HV_Hm和B_m=k _BV_Bm，其中k _H= N₁/lR₁；k _B=(R₂C/N₂S)，于是可分别求得H _m 和B _m 。测出一系列交流磁滞回线的H _m 和B _m ，就可画出交流磁化曲线，求出幅值磁导率μ _a ～H曲线。并可测定交流饱和磁滞回线的动态H _C  、B _r 和B _S 。 

 这种方法的测量精度较高，能够较准确的测量样品被交流磁化到其B值接近饱和时的交流磁滞回线及有关的动态磁参数；测量动态磁参数时，测量过程的物理意义简单明了而且直观，所以很适宜用于开设物理实验，特别是用来做演示实验，也可用于工程测量。 

附图说明

图1为本发明方法原理框图； 

图2为交流三角波电流恒流源电路的原理框图； 

图3为实验样品1在瑞利区交流磁化时的磁滞回线；

图3A为测交流磁滞回线的2V_Bm示意图；

图3B为测交流磁滞回线的2V_Hm 示意图；

图4为实验样品1在瑞利区交流磁化时的H和B的波形；

图5为实验样品1的交流饱和磁滞回线；

图6为实验样品1的动态微分磁导率μ _d ～H曲线；

图7为实验样品1交流磁化到深度饱和时H和B的波形图；

图8为实验样品2的交流饱和磁滞回线；

图9为实验样品2的动态微分磁导率μ_d～H曲线； 

图10为实验样品2交流磁化到饱和时H和B的波形图。

具体实施方式

本发明方法具体步骤： 

 如附图2所示，研制了一种交流三角波电流恒流源电路⑷。该电路由电子积分器、双向幅值检测与控制电路、D触发器、模拟开关和电压/电流转换与恒流控制电路5大部分组成。该电路的基本工作原理如下：电路刚接通电源时，D触发器的状态是随机的，假设Q为0，“Q非” 为1，使模拟开关(B)接通电源+V，电子积分器输出电压线性下降。当下降到低于负峰值控制比较器的阈值电平时，该比较器输出为低电平，使D触发器置1，即Q为1，“Q非”为0，于是转换为使模拟开关(A)接通电源-V，使电子积分器输出电压线性上升。当上升到高于正峰值控制比较器的阈值电平时，该比较器输出为低电平，使D触发器置0，即Q为0，“Q非”为1，于是开始下一个循环周期。电子积分器输出的三角波电压，经分压控制波段开关选择输出电压的幅值，再经电压/电流转换与恒流控制电路转换成（三角波）交流恒流电流通过励磁线圈（2）进行励磁。在励磁过程中，虽然励磁线圈的感抗不断地发生变化，但通过它的三角波电流的幅值和形状都能保持不变，使得该样品内励磁磁场强度H的波形也为稳定的三角波，如附图7和附图10所示，其幅值和波形也保持不变。调节控制三角波电压幅值的波段开关，增大三角波电压的幅值，以增大交流三角波电流恒流源输出电流的幅值，该样品内励磁磁场强度H的幅值也随着增大。当H增大到使该样品内的B值达到饱和时，H的波形仍然保持为三角波，仍然能满足“H三角波”条件，使测量结果稳定、可靠。该电路中的电压源+V、－V、+V_ref和－V_ref都采用集成的标准电源元件，其电压精确、稳定、一致性好，便于匹配，使产生的三角波电压幅度稳定，频率稳定，波形对称性好，线性度好；而且其结构小巧，价格便宜。

 如附图1所示，在软磁材料环形磁芯样品⑴上绕有励磁线圈⑵和检测线圈⑶。将励磁线圈⑵作为交流三角波电流恒流源电路⑷的负载接在该电路的输出端，使励磁线圈⑵中的励磁电流i ₁的波形为稳定的三角波，从而使得在该样品⑴内产生的励磁磁场强度H=N₁ i ₁/l的波形也为稳定的三角波，如附图7、10所示。式中N₁为励磁线圈⑵的匝数，l为该样品的等效周长。 

如附图1所示，将一个小电阻R₁的一端接在该电路的负反馈输入端，另一端接地。R₁既是该电路负反馈信号的取样电阻，也是励磁电流i ₁的取样电阻。从R₁两端提取的电压V_H= i ₁ R₁，直接送到数字存储示波器（6）的X输入端直流耦合输入。 

检测线圈（3）输出的感应电动势e₂，经过电子积分器积分得到反映该样品中磁感应强度B的信号V_B。但该电子积分器产生了180°的附加相移，所以需要再经过反向放大器进行相位补偿，然后接到数字存储示波器（6）的Y输入端直流耦合输入。 

数字存储示波器采用XY扫描方式，调节示波器两个通道的放大倍率，使在屏幕上显示大小适中便于测量的交流磁滞回线，如附图3、5、8所示。因为在“H三角”条件下测得的交流磁滞回线具有很好的对称性，所以将回线的中心调到屏幕的中心，则过屏幕中心的横线就是H坐标轴；过屏幕中心的竖线就是B坐标轴。 

 因为在“H三角波”条件下测量的交流磁滞回线，如附图3、5、8所示，这种交流磁滞回线不仅具有对称性，而且回线尖端点的V_H和V_B的数值，分别是该回线上V_H和V_B的峰值电压V _Hm和V _Bm的数值。用数字存储示波器的测量光标和数显功能，用如图3所示的方法，容易测出V _Hm和V _Bm的数值，测量精度可达到1%。 

根据安培环路定理可得H_m=N₁ i _1m/l；根据欧姆定理可得V_Hm=i _1mR₁，于是可求得H_m=N₁V_Hm/lR₁=k _HV_Hm。已知k _H，从饱和磁滞回线上，测出回线与H坐标轴的交点的坐标，可求出样品的动态矫顽力H _C 。 

根据法拉第电磁感应定律，可得：│e₂│=│dψ/dt│=│N₂SdB/dt│，通过电子积分器将e₂对时间t积分，可得B_m=（R₂C/N₂S）V_Bm=k _BV_Bm，其中，N ₂为副线圈的匝数，S为磁环的横截面积，R ₂ C为电子积分器的积分常数，k _B=（R₂C/N₂S）。已知k _B，从饱和磁滞回线上，测出磁滞回线与B坐标轴的交点的坐标，即可求出动态剩余磁磁感应强度B _r。 

调节励磁电流i ₁依次取一系列不同的数值，分别得到相应的稳定的交流磁滞回线，测出这些回线尖端点的坐标（H _mi ,B _mi ）,可画出交流磁化曲线，并求出相应的幅值磁导率μ _a ～H曲线，其中μ _a =B _m/H _m。 

将e ₂接到数字存储示波器的Y输入端，V _H信号送到数字存储示波器的X输入端，示波器采用XY扫描方式，如附图6、9所示，在示波器屏幕上可直接显示动态微分磁导率μ_d～H曲线，其中μ_d=dB/dH。 

 实验及结果： 

从市场上随机买了几种软磁材料环形磁芯当实验样品，用本发明的实验方法对这些样品进行了测试实验。根据实验结果，将其中动态磁参数差别较大的两种样品的测量结果列举如下：

这两种软磁材料环形磁芯样品的形状和尺寸相同；内径：33.56mm，外径：49.44 mm，厚度：7.94 mm，高度：10.90 mm，等效周长L=130.38 mm，截面积S=86.55 mm²；实验时，选定三角波电流的频率f=105.0Hz。

测出了它们的交流磁滞回线、交流饱和磁滞回线和与其相应的V_H和V_B的波形图，以及动态微分磁导率μ_d—H曲线等，如附图3～附图10所示。对照附图5和附图7可知，样品1已被交流磁化到深度饱和，但励磁磁场强度H的波形仍然为稳定的三角波，仍然满足“H三角形”条件。用本发明的实验方法能够较准确的测量样品被交流磁化到其B值接近饱和时的交流磁滞回线及有关的动态磁参数。 

实验样品1在瑞利区交流磁化时的磁滞回线（图3），回线的两端都是尖的；利用数字存储示波器的测量光标和数显功能，很容易测出V_Hm和V_Bm的数值。实验样品1在瑞利区交流磁化时的H和B的波形（图4），彼此很相似。实验样品1的交流饱和磁滞回线（图5），回线是对称的，两端是尖的；实验样品1交流磁化到深度饱和时H和B的波形（图7），B已达到深度饱和，而H的波形仍为稳定的三角波；实验样品2的交流饱和磁滞回线（图8），回线是对称的，两端是尖的，其H _C 明显要比样品1的大；实验样品2交流磁化到饱和时H和B的波形（图10），B已接近饱和，而H的波形仍然为三角波。 

样品1的有关测值： 

励磁线圈匝数N₁=80；检测线圈匝数N₂=100；

测出磁滞回线上B达到饱和时的V_B电压值：V _BS =0.544V; 

测出磁滞回线上B刚达到饱和时的V_H电压值：H _HS =0.880V; 

测出磁滞回线上与B坐标轴相交的点的V_B电压值：V _Br =0.152V; 

测出磁滞回线上与H坐标轴相交的点的V_H电压值：V _Hc =0.084V; 

测出检测线圈输出电压的峰值：e _2m=9.98V。

计算结果： 

饱和磁感应强度B_S=（R₂C/N₂S）V_BS=k _BV_BS=1.155×0.544=0.628（T）;

饱和磁化磁场强度H_S=N₁V_HS/lR₁=k _HV_HS=61.36×0.880=54.0（A/m）;

动态剩余磁感应强度B_r=k _BV_Br=1.155×0.152=0.176（T）; 

动态矫顽力H_C=k _HV_HC=61.36×0.084=5.15(A/m);  

最大微分磁导率μ _d =e_2m/（4fN₂SH_m）=5.09×10^－3×9.98=5.08×10^－2（Tm/A）。

样品2的有关测值： 

励磁线圈匝数N₁=100；检测线圈匝数N₂=100；

测出磁滞回线上B达到饱和时的V_B电压值：V _BS =0.304V; 

测出磁滞回线上B刚达到饱和时的V_H电压值：H _HS =1.60V; 

测出磁滞回线上与B坐标轴相交的点的V_B电压值V _Br =0.252V; 

测出磁滞回线上与H坐标轴相交的点的V_H电压值：V _Hc =0.456V;

测出检测线圈输出电压的峰值：e _2m=10.2V。

计算结果： 

饱和磁感应强度B_S=（R₂C/N₂S）V_BS =1.155×0.304=0.351（T）；

饱和磁化磁场强度H_S=N₁V_HS/lR₁=k _HV_HS=76.70×1.60=122.7（A/m）；

动态剩余磁感应强度B_r=k _BV_Br=1.155×0.252=0.291（T）；

动态矫顽力H_C=k _HV_HC=76.70×0.464=35.6(A/m);

最大微分磁导率μ _d =e_2m/（4fN₂SH_m）=2.24×10^－3×10.2=2.29×10^－2（Tm/A）。 

Claims (1)

1.一种用数字存储示波器观测交流磁滞回线的实验方法，其特征是：

（1）设计一个交流三角波电流恒流源电路，该电路包括电子积分器、双向幅值检测与控制电路、D触发器、模拟开关和电压/电流转换与恒流控制电路；其中，模拟开关包括模拟开关A和模拟开关B；模拟开关A的输入端接电源-V，其输出端接电子积分器的输入端，其控制端接D触发器的Q端；模拟开关B的输入端接电源+V，其输出端也接电子积分器的输入端，其控制端接D触发器的“Q非”端；电子积分器是以LF356集成运算放大器为主构成的典型的反向积分电路，其输出端接分压器的输入端和双向幅值检测与控制电路的输入端；双向幅值检测与控制电路包括负峰值检测与控制比较器和正峰值检测与控制比较器；负峰值检测与控制比较器的（+）端接参考电源－V_ref，其（－）端接电子积分器的输出端，其输出端接D触发器的“S非”端；正峰值检测与控制比较器的（+）端接也接电子积分器的输出端，其（－）端接参考电源+V_ref，其输出端接D触发器的“R非”端；分压器电路由12个相同阻值的电阻串联组成，由12位的波段开关控制选择其输出电压，其输出端接电压/电流转换与恒流控制电路的输入端；电压/电流转换与恒流控制电路包括TDA2040集成功放元件，电路结构与同向放大器基本相同，但其负反馈输入端不接功放的输出端，而是与负反馈取样电阻R₁的一端连接，R₁的另一端接地；励磁线圈作为该电路的负载，其一端接功放的输出端，其另一端接该电路的负反馈输入端；所述的电源、电源、参考电源－V_ref、参考电源+V_ref，分别根据所需电压选用集成的标准电源元件； 

（2）在软磁材料环形磁芯样品上绕有一副励磁线圈和一副检测线圈；将励磁线圈作为交流三角波电流恒流源电路的负载接到该电路的输出端，使通过励磁线圈的励磁电流i ₁的波形为稳定的三角波；当该样品被交流磁化到其B值的动态范围接近饱和区时，虽然励磁线圈的感抗在不断地急剧变化，但励磁电流i ₁的波形仍然为稳定的三角波，其幅值和波形保持不变，从而使该样品内的励磁磁场强度H=N₁ i ₁/l的波形也为稳定的三角波，其幅值和波形也保持不变；其中，N₁为励磁线圈的匝数，l为该样品的等效周长；可将这种励磁方式称为“H三角波”条件的励磁方式；

（3）交流三角波电流恒流源电路的负反馈取样电阻R₁，也是励磁电流i ₁的取样电阻；从R₁两端提取的电压V_H= i ₁ R₁，直接送到数字存储示波器的X输入端直流耦合输入；

（4）检测线圈输出的感应电动势e ₂ ，经过电子积分器积分得到反映该样品中磁感应强度B的信号V _B ；该电子积分器会产生180°的附加相移，须使上述信号V _B 再通过一个反向放大器以抵消该“电子积分器”产生的附加相移，然后直接送到数字存储示波器的Y输入端直流耦合输入；

（5）数字存储示波器采用XY扫描方式；调节示波器两个通道的放大倍率，使在屏幕上显示有利于测量的交流磁滞回线，在保持波形完整的条件下使波形尽可能的大，以充分发挥数字存储示波器的测量精度；将回线的中心调到屏幕中心，则过屏幕中心的横线就是H坐标轴；过屏幕中心的竖线就是B坐标轴；

（6）在“H三角波”条件下测得的交流磁滞回线，回线的两端都是尖的；回线尖端点的V_H和V_B的数值，分别就是该回线上V_H和V_B的峰值V _Hm 和V _Bm ；利用数字存储示波器的测量光标和数显功能，根据回线具有的对称性，测出V _Hm 和V _Bm 的数值；

（7）根据安培环路定理可得H_m=N₁ i _1m/l；根据欧姆定理可得V_Hm=i _1mR₁，于是H_m=（V_Hm N₁/lR₁）=k _HV_Hm；

其中，k _H= N₁/lR₁；H _m 是该磁滞回线上磁场强度H的最大值；已知N ₁、R ₁、l；且已测出V _Hm ，则可求出H _m ；已知k _H，利用数字存储示波器的测量光标和数显功能，根据饱和磁滞回线，测出该回线与H坐标轴的交点的坐标，求出样品的动态矫顽力H _C ； 

（8）根据法拉第电磁感应定律可得：│e₂│=│dψ/dt│=│N₂SdB/dt│，将e ₂通过电子积分器积分，得B_m=（R₂C/N₂S）V_Bm=k _BV_Bm，其中，N ₂为副线圈的匝数，S为磁环的横截面积，R ₂ C为电子积分器的积分常数，V _Bm 为电子积分器的输出电压，可从磁滞回线上测出，求出B _m ；已知k _B=（R₂C/N₂S），利用数字存储示波器的测量光标和数显功能，根据饱和磁滞回线，测出该回线与B坐标轴的交点的坐标，求出样品的动态剩余磁感应强度B _r；

（9）调节控制三角波电压幅值的波段开关，使励磁电流i ₁从最小依次逐档调到最大，或从最大依次逐档调到最小，使i ₁依次分别取不同的数值，分别得到相应的稳定的交流磁滞回线；分别测出这些达到稳定状态的回线的尖端点的坐标（H _mi ,B _mi ），画出交流磁化曲线，求出相应的幅值磁导率μ _a ～H曲线，其中μ _a =B_m/H_m；

（10）将e ₂送到数字存储示波器的Y输入端，V _H信号仍然送到数字存储示波器的X输入端，示波器仍然采用XY扫描方式，在示波器屏幕上直接显示微分磁导率μ_d～H曲线，其中μ_d=dB/dH。

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