CN1044990A - 磁性材料自动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及把微机、接口、A/D转换器，D/A转换器、可程控励磁电源传感放大器与传统的励磁机构相结合的一种磁性材料测量装置，可以测量永磁材料，软磁材料以及硅钢材料，由计算机进行数据处理，并配以不同测量要求的外围设备可以取得从直流到25KHz频率范围的全部磁性参数的测量，其测量结果达到和超过国际IEC标准的精度要求。这种测量装置具有自动测量，测量精度高，装置的成本低，并可以直接用于工业生产中对永磁、软磁以及硅钢等材料磁性的自动测量。

Description

本发明涉及磁性材料性能测量，尤其是把微机、接口、A/D、D/A、可程控励磁电源传感放大器与传统的励磁机构相结合的磁性材料测量装置。

对永磁材料和软磁材料甚低频磁性的测量，目前国内外使用的基本测量装置都是电子积分器，典型的有美国LDJ公司BH-5000型BH仪和国产CL6，CL16型直流磁性测量装置，其中B通量的测量使用电子式积分器，用高精度的X-Y记录仪作为仪器终端，输出是φ（H）曲线，记录在X-Y记录仪纸上的所有结果读出的读数精度低，不便进行积分零点漂移，测量线圈残匝和霍耳效应非线性等修正，致使测量精度不高，此外它不能按冲击测量方式进行材料直流特性测量，这是存在的主要问题。

本发明的目的是采用以强的软件功能代替传统的磁测量装置中各种复杂和昂贵的终端设备，以其高的性能/价格比来取代当前国内外通用的各种机械的，电子的磁测装置。

本发明的原理和技术说明：

基本原理见附图1，由微机1通过D/A    2产生励磁波形，作用于相应的励磁电源和励磁机构，对被测试样进行磁化，反映试样磁性的磁场H（t）和磁感B（t）讯号，则通过相应的传感放大器3放大到适当的电平送到双通道A/D转换器4，它对这些讯号进行采样，得到其瞬时值的数据，通过接口母线5送回计算机1，由计算机通过数据处理，从定义出发得到测量结果（曲线或数值）。该装置中保持了传统磁测设备中的励磁机构，如电磁铁12，磁导计9，爱泼斯坦方圈16，…等。并设计了新型的可程控励磁电源13（直流电源），14（直流交流电源），15（交流电源），（从直流到25KHZ），磁通和磁场传感放大器，A/D和D/A转换器，用微机1的软件功能代替传统磁测设备中的终端设备，如冲击检流计，测磁电桥，功率表，电压表，磁通表等，可以自动测量永磁，软磁材料，硅钢等各种工业磁性材料，可以取得从直流到25KHZ频率范围内的全部磁性参数，其测量过程可完全按照国际式IEC标准编程，测量精度也高于标准要求。

本发明的技术特点和实施方式如下：

1，微机1，接口5以及D/A和A/D转换器2，5：

本发明装置使用IBM PC/XY作为基本机型，微机与外设之间用232串行通用接口，内部则采用I/O母线通讯，为满足磁性测试需要D/A应取12pit以上分辨力，稳定性优于2×10^-4;A/D转换器5采用速度小于或等于5μs，精度为12bit±1/2 LSB。

2，可控程序励磁电源系列：

下述的永磁、软磁、硅钢和音频励磁电源是本发明装置中最主要的硬件，其中：

a）永磁材料扫描电源

本电源用于驱动电磁铁产生扫描磁场，其关键是大功率和大电感负载下具有良好的电流突变引起的过压保护，采用桥式晶体管大功率放大形式做成100V±10A扫描电源，其原理见附图2。其中C₁C₂和W₁为直流稳压电源提供100V10A直流电流，T₁T₂T₃和T₄为四组功率管组合构成功率调节部分，运放IC₃-IC₆为它们的推动级，IC₂为反相级，IC₇获得反馈电压，以IC₁为主运放形成闭环反馈，D/A发出的扫描电压U₂作用于输入端，其平衡方程为：

Uo=-ui (R_s)/(R_N) (R₁)/(R₂) （1）

安全设计的要点是：由D₁-D₄和D₅组成的保护网路，在电流突变（如截断）时，储存在负载电感L中的能量通过这一网络引导给C₂充电，从而确保T₁-T₄和W₁的安全。例如：当电流由A流向B时截断电流，A、B端的反压将导通D₂和D₃，使电感的能量（电流）引入C₁，由于C₁容量较小，上面的电压会迅速上升，可使D₅导通，将引导电感中的另一部分能量给大电容C₂充电。通过适当地选样，C₁，C₂和D₁-D₅的参量就可确保在电流突然截断这种最危险的情况下功放组合T₁-T₄和直流稳压器W₁的安全。

b）软磁材料扫描电源

主电路为一个可输出±10V，±（10-20）A的低频功率放大级，和计算机D/A配合，完成软磁材料直流特性（冲击法）和甚低频特性（扫描法0.01-50HZ）的磁性能测量。

c）硅钢励磁电源：

是一个功率输出为500VA，频率范围在45HZ-1000HZ的晶体管功率放大级，其特点是加入本发明设计的电流和电流微分反馈以控制磁通波形正弦，磁通波形正弦是交流磁性测量的基本条件，国外采用电压反馈方式控制，但控制效果差。本发明采用如图3所示的原理进行控制，其中虚线框I内为励磁电源，Ⅱ内为励磁机构，为爱泼斯坦方圈，IC₁，IC₂，IC₃和TC₁为本发明提出的反馈网路，传统的电压负反馈实际由于方圈传输函数的复杂性从而效果不好。

产生磁通波形失真的原因是由于磁性材料B（H）特性的非线性使得励磁电流不可能是正弦波而引起的，这可以从方圈初级（N₁）励磁回路的回路方程看出：

e=i(Ri+Ro)+(Lo+Li) (di)/(dt) +n₁(dφ)/(dt) （2）

其中：e：功放输出的电压

i：回路电流

Ri、Ro：回路中的有功电阻，包括被测试样损耗折算到原级的电阻。

Lo、Li：回路中漏阻抗，包括输出变压器和方圈的漏感。

N₁：方圈初级匝数

φ：试样中的磁通。

e在通常情况下只可能是正弦波，在试样饱和时，反映励磁场的电流i必然是非正弦的，其微分 (di)/(dt) 更甚，所以N_i(dφ)/(dt) 项中必产生一个与前两项中谐波总和相位相反、幅值相等的谐波与其平衡，这个谐波就是磁道波形失真。本发明采用前馈方式，将一个反映电流和电流微分的量反馈到功率放大器中，这样可在（2）式的左边得到两项，即：

e+K₁i+K₂(di)/(dt) ＝（Ri+Ro）I+（Lo+Li） (di)/(dt) +N₁(dφ)/(dt) （3）

只需调节 K₁＝（Ri+Ro） （4）

K₂＝（Lo+Li） （5）

式（3）简化成

e＝N₁(dφ)/(dt) （6）

此时，只要e是正弦的， (dφ)/(dt) 中φ就是正弦的。附图3中互感器TC₁被用于电流取样，IC₂为微分运算放大器，其输出正比于电流的微分，IC₃为比例运放，其输出比例于电流，IC₁为加法运算放大器，实现式（3）左边三项相加的功能，实际上只需适当调节运算电阻R₅和R₄就可以达到控制磁通正弦的目的。

本发明的这一设计构思目的只应用于硅钢励磁电源，但它对于整个交流磁性测试具有普遍性。

d）软磁材料音频励磁电源：

音频励磁电源的基础是一个50HZ-30KHZ或者更宽范围的100VA或者更大功率的音频功率放大器。本设计特点是用一个特殊的点频讯号发生器，配合12bit，5μs的A/D转换器，在音频范围内采用准同步（稳定移相）方式实现非实时采样，使频率复盖达到25KHZ，该讯号发生器的原理见附图4，其中，41为石英振荡器（fT），42为分频器（1/N），43为分频器（1/N+1），44为滤波器，由滤波器44输出正弦波f_s＝f_r/N，由分频器43输出方波f_N。

频率源采用石英振荡器41，其频率为f_r，经过一个整数分频器42分频，再经滤波器44后得到一个正弦波f_s＝f_r/N，作用于功放输入端，产生音频励磁。另一路信号f_N是f_r经过分频器43，作N+1次分频得到的方波，它作为采样时标作用于A/D转换器。这样就可以保持一个信号周期采一个点，两个相邻点之间对fs来说只相差360/N，用N+1个点采完一个整周期。在本发明的实际使用中设计六个点频率分别为1KHZ，2KHZ，5KHZ，10KHZ，20KHZ，25KHZ，其中前5个频率信号N＝250，后一个N＝200，即对于1-20KHZ，每周期采251个点，而25KHZ则采201个点。因此，本发明设计中音频测量其频率是非常准确的，但不是连续的，然而这正是实际中音频磁性测量所需要的。

附图说明：

图1表示本发明设计原理示意图，其中包括：计算机1，D/A转变器2，霍尔传感器3，A/D转换器4，接口母线5，记录仪6，打印机7，控制开关8，高斯计9，积分器10，探测线圈11，电磁铁12，直流电源13，直流/交流电源14，交流电源15，爱泼斯坦方圈16;

图2表示扫描电源原理图;

图3表示硅钢.励磁电源原理图;

图4表示音频电源点频讯号发生器框图;

图5表示本发明测量装置所达到技术指标附表;

图6表示永磁材料测量，即铁氧体永磁材料环形试样的φ（H），B（H），和J（H）曲线图;

图7表示硅钢测量，即用数值积分得到的冷轧无取向硅钢50HZ的回线族图;

图8表示软磁材料音频特性测量，其中图示在1J86铁镍合金f＝25KHZ时，Bs＝0.6T (db)/(dt) 和H波形图。

本发明装置的优点再于测量装置经过总体改变配合计算机应用，电子积分器的积分功能可以由计算机的数值积分功能所代替。简化了已有的测量装置，提高了测量精度和降低了装置的成本，并且实现了自动测量。其测量准确度完全达到，并超过国际IEC的标准要求。该装置是一种完全可直接用于生产中，无论对永磁，软磁以及硅钢等材料均可自动测量其磁性能的装置。

Claims (6)

1、一种磁性材料自动测量装置，包括励磁机构，如：电磁铁，磁导计，爱泼斯坦方圈等以及终端设备和励磁电源等，其特征是配用微机1通过D/A转换器2产生励磁波形，作用于相应励磁电源和励磁机构，被磁化试样的磁场H<T>和磁感B<T>讯号通过传感器放大器3放大，并送入双通道A/D转换器4，对讯号进行采样，得到的瞬时值数据通过接口母线5送回计算机1，由计算机1进行数据处理，取得磁性测量结果，所述的可程控的励磁电源13，14，15，其工作方式可以从直流到25KHZ。

2、如权利要求1所述的测量装置，其特征是所述的微机1与外围设备之间用232串行通用接口，内部采用I/D母线通讯，为满足测试需要，D/A转换器应取12b t以上分辨力，稳定性大于2×10^-4;A/D转换器采用速度小于或等于5μs，精度为12bit±1/2LSB。

3、如权利要求1和2所述的测量装置，其特征是所用的永磁材料扫描电源采用桥式晶体管大功率放大形式做成100V±10A的扫描电源。

4、如权利要求1和2所述的测量装置，其特征是所用的软磁材料扫描电源，其主电路为一个可输出±（10-20）A的低频功率放大级，它与计算机D/A配合，完成软磁材料直流特性和甚低频特性的测量。

5、如权利要求1和2所述的测量装置，其特征是所用的硅钢励磁电源是一个功率输出为500VA，频率范围在45HZ-1000HZ的晶体管功率放大级。

6、如权利要求1和2所述的测量装置，其特征是所用的软磁材料音频励磁电源，是一个50HZ-30KHZ或者更宽范围的100VA或更大功率的音频功率放大器。

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