CN203101609U

CN203101609U - 铁磁材料磁滞回线的自动测量装置

Info

Publication number: CN203101609U
Application number: CN 201320102984
Authority: CN
Inventors: 吕殿利; 黄珊珊; 张惠娟; 杨艳华; 李玲玲; 客党星; 艾子豪; 曹思宇; 侯新静; 王天宇
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2023-03-07

Abstract

本实用新型铁磁材料磁滞回线的自动测量装置，涉及铁磁材料磁滞回线的测量，包括样件测量电路、电压信号采集电路、芯片L298N、斩波调压电路、电源电路、A/D转换电路、单片机、RS-485通信电路和PC机；其中样件测量电路与电压信号采集电路、芯片L298N连接，电压信号采集电路与A/D转换电路连接，斩波调压电路与芯片L298N连接，电源电路与电压信号采集电路、芯片L298N、A/D转换电路、斩波调压电路和单片机连接，单片机分别与斩波调压电路、电压信号采集电路、A/D转换电路、芯片L298N连接并实现对它们的控制，单片机通过RS-485通信电路与PC机连接；其测量精确范围宽，实现了磁滞回线的曲线拟合。

Description

铁磁材料磁滞回线的自动测量装置

技术领域

本实用新型的技术方案涉及铁磁材料磁滞回线的测量，具体地说是铁磁材料磁滞回线的自动测量装置。

背景技术

铁磁性材料是一种性能特异和应用广泛的物质。从常用的永久磁铁、变压器铁芯到录音、录像、计算机存存储用的磁带和磁盘等都采用铁磁性材料。在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示。当磁化磁场作周期性变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线。磁滞回线和基本磁化曲是铁磁材料分类和选用的主要依据，磁滞回线和基本磁化曲线反映了铁磁性材料的主要特征，通过测量不同铁磁性材料的磁滞回线和基本磁化曲线便可确定该材料的磁特性。

现有技术的铁磁材料磁滞回线的测量装置通常是以人工测量采集磁感应强度及磁场强度，利用磁通计读数得到相应的磁场强度和磁感应强度，手动调节电流值的大小，利用换向开关实现磁滞回线的完整测量。此种装置的测量精度较低，测量速度较慢，只能在其固定的较小测量范围内测量，且由于采样信息量的局限性，难以实现磁滞回线的有效拟合。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供铁磁材料磁滞回线的自动测量装置，是一种利用单片机控制自动实现提取环形铁磁材料样件的磁场强度和磁感应强度值，并通过单片机处理后传输到PC机上自动显示磁滞回线的装置，克服了现有的磁滞回线测量装置由于人工参与因素大，导致测量不精确，只能在其固定的较小测量范围内测量，以及由于采样信息量的局限性，难以实现磁滞回线的有效拟合的缺点。

本实用新型解决该技术问题所采用的技术方案是：铁磁材料磁滞回线的自动测量装置，包括样件测量电路、电压信号采集电路、芯片L298N、斩波调压电路、电源电路、A/D转换电路、单片机、RS-485通信电路和PC机；其中，样件测量电路与电压信号采集电路、芯片L298N相连接，电压信号采集电路与A/D转换电路连接，斩波调压电路与芯片L298N相连接，电源电路与电压信号采集电路、芯片L298N、A/D转换电路、斩波调压电路以及单片机相连接，单片机分别与斩波调压电路、电压信号采集电路、A/D转换电路、芯片L298N相连接并实现对它们的控制，单片机通过RS-485通信电路与PC机连接。

上述铁磁材料磁滞回线自动测量装置，所述样件测量电路，包括环形待测样件、激磁绕组W、测试绕组W_k、电阻R12、电阻R13和电容C1，其中待测样件环两边分别设有激磁绕组W以及测试绕组W_k，激磁绕组W一端与芯片L289N的管脚4相连，激磁绕组W另一端与电阻R12一端和电压信号采样电路共相连接，电阻R12另一端接地；测试绕组W_k一端连接电阻R13一端后并联电容C1，电容C1一端与电压信号采样电路相连接，电容C1另一端接地。

上述铁磁材料磁滞回线自动测量装置，所述斩波调压电路由电阻R14、电感L1、二极管D1、MOSFET1管和直流电源E1构成，其中，直流电源E1的负极（-）和二极管D1的正极接地，E1的正极（+）与MOSFET1管的源极相连接，MOSFET1管的源极与MOSFET1管的栅极相连接，MOSFET1管的栅极与单片机的管脚P2.4相连接，MOSFET1管的漏极与二极管D1的负极和电感L1的一端相连接，电感L1的另一端与电阻R14串联后接芯片L289的管脚6。

铁磁材料磁滞回线自动测量装置，所述A/D转换电路采用的是连续渐进式ADC0809芯片，8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs。

上述铁磁材料磁滞回线自动测量装置，所述芯片L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。

上述铁磁材料磁滞回线自动测量装置，所用单片机的型号是AT89C51。

上述铁磁材料磁滞回线自动测量装置，所述电压信号采样电路、A/D转换电路、电源电路、单片机与RS-485通信电路均是公知技术。

上述铁磁材料磁滞回线自动测量装置，所述各个电路之间的连接方法是本技术领域的普通技术人员所掌握的，所有电路中所涉及元件及其连接方式均是本技术领域的普通技术人员所熟知的，所用到的元器件和PC机都可以通过商购获得。

本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，本实用新型的突出的实质性特点和显著进步如下：

（1）本实用新型的装置设置了芯片L289N，芯片L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片，该芯片采用15脚封装,主要特点工作电压高,输出电流大,瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A，额定功率25W，采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在本发明中通过使能端的控制实现电流的换向，具体操作方法为：通过单片机控制L298N电机驱动芯片INPUT1和INPUT2，当INPUT1为高电平，INPUT2为低电平时，OUTPUT1为正，OUTPUT2为负；当INPUT1为低电平，INPUT2为高电平时，OUTPUT1为负，OUTPUT2为正，从而实现电源正负极换向。

在实验过程中，利用单片机和斩波调压电路控制芯片L289N实现电流值大小的改变和方向的变化，电压信号采集电路采集激磁绕组端R12的电压和测试绕组端电容C1的电压U1、U2，经A/D转换输入单片机中，利用推导公式

计算出磁场强度和磁感应强度并通过单片机传输到PC机上实现磁滞回线的曲线拟合，使得原本需要人工操作的开关测量能够实现自动切换,能够根据不同铁磁性材料的特性选择合适的测量方案。

（2）所述A/D转换电路采用的是连续渐进式ADC0809芯片，8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs，具有转换速度快、分辨率高、价格低廉等优点。

（3）所述斩波调压电路中，利用单片机控制MOSFET实现L289N输出电压大小的改变，从而实现电流值的改变。

（4）本实用新型的装置采取自动采样并实时传送数据，由PC机处理并输出显示，使得输出结果的磁滞回线更准确，克服了现有的磁滞回线测量装置由于人工参与因素大，导致测量不精确，只能在其固定的较小测量范围内测量，以及由于采样信息量的局限性，难以实现磁滞回线的有效拟合的缺点。

在下面的具体实施方式中将进一步阐明本实用新型的突出的实质性特点和显著的进步。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型铁磁材料磁滞回线自动测量装置的构成示意框图。

图2是本实用新型铁磁材料磁滞回线自动测量装置的样件测量电路及斩波调压电路示意图。

图3是本实用新型铁磁材料磁滞回线自动测量装置的电压信号采集电路及A/D转换电路示意图。

图4是本实用新型铁磁材料磁滞回线自动测量装置的单片机与RS-485通信电路的连接图。

图5是本实用新型铁磁材料磁滞回线自动测量装置的主程序流程图。

具体实施方式

图1所示实施例表明，本实用新型铁磁材料磁滞回线自动测量装置包括样件测量电路、电压信号采集电路、芯片L298N、斩波调压电路、电源电路、A/D转换电路、单片机AT89C51、RS-485通信电路和PC机；其中，样件测量电路与电压信号采集电路、芯片L298N相连接，电压信号采集电路与A/D转换电路连接，斩波调压电路与芯片L298N相连接，电源电路与电压信号采集电路、芯片L298N、A/D转换电路、斩波调压电路以及单片机AT89C51相连接，单片机AT89C51分别与斩波调压电路、电压信号采集电路、A/D转换电路、芯片L298N相连接并实现对它们的控制，单片机AT89C51通过RS-485通信电路与PC机连接。

图2所示实施例表明，本实用新型铁磁材料磁滞回线自动测量装置的样件测量电路包括环形待测样件、激磁绕组W、测试绕组W_k、电阻R12、电阻R13和电容C1，其中待测样件环两边分别设有激磁绕组W以及测试绕组W_k，激磁绕组W一端与芯片L289N的管脚4相连，激磁绕组W另一端与电阻R12一端和电压信号采样电路共相连接，电阻R12另一端接地；测试绕组W_k一端连接电阻R13一端后并联电容C1，电容C1一端与电压信号采样电路相连接，电容C1另一端接地。

图2所示实施例表明，本实用新型铁磁材料磁滞回线自动测量装置的斩波调压电路由电阻R14、电感L1、二极管D1、MOSFET1管和直流电源E1构成，其中，直流电源E1的负极(-)和二极管D1的正极接地，E1的正极(+)与MOSFET1管的源极相连接，MOSFET1管的源极与MOSFET1管的栅极相连接，MOSFET1管的栅极与单片机的管脚P2.4相连接，MOSFET1管的漏极与二极管D1的负极和电感L1的一端相连接，电感L1的另一端与电阻R14串联后接芯片L289的管脚6，利用单片机AT89C51控制MOSFET1实现芯片L289N输出电压大小的改变，从而实现电流值的改变。

图2中的芯片L298N是ST公司生产的一种高电压和大电流电机驱动芯片，该芯片采用15脚封装,其特点是工作电压高,输出电流大,瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A，额定功率25W，芯片L298N采用标准逻辑电平信号控制，具有两个使能控制端，在本实用新型装置中通过使能端的控制实现电流的换向，具体操作方法为：通过单片机AT89C51控制芯片L298N中的电机驱动芯片INPUT1和电机驱动芯片INPUT2，当电机驱动芯片INPUT1为高电平和电机驱动芯片INPUT2为低电平时，芯片L298N的OUTPUT1为正，芯片L298N的OUTPUT2为负；当电机驱动芯片INPUT1为低电平和电机驱动芯片INPUT2为高电平时，芯片L298N的OUTPUT1为负，芯片L298N的OUTPUT2为正，从而实现电源正负极换向。

图3所示实施例表明，本实用新型铁磁材料磁滞回线自动测量装置的电压信号采样电路和A/D转换电路的构成。

图3中的电压信号采样电路采用两个LF398放大器芯片，第一个LF398A的管脚1接+15V电压，LF398A的管脚2经1K的滑动变阻R16接电阻R15接地，LF398A的管脚3接样品测试电路的电阻R12的一端，实现电压采样信号的输入，LF398A的管脚4接-15V电压，LF398A的管脚5为输出接A/D转换器的输入端，LF398A的管脚6经电容C2与LF398A的管脚7相连接，LF398A的管脚8与单片机89C51的P2.64引脚相连接；第二个LF398B的管脚1接+15V电压，LF398B的管脚2经1K的滑动变阻R18接电阻R17接地，LF398B的管脚3接样品测试电路的电容C1的一端，实现电压采样信号的输入，LF398B的管脚4接-15V电压，LF398B的管脚5为输出接A/D转换器的输入端，LF398B的管脚6经电容C2与管脚7相连接，LF398B的管脚8与单片机89C51的P2.7引脚相连接。

图3中的A/D转换电路，采用的是连续渐进式ADC0809芯片,8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs，A/D转换电路的输出管脚D0～D7分别接AT89C51的P1.0～P1.7管脚。

图4所示实施例表明，在本实用新型铁磁材料磁滞回线自动测量装置的单片机AT89C51与RS-485通信电路的连接构成中，主处理芯片采用AT89C51单片机，是本实用新型磁滞回线自动测量装置的核心部分，主处理芯片内集成有内置随机存储器RAM和只读存储器ROM，其中，ROM用于存储程序软件；RAM用于存储近阶段的测量数据，以便于用户查询，对电压峰值的异常波动及时做出反映，该功能对电力系统和工业生产过程的监测十分重要；AT89C51单片机自带异步通信接口和外接RS485收发器75LBC184，在AT89C51单片机自带异步通信接口与外接RS485收发器75LBC184之间采用3片光耦进行电气隔离，所述RS-485通信电路采用RS485芯片，采用数据信号差分传输方式，所述外接RS485收发器75LBC184的电源电压范围为4.75V到5.25V，传输数据率为250Kbps，利用所述RS-485通信电路将AT89C51单片机采集处理后的磁场强度H以及磁感应强度B传输到PC机中，实现数据拟合以及磁滞回线的显示，该电路是现有技术。

图5所示实施例表明，本实用新型铁磁材料磁滞回线自动测量装置的主程序流程是：初始化→去磁→磁锻炼→调用Bi、Hi测量子程序→调用数据发送子程序→上位机数据拟合显示曲线→结束。

实施例1

按图1、图2、图3、图4和图5所示实施例，构成本实施例的铁磁材料磁滞回线自动测量装置，其中所用单片机的型号是AT89C51，A/D转换电路采用的是连续渐进式ADC0809芯片，8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs，所测样件为环形铁磁物件，横截面积S=120平方毫米，按磁滞回线测试主回路接线，将150匝的励磁绕组W以及50匝的测量绕组Wk固定在测试样件的两侧，平均磁路L=75毫米。

测试开始，接通电源。

首先，单片机根据用户要求的精度设定采样点，假设7个点作为测试点，则相应的磁化电流为I_m，I₁，I₂，0，-I₂，-I₁及-I_m，此7个电流值相应的磁化电压值可通过单片机控制斩波调压电路对芯片L289N的输出进行改变得到，利用斩波调压电路调节芯片LF289N产生的电压U1大小，采样电压，计算U1/R1，使I_m=1A，进行磁锻炼，设置芯片L289N的使能端EA=1，IN1=1，IN2=0，判断单片机是否发出换向信号，若发出信号则IN1=0，IN2=1进行取反，采样电压信号并计算B和H在PC机中进行数据拟合，直至磁滞回线能成为一对称磁化曲线开始测量。

单片机AT89C51发出信号控制芯片L289N发出的电压值变化，采样电压信号U1，计算电流值是否符合预先设定的电流值I_i，每采样存储一次随后电压值便产生相应的变化，同时当电流需要换向时控制芯片LF289的管脚4、5取反，分别采样当电流从I_m→I₁，I₁→I₂，I₂→0，0→-I₂，-I₂→-I₁，-I₁→-I_m，各个时刻的电压值U1、U2，并输入到单片机AT89C51中进行存储，由单片机AT89C51根据公式式

计算出相应的磁场强度和磁感应强度值，并传输到PC机上进行数据的曲线拟合，从而便能从PC机上读取铁磁材料的磁滞回线。

上述实施例中，所述电压信号采样电路、A/D转换电路、电源电路、单片机与RS-485通信接口电路的连接方法及RS-485通信接口电路均是公知技术；其中所有电路中所涉及元件及其连接方式均是本技术领域的普通技术人员所熟知的，所用到的元器件和PC机都可以通过商购获得。

Claims

1.铁磁材料磁滞回线的自动测量装置，其特征在于：包括样件测量电路、电压信号采集电路、芯片L298N、斩波调压电路、电源电路、A/D转换电路、单片机、RS-485通信电路和PC机；其中，样件测量电路与电压信号采集电路、芯片L298N相连接，电压信号采集电路与A/D转换电路连接，斩波调压电路与芯片L298N相连接，电源电路与电压信号采集电路、芯片L298N、A/D转换电路、斩波调压电路以及单片机相连接，单片机分别与斩波调压电路、电压信号采集电路、A/D转换电路、芯片L298N相连接并实现对它们的控制，单片机通过RS-485通信电路与PC机连接。

2.根据权利要求1所说铁磁材料磁滞回线的自动测量装置，其特征在于：所述样件测量电路，包括环形待测样件、激磁绕组W、测试绕组W_k、电阻R12、电阻R13和电容C1，其中待测样件环两边分别设有激磁绕组W以及测试绕组W_k，激磁绕组W一端与芯片L289N的管脚4相连，激磁绕组W另一端与电阻R12一端和电压信号采样电路共相连接，电阻R12另一端接地；测试绕组W_k一端连接电阻R13一端后并联电容C1，电容C1一端与电压信号采样电路相连接，电容C1另一端接地。

3.根据权利要求1所说铁磁材料磁滞回线的自动测量装置，其特征在于：所述斩波调压电路由电阻R14、电感L1、二极管D1、MOSFET1管和直流电源E1构成，其中，直流电源E1的负极（-）和二极管D1的正极接地，E1的正极（+）与MOSFET1管的源极相连接，MOSFET1管的源极与MOSFET1管的栅极相连接，MOSFET1管的栅极与单片机的管脚P2.4相连接，MOSFET1管的漏极与二极管D1的负极和电感L1的一端相连接，电感L1的另一端与电阻R14串联后接芯片L289的管脚6。

4.根据权利要求1所说铁磁材料磁滞回线的自动测量装置，其特征在于：所述A/D转换电路采用的是连续渐进式ADC0809芯片，8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs。