CN203465407U - 基于示波器和信号发生器的软磁材料磁导率测量实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于示波器和信号发生器的软磁材料磁导率测量实验装置，包括样品架、励磁线圈、感应线圈、信号发生器、采样电阻与示波器；其中：样品架上设置有环形待测软磁材料；环状被测环形软磁材料上绕制有匝励磁线圈与感应线圈；所述信号发生器与励磁线圈间串联，构成励磁回路；励磁回路上串联有采样电阻；所述示波器的测量端A与采样电阻两端相连，测量端B与感应线圈两端相连，形成感应回路。由此，根据采样电阻电压和感应线圈电压，通过安培环路定理和法拉第电磁感应定律可得到被测软磁材料磁导率。本实用新型的优点为：设计简单、成本低、操作简单、测量速度快，适用于测量精度要求低于10%的环形软磁材料测量实验。

Description

基于示波器和信号发生器的软磁材料磁导率测量实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种实验装置，具体来说，是一种基于示波器和信号发生器的软磁材料磁导率测量实验装置，用于环形软磁材料磁导率的测量实验。

背景技术

随着现代电子技术及通信技术的发展，软磁材料在通信，航天，以及与民用相关的磁测量领域的应用日益广泛，典型应用包括变压器磁芯、无线通信核心电路的电感磁芯、用于卫星姿态调整的磁力矩器以及具有极高灵敏度的磁通门传感器磁芯。磁导率是研究以及应用软磁材料时人们关心的重要技术指标之一。

根据磁性材料学基本理论，软磁材料的磁导率不仅与样品材料的物理化学性质有关，而且与样品的几何形状，磁化历史，所处环境温度以及内部应力相关。磁导率测量一般是通过在一定形状的被测样品上绕制线圈，这样被测样品和线圈就形成了一个电感，通过测量该电感反演计算出软磁材料的磁导率。典型方法包括LC谐振法，信号反射延时法和脉冲法测量。其中，LC谐振法通过LC振荡电路测量谐振频率从而反演电感测出材料磁导率；信号反射延时法通过测量激励信号与感应信号的延时（相位）计算电感从而测量样品磁导率；脉冲法通过脉冲电流激励，测量感应线圈的二次感应电流强度反演电感，计算样品磁导率。以上测量装置往往需要复杂的测量装置和测量流程。

目前使用专用仪器诸如Agilent4365阻抗分析仪及相应夹具（16454A）的磁导率测量方法也是基于上述原理，但上述装置的成本极其昂贵，一般阻抗分析仪的价格在十到二十万元不等。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提出一种设计简单，费用低，操作简单的基于示波器和信号发生器的软磁材料磁导率测量实验装置，适用于测量精度要求低于10%的环形样品测量实验。

一种基于示波器和信号发生器的软磁材料磁导率测量实验装置，包括样品架、励磁线圈、感应线圈、信号发生器、采样电阻与示波器；其中：样品架上设置有环形待测软磁材料；环状被测环形软磁材料上绕制有匝励磁线圈与感应线圈；所述信号发生器与励磁线圈间串联，构成励磁回路；励磁回路上串联有采样电阻；所述示波器的测量端A与采样电阻两端相连，测量端B与感应线圈两端相连，形成感应回路。由此，根据采样电阻电压和感应线圈电压，通过安培环路定理和法拉第电磁感应定律可得到被测软磁材料磁导率。

本发明专利的优点为：

1、本实用新型软磁材料磁导率测量实验装置，设计简单、成本低（不到五千元）、操作简单、测量速度快，适用于测量精度要求低于10%的环形软磁材料测量实验；

2、本实用新型软磁材料磁导率测量实验装置，丰富了物理实验内容，提高参与实验学生的理论和动手能力。

附图说明

图1本实用新型整体结构示意图。

图中：

1-样品架      2-励磁线圈  3-感应线圈

4-信号发生器  5-采样电阻  6-示波器

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。

本实用新型软磁材料磁导率测量实验装置，包括样品架1、励磁线圈2、感应线圈3、信号发生器4、采样电阻5与示波器6。

其中，样品架1采用水平可调的印制电路板，既可以使用PCB工艺完成电路连接，也可以利用印制电路板的无磁性和较好的机械结构性能对环形被测软磁材料进行测量和固定；样品架1上表面用来设置环状被测环形软磁材料。环状被测环形软磁材料上绕制有10～100匝励磁线圈2与感应线圈3。

信号发生器4与励磁线圈2间串联，构成励磁回路；信号发生器4用来向励磁线圈2上施加特定频率的励磁电压。本实用新型中信号发生器4可产生正弦信号，正弦信号的峰值在0～20V内可调，频率在10～100K内可调。

采样电阻5串联在励磁回路上，用于间接地测量励磁线圈2中的电流。本实用新型中采样电阻5的精度等级为千分之一，采样电阻5阻值取值范围为0.1～10欧姆，优选为为2欧姆。

示波器6的测量端A与采样电阻5两端相连，用于测量采样电阻5上电压；测量端B与感应线圈3两端相连，形成感应回路，用来测量感应线圈3电压；本实用新型中采用ADS1202示波器6，具有X-Y工作模式，且具有至少2个信号测量通道，可以实现X-Y模式显示，由此通过示波器6将测得的采样电阻5电压和感应线圈3电压通过X-Y显示模式在示波器6屏幕上进行显示。由此，根据采样电阻5电压和感应线圈3电压，通过安培环路定理和法拉第电磁感应定律可得到被测软磁材料磁导率，具体为：

在励磁回路中，根据安培环路定理，稳恒磁场中，磁场强度H沿任何闭合路径L的线积分，等于该闭合路径所包围的各个电流（i为电流个数）个数的代数和，即：

（1）

式（1）中，∮_L是环路积分符号？，

是环路积分的积分变量。

假设软磁材料磁导率测量装置的磁力线在环形被测软磁材料中形成闭合曲线，且截面积处处相等，则对于环绕于环形被测软磁材料表面上的N匝通电电流为I的励磁线圈2，可将式（1）简化为：

$\mathrm{NI}=\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{D}H---\left(2\right)$

式（2）中，

为环形被测软磁材料的平均直径；I为励磁线圈2中的电流，电流I通过示波器6测量采样电阻5两端的电压V_s，通过V_s/R_s获得，R_s为采样电阻5阻值；从而根据公式（2）可得到励磁磁场强度H。

在感应回路中，被测环形软磁材料被励磁磁场磁化，感应回路中磁感应强度B为：

B＝μ₀μ_rH  （3）

式（3）中，μ₀、μ_r分别为真空磁导率和被测环形软磁材料相对磁导率。

令感应线圈3均匀环绕于被测环形软磁材料周围，则根据法拉第电磁感应定律及式（3），可得到感应线圈两端的感应电压幅值为：

式（4）中，n为感应线圈3的匝数；

为每匝感应线圈3的磁通量；A为感应线圈3的截面积；

令励磁回路由信号发生器4产生的频率为f的正弦信号加载在励磁线圈上，励磁线圈2产生励磁电流I＝I₀sin(2πft)，I₀为励磁电流幅值，则代入式（2）有：

$H={\mathrm{NI}}_0\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)/\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{D}---\left(5\right)$

将式（5）代入式（4），整理后，得到感应电压幅值：

$V_j=-2\mathrm{fnA}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{NI}}_0/\stackrel{\‾}{D}---\left(6\right)$

根据欧姆定律，可知：

励磁线圈2中的励磁电流流过采样电阻，在采样电阻上产生采样电压V_s，因此，可知：

$I_0=\frac{V_s}{R_s}---\left(7\right)$

由此将式（7）代入式（6）得到：

$V_j=-2\mathrm{fnA}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{NV}}_s/\stackrel{\‾}{D}{R}_s---\left(8\right)$

则被测软磁材料的相对磁导率为：

${\mathrm{\μ}}_r=-\frac{V_j}{V_s}\frac{\stackrel{\‾}{D}{R}_s}{2{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{fNnA}}---\left(9\right)$

由此，在进行测量实验时，可通过测量环形被测软磁材料的截面积A，平均直径D，然后在环形被测软磁材料上分别绕制N匝励磁线圈2和n匝感应线圈3，并选定采样电阻5R_s，使用信号发生器4提供频率为f的励磁信号，最后通过示波器6测量采样电阻5电压及感应电压的幅值V_s、V_j，分别为代入式（9）即可获得材料相对磁导率。

Claims (7)

1.基于示波器和信号发生器的软磁材料磁导率测量实验装置，其特征在于：包括样品架、励磁线圈、感应线圈、信号发生器、采样电阻与示波器；其中：

样品架上设置有环形待测软磁材料；环状被测环形软磁材料上绕制有匝励磁线圈与感应线圈；所述信号发生器与励磁线圈间串联，构成励磁回路；励磁回路上串联有采样电阻；所述示波器的测量端A与采样电阻两端相连，测量端B与感应线圈两端相连，形成感应回路。

2.如权利要求1所述的基于示波器和信号发生器的软磁材料磁导率测量实验装置，其特征在于：所述样品架采用水平可调的印制电路板。

3.如权利要求1所述的基于示波器和信号发生器的软磁材料磁导率测量实验装置，其特征在于：所述励磁线圈与感应线圈为10～100匝。

4.如权利要求1所述的基于示波器和信号发生器的软磁材料磁导率测量实验装置，其特征在于：所述信号发生器产生正弦信号，正弦信号的峰值调节范围为0～20V，频率调节范围为10～100K。

5.如权利要求1所述的基于示波器和信号发生器的软磁材料磁导率测量实验装置，其特征在于：所述采样电阻的精度等级为千分之一，采样电阻阻值取值范围为0.1～10欧姆。

6.如权利要求1所述的基于示波器和信号发生器的软磁材料磁导率测量实验装置，其特征在于：所述采样电阻阻值为2欧姆。

7.如权利要求1所述的基于示波器和信号发生器的软磁材料磁导率测量实验装置，其特征在于：所述示波器采用ADS1202示波器，具有X-Y工作模式，且具有至少2个信号测量通道。

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