CN203881921U - 一种磁性材料的磁参数测量装置 - Google Patents

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王为善
高倩
沃松林
韩晓新
贺乃宝
樊寅逸
吴建明
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Abstract

本实用新型提供一种磁性材料的磁参数测量装置，包括用于缠绕在被测量磁性材料上的线圈绕组、用于改变线圈绕组两端电压的调压电路、用于移相使输出电压与线圈绕组输入电流同相位的积分器、用于读取线圈绕组瞬时电流、积分器输出电压以及观察磁滞回线的双踪示波器、用于电流取样的取样电阻、用于监控流过线圈绕组中电流值的电流表以及用于监控积分器输出电压的电压表。本实用新型结构简单、成本较低、测量精度可控。

Description

一种磁性材料的磁参数测量装置
技术领域
本实用新型涉及电磁检测技术领域，具体涉及一种用于磁性材料的磁参数测量装置。
背景技术
磁性材料是生产、生活、国防科技中广泛使用的材料。磁性材料还在地矿探测、海洋探测以及信息、能源、生产和空间技术等多领域获得广泛的应用。磁场、磁参数的测量是磁学基础研究、磁性材料及元器件工业的重要组成部分，电工测量技术中一个不可缺少的分支。磁性材料常用的磁参数包括磁感应强度B、磁场强度H和磁化强度M。磁参数的测量方法的原理一般根据磁场与物质相互作用的规律，利用传感器或相关装置将磁参数转换成易于测量的如电压、电流等物理量进行测量。目前，用于测量磁性材料磁参数的装置和测量方法已较多见，但常见的磁性材料磁参数的测量装置结构复杂，成本较高，测量方法比较繁琐，使用不便。
实用新型内容
本实用新型的目的是：提供一种结构简单、成本较低、使用方便且测量精度可控的磁性材料的磁参数测量装置。
本实用新型的技术方案是：本实用新型的磁性材料的磁参数测量装置，其结构特点是：包括调压电路、电流表、取样电阻、线圈绕组、双踪示波器、积分器和电压表；
上述的调压电路设有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；电流表具有输入端和输出端；线圈绕组设有初级线圈和次级线圈，且初级线圈和次级线圈相互缠绕；线圈绕组的初级线圈具有第一输入端和第二输入端；线圈绕组的次级线圈具有第一输出端和第二输出端；双踪示波器具有第一信号输入端、第二信号输入端和接地端；积分器设有第一输入端、第二输入端和输出端；电压表具有第一输入端和第二输入端；
电流表的输入端与调压电路的第一输出端电连接；调压电路的第二输出端、取样电阻的一端以及双踪示波器的第一信号输入端共线；电流表的输出端与线圈绕组的初级线圈的第一输入端电连接；取样电阻的另一端、线圈绕组的初级线圈的第二输入端以及双踪示波器的接地端均接地；积分器的第一输入端与线圈绕组的次级线圈的第一输出端电连接；积分器的第二输入端与线圈绕组的次级线圈的第二输出端电连接并接地；积分器的输出端、电压表的第一输入端以及双踪示波器的第二信号输入端共线；电压表的第二输入端接地。
进一步的方案是：还包括保险丝FUSE1，上述的保险丝FUSE1的一端与调压电路的第一输入端电连接；使用时，保险丝FUSE1的另一端以及调压电路的第二输入端外接交流电源。
进一步的方案是：上述的调压电路包括电源开关S1、滑动变阻器W和双刀单掷开关S3；电源开关S1的一端与双刀单掷开关S3的一个静刀口接线端因共线而形成一个公共接点，该公共接点即为上述的调压电路的第一输入端；电源开关S1的另一端与滑动变阻器W的一个固定接线端电连接；滑动变阻器W的另一个固定接线端即为上述的调压电路的第二输入端；滑动变阻器W的滑动接线端与双刀单掷开关S3的另一个静刀口接线端电连接；双刀单掷开关S3的2个动刀口接线端即为上述的调压电路的第一输出端和第二输出端。
进一步方案是：上述的积分器包括积分控制开关S2、电阻R2、电容C1、电阻R3和运算放大器AR1；
积分控制开关S2的一端即为上述的积分器的第一输入端；积分控制开关S2的另一端与电阻R2的一端电连接；电阻R2的另一端、运算放大器AR1的反相输入端、电容C1的一端以及电阻R3的一端共线；运算放大器AR1的正相输入端即为上述的积分器的第二输入端；电容C1的另一端、电阻R3的另一端以及运算放大器AR1的输出端因共线而形成一个公共接点，该公共接点即为上述的积分器的输出端。
进一步的方案还有：上述的积分器输出电压为                                                ；相对误差为Er； 
  
从而相对误差Er的要求，相应确定上述的运算放大器AR1的放大倍数K、积分电阻R2、积分电容C1以及运算放大器AR1的输入电阻的取值。
本实用新型具有积极的效果：（1）本实用新型的磁性材料的磁参数测量装置，结构简单、成本较低。（2）本实用新型的磁性材料的磁参数测量装置，可按照测量误差的要求，相应选定积分器中相关元器件的参数，从而实现高精度的测量。（3）本实用新型的磁性材料的磁参数测量装置，用于测量时，使用操作简便，方便易行。
附图说明
图1为本实用新型的磁性材料的磁参数测量装置的电路结构框图；
图2为图1的一种电原理图；图中显示了外接的220V交流电源并示意性地画出了作为一种被测磁性材料的磁环T1；
图3为图2中积分器的工作原理示意图；
图4为本实用新型使用时用于测量磁性材料的磁参数的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
（实施例1）
见图1，本实施例的磁性材料的磁参数测量装置，主要由保险丝、调压电路、电流表、取样电阻、线圈绕组、双踪示波器、积分器和电压表组成。
调压电路设有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；电流表具有输入端和输出端；线圈绕组设有初级线圈和次级线圈，且初级线圈和次级线圈相互缠绕；线圈绕组的初级线圈具有第一输入端和第二输入端；线圈绕组的次级线圈具有第一输出端和第二输出端；双踪示波器具有第一信号输入端、第二信号输入端和接地端；积分器设有第一输入端、第二输入端和输出端；电压表具有第一输入端和第二输入端。
电流表的输入端与调压电路的第一输出端电连接；调压电路的第二输出端、取样电阻的一端以及双踪示波器的第一信号输入端共线；电流表的输出端与线圈绕组的初级线圈的第一输入端电连接；取样电阻的另一端、线圈绕组的初级线圈的第二输入端以及双踪示波器的接地端均接地；积分器的第一输入端与线圈绕组的次级线圈的第一输出端电连接；积分器的第二输入端与线圈绕组的次级线圈的第二输出端电连接并接地；积分器的输出端、电压表的第一输入端以及双踪示波器的第二信号输入端共线；电压表的第二输入端接地。
保险丝的一端与调压电路的第一输入端电连接；使用时，保险丝的另一端以及调压电路的第二输入端外接交流电源。
见图2，前述的调压电路主要由电源开关S1、滑动变阻器W和双刀单掷开关S3组成。电源开关S1的一端与双刀单掷开关S3的一个静刀口接线端因共线而形成一个公共接点，该公共接点即为前述的电流换相电路的第一输入端；电源开关S1的另一端与滑动变阻器W的一个固定接线端电连接；滑动变阻器W的另一个固定接线端即为前述的调压电路的第二输入端；滑动变阻器W的滑动接线端与双刀单掷开关S3的另一个静刀口接线端电连接；双刀单掷开关S3的两个动刀口接线端即为前述的电流换相电路的第一输出端和第二输出端；
前述的保险丝即为图2中的FUSE1；电流表即为图2中的电流表A；前述的取样电阻即为图2中的电阻R1；前述的电压表即为图2中的电压表V；前述的双踪示波器即为图2中的OSC1，其X轴信号输入端和Y轴信号输入端即为前述的双踪示波器的第一信号输入端和第二信号输入端，其GND端即为前述的双踪示波器的接地端；前述的线圈绕组的初级线圈即为图2中的L1，次级线圈即为图2中的L2。双踪示波器OSC1用于读取电流瞬时值、积分器输出电压值以及观察被测磁性材料的磁滞回线。电流表A用于监控线圈绕组流过的电流值；电压表V用于监控积分器输出的电压值。电流表A和伏特表V监控的主要目的是防止电流值和电压值超过双踪示波器的量程。
积分器由积分控制开关S2、电阻R2、电容C1、电阻R3和运算放大器AR1组成。
积分控制开关S2的一端即为前述的积分器的第一输入端；积分控制开关S2的另一端与电阻R2的一端电连接；电阻R2的另一端、运算放大器AR1的反相输入端、电容C1的一端以及电阻R3的一端共线；运算放大器AR1的正相输入端即为前述的积分器的第二输入端；电容C1的另一端、电阻R3的另一端以及运算放大器AR1的输出端因共线而形成一个公共接点，该公共接点即为前述的积分器的输出端。
积分器的作用是用于移相，使输出电压与线圈绕组输入电流同相位。积分器中，电阻R2和电阻R3的选择需要满足R3C1＞＞R2C1；电阻R3起到稳定输出电压作用，需要足够大的阻值。
参见图3，图中，,分别为运算放大器AR1自身具有的输入和输出电阻；R2为积分电阻，C1为积分电容；Ui和U0分别为积分器的输入和输出电压；积分器中的电路元器件的相关参数的确定可根据积分器的输出电压的相对误差要求进行选择确定。换句话说，通过控制输出电压的相对误差的大小，实现本装置测量的精度可控：
        （1）
         (2)  式中，K为运算放大器AR1的放大倍数； 
因此有：
  (3)
          (4) 
将式（4）代入式（1）得到
     （5）
又因为：
  代入式（5）得到：
式（4）代入式（5）得到
化简得到
当很大，时，
，
若K>>1时，
      (6)，
输出电压U0与输入电压的积分成正比关系，相对误差为：
  
从而根据相对误差Er的要求，由上式相应确定运算放大器AR1的放大倍数K、积分电阻R2、积分电容C1以及运算放大器AR1的输入电阻的取值。
（应用例）
下面以磁环为例，说明前述实施例的磁性材料的磁参数测量装置用于测量磁性材料的磁参数的方法：
仍见图2，被测的磁环T1的内外直径分别为d和D；线圈绕组的初级线圈L1和次级线圈L2匝数相同，均为n匝。
测量方法主要包括以下步骤：
①将线圈绕组的初级线圈L1和次级线圈L2缠在一起，并同时缠绕在被测量磁环T1上；
②加电，由双踪示波器读取流过线圈绕组的电流示数I；安培表监控流过线圈绕组中的电流；若磁场强度为H，由安培环路定律得到：
，
因被测材料为磁环，上式可改写为
， 式中，n为线圈的匝数；为磁环T1中心的平均周长；
从而计算得出磁场强度H；
③因磁环T1的磁通量与该处的磁感应强度B有如下关系：
　 　　　　　　　　　
其中n和S分别为磁环T1上的线圈匝数和磁环的有效磁通面积；线圈绕组中通以交变电流，在线圈绕组中产生交变的磁场，引起磁通量的改变： 
　　　　  (7)；
忽略漏感，此时磁环T1次级线圈中产生的感生电动势为
　，
则
     (8)；
又由于：
　      (6)，　
从而由(6)式、(7)式和(8)式得到： 
　　　(9)
读取双踪示波器的示出的输出电压数值，通过式(9)计算得出磁感应强度B；伏特表监控积分器的输出电压；
④因磁场强度H与磁感应强度B具有以下关系： 
，其中 　，M为磁化强度；
从而：
由计算得到磁化强度M值；
若被测磁性材料中M的数值比H的至少大一个数量级以上时，则磁化强度M可由简化为算出；
⑤由双踪示波器实时观测磁环T1的磁滞回线。
当被测的磁性材料为磁棒或磁块时，测量的原理和方法基本相同。
以上实施例和应用例是对本实用新型的具体实施方式的说明，而非对本实用新型的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本实用新型的专利保护范围。

Claims (4)

1.磁性材料的磁参数测量装置，其特征在于：包括调压电路、电流表、取样电阻、线圈绕组、双踪示波器、积分器和电压表；
所述的调压电路设有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；电流表具有输入端和输出端；线圈绕组设有初级线圈和次级线圈，且初级线圈和次级线圈相互缠绕；线圈绕组的初级线圈具有第一输入端和第二输入端；线圈绕组的次级线圈具有第一输出端和第二输出端；双踪示波器具有第一信号输入端、第二信号输入端和接地端；积分器设有第一输入端、第二输入端和输出端；电压表具有第一输入端和第二输入端；
电流表的输入端与调压电路的第一输出端电连接；调压电路的第二输出端、取样电阻的一端以及双踪示波器的第一信号输入端共线；电流表的输出端与线圈绕组的初级线圈的第一输入端电连接；取样电阻的另一端、线圈绕组的初级线圈的第二输入端以及双踪示波器的接地端均接地；积分器的第一输入端与线圈绕组的次级线圈的第一输出端电连接；积分器的第二输入端与线圈绕组的次级线圈的第二输出端电连接并接地；积分器的输出端、电压表的第一输入端以及双踪示波器的第二信号输入端共线；电压表的第二输入端接地。
2.根据权利要求1所述的磁参数测量装置，其特征在于：还包括保险丝FUSE1，所述的保险丝FUSE1的一端与调压电路的第一输入端电连接；使用时，保险丝FUSE1的另一端以及调压电路的第二输入端外接交流电源。
3.根据权利要求1所述的磁参数测量装置，其特征在于：所述的调压电路包括电源开关S1、滑动变阻器W和双刀单掷开关S3；电源开关S1的一端与双刀单掷开关S3的一个静刀口接线端因共线而形成一个公共接点，该公共接点即为所述的调压电路的第一输入端；电源开关S1的另一端与滑动变阻器W的一个固定接线端电连接；滑动变阻器W的另一个固定接线端即为所述的调压电路的第二输入端；滑动变阻器W的滑动接线端与双刀单掷开关S3的另一个静刀口接线端电连接；双刀单掷开关S3的2个动刀口接线端即为所述的调压电路的第一输出端和第二输出端。
4.根据权利要求1所述的磁参数测量装置，其特征在于：所述的积分器包括积分控制开关S2、电阻R2、电容C1、电阻R3和运算放大器AR1；
积分控制开关S2的一端即为所述的积分器的第一输入端；积分控制开关S2的另一端与电阻R2的一端电连接；电阻R2的另一端、运算放大器AR1的反相输入端、电容C1的一端以及电阻R3的一端共线；运算放大器AR1的正相输入端即为所述的积分器的第二输入端；电容C1的另一端、电阻R3的另一端以及运算放大器AR1的输出端因共线而形成一个公共接点，该公共接点即为所述的积分器的输出端。
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