摘　要：介紹了磁滯回線測(cè)量中的定標(biāo)方法,與標(biāo)樣參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,分析了誤差來源。給出了磁滯回線測(cè)量原理,并對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量電路進(jìn)行了改進(jìn)。

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,與其密切相關(guān)的軟磁材料及其性能測(cè)量引起了人們的高度重視。軟磁材料絕大多數(shù)都用作工作在動(dòng)態(tài)磁化條件下的磁性器件^[1],如開關(guān)電源變壓器磁芯、回掃變壓器磁芯、濾波器磁芯等。磁性產(chǎn)品性能的好壞主要取決于作為導(dǎo)磁材料的磁心的性能^[2]。因此設(shè)計(jì)者迫切需要知道軟磁材料在實(shí)際應(yīng)用條件下的磁性能。而磁滯回線包含了體現(xiàn)磁材料性能的參數(shù),如矯頑力、剩磁等,有了這些參數(shù)才能進(jìn)行最佳的設(shè)計(jì)。由于交流磁滯回線的形狀受多種因素的影響,定量測(cè)量交流磁參量涉及到復(fù)雜的原理和計(jì)算,所以測(cè)量結(jié)果存在一定的誤差。本文將著重?cái)⑹霁@取參數(shù)的原理和方法,并作出誤差分析。
圖1 磁滯回線測(cè)量原理
1 測(cè)量原理
　　測(cè)量動(dòng)態(tài)回線的方法很多,經(jīng)常使用的有示波器法、鐵磁儀法和采樣法等^[3]。這里介紹示波器法。此方法就是利用一般陰極射線示波器直接顯示交流回線,由于簡(jiǎn)單可靠,在工業(yè)測(cè)量中有著廣泛的應(yīng)用。這些方法的測(cè)量原理都是相同的,具體如圖1所示^[4]。圖1中,N₁和N₂分別為樣品的磁化線圈和測(cè)量線圈的匝數(shù);R₁為串入樣品初級(jí)線圈回路的小電阻;e₂為樣品測(cè)量線圈上的感應(yīng)電壓;u_r1為小電阻R₁上因磁化電流通過而產(chǎn)生的電壓。感應(yīng)電壓e₂與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系為:
　　
　　式(1)中,S為標(biāo)準(zhǔn)磁環(huán)的面積。在圖1中,電壓降ur1與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系可用下式表示:
　　
　　式(2)中,l為平均磁路長(zhǎng)度,對(duì)于環(huán)行樣品,為磁環(huán)的平均直徑。
　　線路里R、C和運(yùn)放構(gòu)成了R-C積分器,當(dāng)R、C取值適當(dāng),即時(shí),可得積分器的輸出值為:
　　
　　因?yàn)殡娐窞榉聪喾e分器,所以為了反映正相的B,在積分器前加了反相器。由式(2)、(3)可以看出,電壓u_r1和u_y分別正比于H和B。這樣就會(huì)在示波器屏幕上顯示出B=f(H)回線。
　　磁滯回線測(cè)量的原理如上所述,而實(shí)驗(yàn)中得到的曲線存在兩大不足:一是回線不清楚,B曲線和H曲線均有失真,原因是反相器和積分器不理想,如漂移、自激等都會(huì)影響曲線的質(zhì)量;二是由于信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)功率小,激勵(lì)電流小,小磁環(huán)很難達(dá)到飽和,幾乎得不到高頻磁滯回線。為此需進(jìn)行以下改進(jìn)得到高頻磁滯回線。
圖2 改進(jìn)后的測(cè)量電路
2 測(cè)量電路的改進(jìn)
　　圖2為改進(jìn)后的測(cè)量電路,采用了TDA2006功率放大器作功率輸出級(jí),從而得到高頻輸入信號(hào),增大激勵(lì)電流,使磁環(huán)達(dá)到飽和。TDA2006的特點(diǎn)是通頻帶寬、高頻特性好、噪聲小、失真系數(shù)小。片內(nèi)設(shè)置了各種保護(hù)電路,對(duì)電流浪涌、過壓和負(fù)載短路等異常情況都有較強(qiáng)的適應(yīng)性,應(yīng)用方便,可以獲得大的不失真功率。達(dá)到的性能指標(biāo)如下:
　　(1)頻率響應(yīng)范圍50Hz～100kHz,±3dB
　　(2)閉環(huán)增益:30dB;開環(huán)增益:75dB
　　(3)諧波失真(1kHz時(shí)):0.1%(8W 8Ω)
　　(4)最大輸出功率:12W(4Ω)
　　(5)最大輸出電流:2.5A
　　此外,由測(cè)量原理圖(圖1)可以看出,加入了反相器,反相器不會(huì)是完全理想化的,其比例電阻也不會(huì)很精確,這樣會(huì)引起測(cè)量上的誤差,為此把積分器改為同相積分器。其中,R_f的用途是提供直流反饋,使失調(diào)電壓不連續(xù)對(duì)C充電,否則會(huì)導(dǎo)致放大器處于極限狀態(tài);R₁C₁是相位置后補(bǔ)償電路,以消除自激振蕩,并改善高頻時(shí)的負(fù)載特性,這一點(diǎn)也非常重要。由于集成運(yùn)算放大器內(nèi)部是由多級(jí)放大器組成的,每級(jí)放大器的輸出及后級(jí)放大器的輸入都存在輸入、輸出阻抗及分布電容,級(jí)間會(huì)產(chǎn)生R-C移相網(wǎng)絡(luò),這樣信號(hào)通過每一級(jí)后就產(chǎn)生了附加相位。在電路調(diào)試初期,沒有這個(gè)相位補(bǔ)償電路,B信號(hào)為一條粗帶,得到的磁滯回線非常模糊。C₂是隔直電容,可以濾除直流分量。另外,由于測(cè)試頻率范圍較寬,為了適應(yīng)高、低頻信號(hào)的需要,可以對(duì)積分電容C分檔^[6],以適應(yīng)各檔頻率的積分時(shí)間。
圖 3 f=60kHz時(shí)的B-H回線
3 定標(biāo)計(jì)算
　　改進(jìn)后的電路測(cè)量的磁滯回線如圖3所示。該圖形是由數(shù)碼相機(jī)在示波器上拍攝下來的。示波器上顯示的僅僅是測(cè)量電流和電壓的相位關(guān)系,如要得到B-H的關(guān)系曲線和具體的性能參數(shù),還要進(jìn)行定標(biāo)轉(zhuǎn)換。結(jié)合實(shí)際測(cè)量電路,由公式(2)、(3)得出最大磁場(chǎng)強(qiáng)度H_m和最大磁感應(yīng)強(qiáng)度B_m的計(jì)算公式^[7]為:
　　
　　
　　當(dāng)激勵(lì)頻率f=60kHz時(shí),從示波器上讀出初級(jí)輸入電壓最大幅值U_R2m =1.65V,次級(jí)電壓U_bm=0.95V,N₁=N₂=5(N₁、N₂分別為小磁環(huán)初、次級(jí)線圈匝數(shù)),小磁環(huán)內(nèi)徑D_內(nèi)=6.18mm,外徑D_外=10.3mm,高h(yuǎn)=5.10mm。經(jīng)計(jì)算橫截面積S=1.0506×10^-5m²,平均直徑D=8.24mm,積分電阻R=1kΩ,積分電容C=0.022μF,取樣電阻R₂=4.3Ω。經(jīng)計(jì)算,H_m=76.37A/m,B_m=396.72mT。然后按照示波器熒光屏上剩磁B_r和矯頑力H_c相對(duì)B_m和H_m的比例,可以算出它們的具體數(shù)值:H_c=1.65/8H_m=15.675A/m,B_r=1.8/4.9B_m=145.73mT。
4 結(jié)果的比較及誤差分析
　　經(jīng)定標(biāo)計(jì)算得到MnZn鐵氧體磁環(huán)的重要參數(shù)剩磁B_r和矯頑力H_c。將測(cè)量的結(jié)果與使用日本巖崎通信有限公司生產(chǎn)的SY-8232交流B-H分析儀所得的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。該測(cè)試是委托信息產(chǎn)業(yè)部磁性產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心完成的。SY-8232的測(cè)試結(jié)果為:B_r=147.45mT,H_c=16.078A/m。誤差分別為:σ_Br=(147.45-145.73)/147.45=1.2%,σ_Hc=(16.078-15.675)/15.675=2.5%。示波器法測(cè)量磁滯回線參數(shù)的誤差一般小于7%^[8],該測(cè)試結(jié)果的誤差在這個(gè)范圍之內(nèi)。為了進(jìn)一步提高測(cè)量的精度,改善測(cè)量系統(tǒng)的性能,有必要分析一下可能引起測(cè)量誤差的各種因素。對(duì)于本測(cè)試電路來說主要有以下幾點(diǎn):
　　(1)樣品形狀參數(shù)的影響
　　樣品的形狀、尺寸也會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)磁參數(shù)有所影響[7],本文采用的是環(huán)行樣品。平均磁路l=2π(D_內(nèi)+D_外)/2,環(huán)中的平均磁場(chǎng)強(qiáng)度為:
　　
　　(2)積分器的影響
　　積分器是用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的,理想化的集成運(yùn)放應(yīng)具有無限大的差模輸入阻抗、趨于零的輸出阻抗、無限大的共模抑制比、無限大的頻帶寬度以及趨于零的失調(diào)和漂移^[10]。實(shí)際上集成運(yùn)放不可能具有上述理想特性。另外,積分電阻和電容也不是純電阻和電容,有一定的分布參數(shù),一般表達(dá)式為:
　　R=R₀(1+jωτ)　   (7)
　　C=C₀(1-jtgδd)　(8)
　　式中,R₀和C₀為純電阻、純電容,τ是電阻的時(shí)間常數(shù),tgδ_d為電容損耗正切角。為了使積分器有較低的誤差,除了選擇合適的RC數(shù)值,滿足ωRC>>1外,還應(yīng)選取τ很低的電阻和tgδ_d趨于零的積分電容。
　　(3)磁心線圈及取樣電阻的影響
　　本文中激勵(lì)信號(hào)為正弦波,若磁心線圈是線性元件,則根據(jù)歐姆定律可知,通過磁心線圈的激勵(lì)電流也是正弦的。但是,實(shí)際的磁心線圈是非線性元件,所以磁化電流和電壓必為畸變的波形。較多的初次級(jí)線圈匝數(shù)也會(huì)使回線變形,原因是線圈多了,匝間分布的電容加大,通過分布電容的位移電流加大,當(dāng)然會(huì)使回線變形。另外,H路信號(hào)的電壓是從取樣電阻上獲得的,為了保證B為正弦波,取樣電阻阻值要低,且有很大的功率,并要求它是無感的。實(shí)際的電阻不是理想的,其分布電容和電感使H信號(hào)隨著頻率的升高而失真。本文采用的是10W的線繞電阻,若采用金屬膜電阻,可減小誤差。
　　此外,環(huán)境條件也對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定的影響。測(cè)試中應(yīng)保持溫度恒定,還要遠(yuǎn)離電磁場(chǎng)。