座人软磁环磁滞回线测量中的定标

软磁环磁滞回线测量中的定标

摘 要：介绍了磁滞回线测量中的定标方法，与标样参数进行对比，分析了误差来源。给出了磁滞回线测量原理，并对传统的测量电路进行了改进。

关键词： 磁滞回线 功率放大器 定标

随着电子信息产业的发展，与其密切相关的软磁材料及其性能测量引起了人们的高度重视。软磁材料绝大多数都用作工作在动态磁化条件下的磁性器件[1]，如开关电源变压器磁芯、回扫变压器磁芯、滤波器磁芯等。磁性产品性能的好坏主要取决于作为导磁材料的磁心的性能[2]。因此设计者迫切需要知道软磁材料在实际应用条件下的磁性能。而磁滞回线包含了体现磁材料性能的参数，如矫顽力、剩磁等，有了这些参数才能进行最佳的设计。由于交流磁滞回线的形状受多种因素的影响，定量测量交流磁参量涉及到复杂的原理和计算，所以测量结果存在一定的误差。本文将着重叙述获取参数的原理和方法，并作出误差分析。

图1 磁滞回线测量原理

1 测量原理

测量动态回线的方法很多，经常使用的有示波器法、铁磁仪法和采样法等[3]。这里介绍示波器法。此方法就是利用一般阴极射线示波器直接显示交流回线，由于简单可靠，在工业测量中有着广泛的应用。这些方法的测量原理都是相同的，具体如图1所示[4]。图1中，N1和N2分别为样品的磁化线圈和测量线圈的匝数；R1为串入样品初级线圈回路的小电阻；e2为样品测量线圈上的感应电压；ur1为小电阻R1上因磁化电流通过而产生的电压。感应电压e2与磁感应强度B的关系为：

式(1)中，S为标准磁环的面积。在图1中，电压降ur1与磁场强度H的关系可用下式表示：

式(2)中，l为平均磁路长度，对于环行样品，为磁环的平均直径。

线路里R、C和运放构成了R-C积分器，当R、C取值适当，即时，可得积分器的输出在需要的地方又方便多喷上1些料值为：

因为电路为反相积分器，所以为了反映正相的B，在积分器前加了反相器。由式(2)、(3)可以看出，电压ur1和uy分别正比于H和B。这样就会在示波器屏幕上显示出B=f(H)回线。

磁滞回线测量的原理如上所述，而实验中得到的曲线存在两大不足：一是回线不清楚，B曲线和H曲线均有失真，原因是反相器和积分器不理想，如漂移、自激等都会影响曲线的质量；二是由于信号发生器输出信号功率小，激励电流小，小磁环很难达到饱和，几乎得不到高频磁滞回线。为此需进行以下改进得到高频磁滞回线。

图2 改进后的测量电路

2 测量电路的改进

图2为改进后的测量电路，采用了TDA2006功率放大器作功率输出级，从而得到高频输入信号，增大激励电流，使磁环达到饱和。TDA2006的特点是通频带宽、高频特性好、噪声小、失真系数小。片内设置了各种保护电路，对电流浪涌、过压和负载短路等异常情况都有较强的适应性，应用方便，可以获得大的不失真功率。达到的性能指标如下：

(1)频率响应范围50Hz～100kHz，±3dB

(2)闭环增益：30dB；开环增益：75dB

(3)谐波失真(1kHz时)：使制作本钱下降20%0.1%(8W 8Ω)

(4)最大输出功率：12W(4Ω)

(5)最大输出电流：2.5A

此外，由测量原理图(图1)可以看出，加入了反相器，反相器不会是完全理想化的，其比例电阻也不会很精确，这样会引起测量上的误差，为此把积分器改为同相积分器。其中，Rf的用途是提供直流反馈，使失调电压不连续对C充电，否则会导致放大器处于极限状态；R1C1是相位置后补偿电路，以消除自激振荡，并改善高频时的负载特性，这一点也非常重要。由于集成运算放大器内部是由多级放大器组成的，每级放大器的输出及后级放大器的输入都存在输入、输出阻抗及分布电容，级间会产生R-C移相络，这样信号通过每一级后就产生了附加相位。在电路调试初期，没有这个相位补偿电路，B信号为一条粗带，得到的磁滞回线非常模糊。C2是隔直电容，可以滤除直流分量。另外，由于测试频率范围较宽，为了适应高、低频信号的需要，可以对积分电容C分档[6]，以适应各档频率的积分时间。

图 3 f=60kHz时的B-H回线

3 定标计算

改进后的电路测量的磁滞回线如图3所示。该图形是由数码相机在示波器上拍摄下来的。示波器上显示的仅仅是测量电流和电压的相位关系，如要得到B-H的关系曲线和具体的性能参数，还要进行定标转换。结合实际测量电路，由公式(2)、(3)得出最大磁场强度Hm和最大磁感应强度Bm的计算公式[7]为：

当激励频率f=60kHz时，从示波器上读出初级输入电压最大幅值UR2m =1.65V，次级电压Ubm=0.95V，N1=N2=5(N1、N2分别为小磁环初、次级线圈匝数)，小磁环内径D内=6.18mm，外径D外=10.3mm，高h=5.10mm。经计算横截面积S=1.0506×m2，平均直径D=8.24mm，积分电阻R=1kΩ，积分电容C=0.022μF，取样电阻R2=4.3Ω。经计算，Hm=76.37A/m，Bm=396.72mT。然后按照示波器荧光屏上剩磁Br和矫顽力Hc相对Bm和Hm的比例，可以算出它们的具体数值：Hc=1.65/8Hm=15.675A/m，Br=1.8/4.9Bm=145.73mT。

4 结果的比较及误差分析

经定标计算得到M那末nZn铁氧体磁环的重要参数剩磁Br和矫顽力Hc。将测量的结果与使用日本岩崎通信有限公司生产的SY-8232交流B-H分析仪所得的测量结果进行比较。该测试是委托信息产业部磁性产品质量监督检验中心完成的。SY-8232的测试结果为：Br=147.45mT，Hc=16.078A/m。误差分别为：σBr=(147..73)/147.45=1.2%，σHc=(16..675)/15.675=2.5%。示波器法测量磁滞回线参数的误差一般小于7%[8]，该测试结果的误差在这个范围之内。为了进一步提高测量的精度，改善测量系统的性能，有必要分析一下可能引起测量误差的各种因素。对于本测试电路来说主要有以下几点：

(1)样品形状参数的影响

样品的形状、尺寸也会对动态磁参数有所影响[7]，本文采用的是环行样品。平均磁路l=2π(D内+D外)/2，环中的平均磁场强度为：

(2)积分器的影响

积分器是用运算放大器实现的，理想化的集成运放应具有无限大的差模输入阻抗、趋于零的输出阻抗、无限大的共模抑制比、无限大的频带宽度以及趋于零的失调和漂移[10]。实际上集成运放不可能具有上述理想特性。另外，积分电阻和电容也不是纯电阻和电容，有一定的分布参数，一般表达式为：

R=R0(1+jωτ) (7)

C=C0(1-jtgδd) (8)

式中，R0和C0为纯电阻、纯电容，τ是电阻的时间常数，tgδd为电容损耗正切角。为了使积分器有较低的误差，除了选择合适的RC数值，满足ωRC>>1外，还应选取τ很低的电阻和tgδd趋于零的积分电容。

(3)磁心线圈及取样电阻的影响

本文中激励信号为正弦波，若磁心线圈是线性元件，则根据欧姆定律可知，通过磁心线圈的激励电流也是正弦的。但是，实际的磁心线圈是非线性元件，所以磁化电流和电压必为畸变的波形。较多的初次级线圈匝数也会使回线变形，原因是线圈多了，匝间分布的电容加大，通过分布电容的位移电流加大，当然会使回线变形。另外，H路信号的电压是从取样电阻上获得的，为了保证B为正弦波，取样电阻阻值要低，且有很大的功率，并要求它是无感的。实际的电阻不是理想的，其分布电容和电感使H信号随着频率的升高而失真。本文采用的是10W的线绕电阻，若采用金属膜电阻，可减小误差。

此外，环境条件也对测试结果有一定的影响。测试中应保持温度恒定，还要远离电磁场。

参考文献

1 周文生．磁性测量原理[M]．北京：电子工业出版社，1988

2 王 永．具有直流偏磁交流磁滞回线的测量［J］．磁性材料与器件，2001；32(3)

3 梅文余．硅钢磁性测量［M］．北京：机械工业出版社，1993

4 张晓兵．磁滞回线测试系统的改进[J]．电子器件，2000；23(4)

5梅文余．动态磁性测量[M]．北京：机械工业出版社，1985 (end)