正交能谱法动态磁性能测试系统
A Dynamic Magnetic Characteristics Testing System Using Gross Power Spectrum Method

[摘要] 本文介绍了一种宽频带动态磁性能测试系统--SY-8216型B-H分析仪。对该系统的正交能谱法测试原理作了说明，把正交能谱法与其它方法进行了比较。并对仪表的精度与误差进行了分析。
关键词: 正交能谱法 动态磁性能 铁芯损耗
Abstract: In this article a wide frequency band dynamic magnetic characteristics
testing system--SY-8216 B-H analyzer is introduced.The test principle of cross power
spectrum method of this system is illuminated.The cross power spectrum method is
also compared with other mathods. The accuracy ard error of the instrument are
analyzed as well.
Key Words: Corss Power Spectrum Method， Dynamic Magnetic Characteristics， Core Loss

一、引 言
软磁材料的性能可分为静态性能和动态性能。人们在设计磁性元件如各种变压器、电感器时，需要了解由软磁材料制作的铁芯在工作状态下的磁性能，一般是50Hz以上的动态磁性能，以决定元件的工作状态和结构参数。所以软磁材料的动态磁性能测试在磁性元件设计中显得非常重要。随着电子技术的发展，磁性元件趋于高频化、小型化。如开关电源的工作频率已经达到200KHz~ 500KHz甚至更高。对于高频磁性元件的设计，尤其需要掌握所采用的软磁材料如铁氧体、非晶态在高频下的性能。因此如何测试材料及铁芯在一个比较宽的频带范围（低至几十赫，高至几百千赫）内的动态磁性能，成为磁性元件设计与制造中的一个重要问题。

二、动态磁性能测试技术的新进展
软磁材料的动态磁性能测试包括给定频率和磁感条件下的损耗Pc测试及给定频率和磁场条件下的最大磁感应强度Bm、最大磁场强度Hm、剩磁Br、矫顽力Hc以及磁导率μ、矩形比α等。对于这些磁性能参数有多种方法测试，如谐振法、电桥法、乘积法等。谐振法、电桥法是最基本的方法，例如电桥法是给样品施加设定的激磁电压，然后反复调节电桥的平衡电阻器和电容器使电桥平衡指示器偏转最小。这些方法使用的测试系统原理简单、价格便宜，但是由于靠人工调节测试设备，测试缓慢，频带较窄。
随着计算机技术的发展，在动态磁性能测试中发展出乘积法。这种方法利用AD变换器和信号处理单元，将通过铁芯线圈的电压和电流相叉乘来计算铁芯损耗。八十年代起，日本、美国和德国研究开发了多种以乘积法为原理的动态铁芯损耗测试技术，包括伏安瓦法、示波器法、正交能谱法、矢量谱法和功率阻抗分析仪法等。美国Clark公司、惠普公司、日本IWATSU公司相继开发了采用这些技术的测试仪器，工作频率从几赫兹到10兆赫，如258伏安瓦计、HP E5060A测试仪、SY-8216、SY-8232 B-H分析仪等。其中尤以日本岩崎通信机株式会社(IWATSU)的SY系列B-H分析仪为佳，该系列分析仪采用正交能谱法测试技术，可测多种参数，频带宽、测试简捷、精度较高。

三、B-H分析仪介绍
SY-8216型B-H分析仪如图1所示。分析仪的测试功能包括了损耗测试和磁滞回线测试两个基本功能。可以测试软磁材料的损耗Pc、最大磁感应强度Bm、最大磁场强度Hm、剩磁Br、矫顽力Hc、磁导率μ等。测试简便，数字化输入输出，液晶显示。测试频率范围从50Hz到1MHz。测试时间短，低精度测试时只需3秒，这就避免了其它测试方法如电桥法测试时间长使样品温度上升造成的测量误差。其原理图如图2所示。

图1 SY-8216型B-H分析仪

图2 B-H分析仪测试原理图
分析仪根据样品参数和测试条件从振荡器中输出一个测试信号（正弦波：0到±2.5V），样品参数和测试条件通过操作面板或外部控制器（GP-IB）设置。将样品测试线圈连接在测试盒上，由功率放大器放大的激磁信号给样品激磁。这一激磁电流信号（串联在初级线圈上的电阻两端的电压降）和次级线圈的感应电压信号通过数据采集器进行A/D变换，换算成磁场强度(H)和磁感应强度(B) [1]。

四、正交能谱法和多种测试方法的比较
B-H分析仪的测试原理为乘积法中的正交能谱法。正交能谱法和其它乘积法一样，测试结果对于测得的B（或V）和H（或I）之间的相移十分敏感，微小的相移很容易影响损耗测试精度，这种影响在低损耗测试时尤其显著。为了消除相移误差，正交能谱法中激磁电流和感应电压由宽带A/D变换器在时域中转变为数字信号，然后通过快速传立叶变换转换到频域进行频率校正。校正与电压电流测试测量信道相关的相位与幅度，还可校正有关频率范围内的整个相移误差[2]。正交能谱法的基本公式如下：
误差修正前的激磁电流合成谱：

式中，( k·ωo ) 为电流检测电阻两端的电压合成谱
( k·ωo ) 为激磁电流检测电阻的阻抗
ωo为测试频率的角速度
k为采样序数
误差修正后的激磁电流合成谱：

式中，( k·ωo )为激磁电流测试系统转换函数
感应电压和激磁电流的正交能谱：

式中，(k·ωo)为误差修正后的感应电压合成谱
从而得出铁芯损耗：

式中，为初级线圈匝数
为次级线圈匝数
乘积法中的其它方法与正交能谱法比较，在误差修正上各有不同之处。伏安瓦法和示波器法中电压测试信道和电流测试信道之间的相位差将引起测试误差。通过调整信道长度或计算可以消除基频上的相位差，但由于相移是频率的函数，一般很难消除包括谐振频带的整个相移误差。但这两种方法速度快、成本低。
在矢量谱法中，电压和电流信号从一开始就在频域中由带有频率变换器的窄带调谐接收机获得，接收机调到基频和测量电流电压的谐振频率。在计算损耗时，对于正交能谱法，经FFT变换的电压和电流值在包括基频和谐频的连续频率范围内相乘；对于矢量谱法，电压和电流值只在基频和谐频内相乘。这两种方法成本高，但精度也高，并且可显示B-H曲线。正交能谱法测试速度快，矢量谱法灵敏度高。
功率阻抗分析仪法与矢量谱法相似，使用了窄带调谐接收机，但它只能在基频中测量。因此，该方法不适与测量在高畸变状态下的材料。在低畸变状态下测试很精确且有很高的灵敏度，系统造价相当昂贵。

五、仪表精度与误差分析
根据上述测试原理，SY-8216 B-H分析仪精度由测试电流和电压（磁通密度）以及它们之间的相位差的测试精度而决定。
铁芯损耗精度为

式中，△H为激磁电流精度（%）；
△B为磁通密度幅值精度(%);
θ为铁芯测试相位（deg）；
△θ为相位精度（rad）。
激磁电流的幅值精度由电流检波器、数字采集器和特征校正运算器决定，为±2%; 磁通密度的幅值精度由磁通检波器、数字采集器和特征校正运算器决定，为±2%; 相位精度由特征校正运算器决定，为±0.1 度。
为了检验仪表的测试精度，我们使用一只MB8非晶环形铁芯，铁芯参数Le=23.60mm， Ae=1.690 ， Ve=39.30， We=0.310g，测试匝数N1=N2=5，测试条件为f=10KHz， Hm=200A/m。在低精度条件下对样品进行12次重复测试，测试铁芯损耗和磁滞回线各特征点，对测得的每一种参数计算其平均值、最大值、最小值、最大偏差（=最大值-最小值）、测试精度[=（最大值-最小值）/平均值]、均方差。测试结果如表1。
根据表1，Bm、Br、Hm、ma的测试精度都在1%以内，是正常的;Hc的精度为3%，Pcv的精度为9.4%，符合说明书上规定的±5%的指标。但我们认为，SY-8216 B-H分析仪对于损耗和矫顽力的测试精度与其它参数相比略嫌不足。当然，与其它动态损耗测试仪器比，其精度还是高的。

鉴于相位差是影响损耗测试精度的重要因素，我们还对分析仪的相位精度作了检测。检测时采用一只1kW的金属膜电阻，接在测试盒的接线柱上。输入测试参数为 Le=20mm， Ae=50， Ve=10 ， We=10g， N1=N2=20， 为了使激磁电流与仪表的电流检测最大灵敏度相当，设置测试条件为Hm=50A/m。频率f从0.05kHz到10KHz，对每一频率下的相位角重复测试12次，计算平均值、最大值、最小值、最大偏差和均方差如表2。

六、结 论
1. 正交能谱法是动态磁性能测试中较新颖的方法，可以在连续频率范围内有效地消除相移误差；
2. SY-8216 B-H分析仪是一种先进的宽频带动态磁性能测试系统，操作简捷；
3.SY-8216 B-H分析仪对于损耗的测试精度达到±5%，对于B和H的测试精度达到±2%，对于相位的测试精度达到±0.1度。


参考文献
1. IWATSU Co. Operation Manual of B-H Analyzer SY-216.Japan，86
2. T.Mitsui. Cross Power Spectrum Method (B-H analyzer or Iwatsu method). Revision IEC 367-1，1996