磁性材料测量装置介绍
摘 要：介绍国内磁性材料自动测量装置最新进展，着重介绍软磁直流测量装置的基本原理。
关键词 ：软磁材料 直流磁特性 磁化曲线 磁滞回线
1 引言
在当今磁性材料的研究和应用领域，磁性测量作为磁学的一个重要组成部分，已成为研究物质磁性本质和磁化过程及其机理的重要手段，在科学研究和工厂质量控制中发挥着巨大的作用。我国作为一个磁性材料的生产大国，在材料开发和生产上对测量仪器的需求已经非常迫切。目前国外的测量设备，动辄几十万、上百万。价格很难适合我国的国情，售后服务也难尽如人意。
2 永磁材料测量仪器的概况
实际上，我国在永磁材料方面的测量技术已经与国外同类的测量设备没有明显的差距。通过标样传递，整套装置无论在测量准确性、重复性都已与国外设备相当，但售价不到进口仪器的十分之一。深受国内用户青睐。到目前为止，使用国内生产的"永磁材料测量装置"的企业已超过一千家以上。
当然，在某些指标如：超高、超低温度要求下，对永磁材料磁特性的测量、电磁铁加工工艺等等方面，还是存在一些差距。尤其在永磁材料需要高灵敏测量方面，如振动样品磁强计，国内还没有成熟的产品问世，目前国内使用单位几乎都是采用国外设备。磁性材料测量仪器的生产企业，也在积极作开发此类产品，已适合科研院所对此产品的迫切需求。
3 软磁交流测量仪器概况
在软磁材料交流测量方面，国内测试技术的发展是比较缓慢。相应配套的"软磁材料自动测量装置"较国外同类测试仪器的水平还存在较大的差距。
国内软磁材料生产企业还是采用传统的模拟电桥、频率表、电压表、电流表和功率表进行交流磁特性测量，然后通过计算推算出磁特性参数。这样测试，计算的工作量较大并且测试数据的准确性和重复性难以得到保证。有些企业采用国内生产的电源配上国外的高频功耗仪（258等）进行功耗测量，价格也不算便宜，但测试条件的设置和功耗测试精度也难得到严格的保证。目前最好的软磁交流测量装置是日本岩崎生产的SY-82××系列。测试参数齐全、测试条件的设置、操作都比较方便。
参考国外同类先进设备（如：IWATSU的SY系列产品），湖南省娄底市电子研究所于89年推出国内第一台交流点频测量（最高频率为25kHz）。其测试参数的设置、操作和测试的准确性都基本达到了设计要求。但近十几年来，由于在测试频率上没有突破性的进展，已不能满足国内用户的要求。
娄底市联众科技有限公司2001年推出MATS-2010SA/100K软磁材料测量装置（今年又推出MATS-2010SA/300K软磁材料测量装置），基本适用于测量各种铁氧体、硅钢变压器铁芯、坡莫合金、非晶和纳米晶等软磁材料的动态磁特性参数（如：Bm、Br、Hc、Hm、μa、Pc和δ等）的测量。并可绘制基本磁化曲线、磁导率曲线、损耗曲线、磁滞回线和磁滞回线簇，可打印多种格式的测试报告。装置采用计算机控制技术和40MHz的高速A/D采样，通过FET分析得到基波等效参数。
面对目前我国软磁测量装置与国外同类先进设备在测试频率上存在的较大差距，我们的研制也正在朝着更高的要求迈进，预计不久的将达到更高的水平。随着国内可使用采样器件的提高，我国软磁材料交流测量设备将迅速缩短与国外设备的差距，娄底市联众科技有限公司计划在明年推出测试频率达到1MHz的产品。
4 软磁直流测量仪器概况
软磁材料直流特性的测量，最好的测试方法还是采用传统的冲击检流计法。但是采用传统冲击检流计法对软磁材料直流特性进行测量，首先要求测试人员必须对磁性材料测量原理，对测试所需的仪器使用方法，测试的操作步骤等等都必须很熟悉，此外测试人员还须具备一定的磁学基本知识，同时还要求具有相关的操作经验。特别是往往对一条曲线，甚至一个磁性参数的测量都需要经过若干次测量后，再通过计算、绘图得到。一个相当熟练的测试人员要测试一个样品的全性能磁特性参数，可能要花掉一天的时间。
国外此类仪器的生产企业，为了使人们能从烦琐的测量和计算中解放出来，有的采用磁场扫描法，控制磁通db/dt的速率，以达到逼近准静态。但由于励磁电压是一个缓慢变化的直流电压，db/dt很小，次级感应的电压很小，信号很弱，这对后级的积分器要求比较高。积分器必须有很高的灵敏度，零点漂移很小，这对于电子式积分器而言是难以兼顾的。尤其是在测量初始磁导率时，信号极弱以致于无法测量。提高db/dt虽然可以提高信号强度，由于磁滞的影响，B落后于H，造成测量结果的偏差。所以采用扫描法的仪器一般都运用了B速反馈调整db/dt ，尽可能地降低磁滞的影响。但是db/dt 太低又使信噪比恶化，两者难以兼顾。有的仪器采用低频交流（0.1Hz-1Hz）测试来代替直流测试，原理与扫描法类似，但须对不同材料进行不同的修正，可以使误差控制在百分之几内。
我国的磁测量工作者采用了独特的设计思想，用较低的代价使我们的产品达到了国外同类测试仪器的水平。
下面着重介绍一下该类装置的测试原理，以便大家参考。
4.1 MATS-2010SD软磁直流测量装置
MATS-2010SD软磁直流测量装置采用程控直流励磁电源和电子积分器模拟传统的冲击检流计法，通过励磁、取样、转换和计算，得出最重要的几个直流参数：磁导率μ、矫顽力Hc、剩磁Br、饱和磁感应强度Bs与磁滞回线。原理框图见图1：

图1 软磁直流测试原理
MATS-2010SD保留了磁场扫描法，采用软件B速反馈以控制db/dt。特别采用了具有计量学价值的经典测量方法（冲击检流计法）的原理，设计了模拟冲击法。
磁场扫描法和模拟冲击法两者的主要区别在于加在样品上的励磁电压不同，由此而引起的信号处理以及仪器误差等都有很大的差异。
4.2 磁场扫描法
测量初始磁化曲线时，先将样品退磁并放置一段时间后，电压从零单调升至最大值，测出初始磁化曲线，见图3 A-B段，由初始磁化曲线可以计算出μi、μm、Bs。在完成初始磁化曲线测量后，电压继续沿B-C-D-E-F-H，完成一个饱和磁滞曲线的扫描。

图 2 磁场扫描波形及磁通波形

图3 扫描法对应的磁滞回线
4.3 模拟冲击法
为了克服磁滞影响，降低对磁通计的苛刻要求，我们根据冲击检流计的测试方法设计了模拟冲击法，提高了信噪比，用较低的代价，得到了与国外先进仪器一致的测量结果。模拟冲击法测试磁化曲线的波形见图4：

图4 模拟冲击法电压波形

图5 模拟冲击法对应的磁化曲线
从图4可以看出，这是一个幅度单调增加的交流梯形波。励磁电压在由A变化到A’时，材料经历的是一个以（图5）A点为顶点的一个磁滞回线过程，由于采样是在图4 A点对应的稳定平台期进行，完全不理会A点到A’点的变化过程，因此实现了真正的消除磁滞影响的准静态。由于次级感应的信号是A点到A’点的db变化，信号较强，信噪比高，使得整机的稳定性与准确性都有明显提高。测量软磁材料的起始磁导率μi值，只须根据材料特性给定一个初始磁场Hi，电脑就给出一个冲击的磁场梯形波，通过A/D对磁通和电流进行采样，起始磁导率μi只需3-4秒即可测试完成，将电压幅值逐渐递增，就可以测出整个磁化曲线。
从而确定μm以及Bs值。在一些高镍材料（特别是非晶软磁材料）的测量中，传统的冲击检流计法也不容易测准Hc值，主要是由于这些材料的Hc值很小，且该点的斜率很大，Br值也不易测准。MATS-2010SD软磁直流测量装置采用独特的逐次逼近内描法技术进行软件设计，很好的解决了这一难题。使得装置满足所有软磁材料直流特性测量的要求。
在经典冲击法中，利用电子积分器代替冲击检流器，从原理上来讲，可完全消除冲击检流计非瞬时性误差，得到真正的更接近于定义的静态参数。MATS-2010SD软磁直流测量装置完全模拟冲击法的过程、工作原理和方式，而灵敏度高于冲击检流计，达到0.05μWb。此外通过微机对冲击励磁波形的幅值、频率、信号的采样等实现精确的控制和计算，避免了人为的操作误差和计算误差。虽然电子积分器固有的零点飘移会影响测试结果，但在"MATS-2010SD软磁直流测量装置"中，采用了零点飘移自动修正技术，使这一影响降低到最小。信号量化采用了12Bit 的A/D转换卡，转换误差仅为0.05%（满量程），励磁输出电流最小为5μA，完全满足测试起始磁导率对励磁电流的要求。
图6为采用模拟冲击法测得的磁化曲线和磁导率曲线报告。■

图6