交流磁滞回线的单片测量法
The Single Sheet Measurement of AC Hysteresis Loop

摘 要： 分析了交流磁滞回线两种传统的测量方法（爱波斯坦方圈法和环形样品法）特点，阐述了通过B线圈和H线圈来检测磁感应电压，从而得到磁感应强度和磁场强度的单片测量方法与磁通波形的控制方法，并实现了计算机自动测量。此方法较爱波斯坦方圈和环行样品法更能方便准确地获取交流磁滞董回线。
关键词： 磁滞回线 磁场强度 磁感应强度 单片测量
Abstract: Based on analysis of the drawback of two traditional measuring methods for
AC hysteresis loop，a method of single sheet measurement is proposed which employs B coil
and H coil to detect the induced voltages to get magnetic induction and field strength.
Automatic computer-controlled measurement can be achieved. This method is more convenient
than the two traditional methods to obtain dynamic AC hysteresis loop.
Key words: hysteresis loop magnetic filed strength magnetic induction strength
single sheet measurement

1 引言
交流磁滞回线的传统测量方法有两种：爱波斯坦方圈法和环形样品测量法［1］，但爱波斯坦方圈法和环形样品法都存在着各自的缺点。用爱波斯坦方圈法进行测量时必须对地磁场的影响进行补偿，并且需要用多片（一般情况下样品的总片数不得少于12片，并且是4的倍数）电磁钢板搭制磁路，既浪费材料又非常费时，并且无法实现自动测量。用环形样品法测量除与用爱波斯坦方圈法测量具有相同的缺点外还有以下缺点：（1）由于环形样品内外磁路长度之间存在差异，使得测量本身就有不可避免的误差因素；（2）与爱波斯坦方圈法相比较，用环形样品法测得的同一样品的磁特性比用爱波斯坦方圈法测得的磁特性要低一些。多年来人们对其进行了深入仔细的研究，逐渐搞清了方法本身给测量精度带来的影响，并相应地提出了改进措施。在此基础上，提出了电磁钢板磁特性的单片测量法［2］。本文主要论述了软磁材料交流（工频或音频下）磁滞回线的单片测量方法。
2 测量原理［2，3］
测量原理如图1所示：利用B线圈和H线圈通过检测感应电压来得到单片样品中的磁感应强度B和磁场强度H。H放大器和B放大器用来放大H线圈和B线圈的感应电压信号。由B线圈探测得到的磁通包括两部分：通过样品的磁通和通过样品与B线圈之间气隙的磁通。为了能够精确测量样品本身的交流磁滞回线，必须加入补偿绕组以补偿气隙磁通。气隙补偿绕组的原边与激磁绕组同向串联，副边与B线圈反向串联。通过调整补偿互感的次级线圈的匝数，使补偿互感和激磁绕组与B线圈的互感相等，从而使气隙磁通变化引起的次级总的感应电压等于零。这样，B放大器的输入信号就仅与通过样品的磁通相对应。所测的交流磁滞回线才是样品本身所对应的。

图1 测量原理图
2.1 磁场强度的测量
磁场强度的测量采用H线圈法。如图2所示，利用H线圈可测得仅靠近样品气隙磁场的磁感应强度，由关系式=，可求出，从图中可以看出，即为；根据交界面处磁场强度切向分量的连续条件，有=；而就是样品所在位置的、与磁应用强度B相对应的磁场强度H。

图2 H测量原理
施加在样品上的磁场强度（峰值）H与测得的H放大器输出之间的关系为：
（1）
其中，——H线圈的匝数；
——缠绕H线圈薄绝缘板的横截面积；
——H放大器的放大倍数。
因此，利用（1）式便可求出磁场强度
（2）
2.2 磁感应强度的测量
磁感应强度的测量原理依据是电磁感应定律。样品磁感应强度（峰值）B与测得的B放大器输出之间的关系为：
（3）
其中，——B线圈的匝数；
——样品的横截面积；
——B放大器的放大倍数。
因此，利用公式（3）便可求出磁感应强度B
（4）
根据所测得的磁感应强度（B）和磁场强度（H）便可得到交流磁滞回线。
3 激磁电压的生成［4］
在进行磁滞回线的测量时，随着激磁电压的升高，被测样品将逐渐达到饱和，此时磁感应强度波形出现畸变，而如果要测得精确的磁滞回线，必须保证磁感应强度为正弦，因此要采取一定的措施来保证磁感应强度为正弦。有两种控制磁通波形的方法：模拟反馈法和数字反馈法。与模拟法相比，由于没有人为的误差和来自控制系统的漂移，数字反馈法具有波形再造性好的优点，因此，我们数字反馈法对磁通波形进行控制。其反馈过程为：（1）首先使D/A转换器输出一正弦电压VC；（2）测量副边感应电压；（3）由傅立叶变换计算出第i次迭代时电压、的基波分量、；（4）第i+1次迭代电压的波形按下式确定：
（5）
这里，K是反馈系数，是希望在样品中产生的与正弦磁通相对应的感应电压。由于磁路的非线性，必须通过多次迭代才能得到正弦电压。电压幅值的初值应比终值小5%～10%，然后逐渐增加。当波形系数FF的误差和磁通密度最大值的误差均小于0.1%时，波形控制结束。为正弦波形系数的偏差，为与所要求的磁通密度值之间的偏差。
在此系统中我们使用了研华公司的高速数据采集卡（pc1818hg)的一路D/A输出功能，由于D/A的输出范围是0到10V的直流电压，其最大输出电流为5mA，因此我们必须首先要把该直流电压转换为无直流分量的交流电压，即把它转换为最大值为±5V的交流电压，然后再把它进行电压和电流的放大使它能够满足激磁电压的要求。其电路如图3所示。使用减法器作为电压转换电路，运算放大器的同相输入端接D/A输出，反相输入端接5V直流电压，通过该电路把直流电压转换为交流电压，同时完成交流电压的放大。功率放大部分采用准互补功率放大电路。

图3 电压转换与功率放大电路原理
4 软件的设计［5］
（1）对数据采集卡（pc1818hg)进行硬件初始化设置，包括对采集卡ID号和基本输入输出地址的设定。
（2）对A/D转换进行初始化设置，包括A/D转换通道及其增益的设定，采样频率及A/D触发模式和A/D转换数据传输模式的设定。
（3）启动A/D和D/A并进行1024次转换，从A/D缓冲区中取出采集到的数据进行相应的计算后，再送给D/A把数字量转换为模拟量进行输出，从而实现波形的调整。
（4）对和进行判断，是否两者均小于0.1%，若是，则结束对波形的调整，从而进行磁滞回线的测量；否则转向第三步继续进行波形调整。其流程如图4所示。

图4 程序流程图
5 实验结果及结论
通过本系统测量了不同激磁电压下的磁滞回线，并给出了磁感应强度产生畸变时调整前（图5a）和对其进行调整后（图5b）的激磁电压与感应电压的波形图及其相应的动态交流磁滞回线（图6a～c）。并与爱波斯坦方圈所测磁滞回线进行了比较，如图7所示。

图5 B和H的波形图：（a)调整前；(b)调整后

图6 磁滞回线测量结果

图7 单片测量法（ ）与爱波斯坦方法（-●-）的比较
通过本测量系统可以方便地实现交流磁滞回线的测量，并可对磁场强度、磁感应强度和磁滞回线进行实时显示，而且减小了不必要的人为误差，大大地提高了测量的精度。由于用单片测量法只需一片样品，样品制作简单，省去了前两种方法中麻烦费时的样品准备工作，并可进行自动测量；而且样件可采用较宽的电工钢片，一次可以消除由于剪切力对测量结果带来的影响。单片测量法测量磁场强度所依据的原理不再仅是安培环路定律（若用安培环路定律，无法回避等效磁路长度或平均磁路长度的问题），而是通过增加一个所谓的H线圈，从而利用电磁感应定律对磁场强度进行测量，这样可实现磁场强度的高精度测量。该方法较爱波斯坦方圈法测量误差更小，更接近材料的实际磁特性。因此能够为从事磁性器件设计者和从事磁滞研究的工作者提供准确的磁特性参数，不论从工程应用还理论研究上都有很高的价值。

参考文献
［1］GB/T3655-92，电工钢片（带）磁、电和物理性
能测量方法［S］.
［2］冯慈璋.电磁场［M］.高等教育出版社，1983.
［3］梅文余.动态磁性测量［M］.机械工业出版社，1985.
［4］Matsubara K，Takahashi N，Nakata T，et al.Accel-eration Technique of Waveform Control
for Single Sheet Tester［J］.IEEE trans Magnetic，1995，31(6).
［5］PC-LabCard User’s Manual.Advantech Co.， 1994.

（转载自《磁性材料及器件》2002年第3期）