磁性材料静态参数的正确测试
                 Correct test for static parameters of magnetic materials
 
1前言
    一家磁性材料公司有一部CD4/1磁性测量仪是1966年生产的老设备，一直承担着该公司材料样环静态参数等重要指标的测试工作。由于该公司多次搬迁以及人员频繁变化等因素，造成仪器使用的局限性和测量的不准确性。鉴于一次特殊工作需要，我公司受该公司委托，将仪器拆开维修，并根据其工作原理，将仪器背板走线重新布置、绘制了电路图，从而恢复和扩展了其对各种样品的正确测试，现将我们的经验总结出来供大家参考。

2原理简介
    CD4/1磁性测量仪是运用冲击换向法测量材料Bs、Br、Hc、μi以及磁化曲线磁滞回线等静态参数的。这是静态磁性测量的规定标准方法。
2.1基本概念
    静态磁性参数分为本征参数和技术参数两类，其中由材料化学成分、晶体结构决定的自发磁化强度Ms、居里温度Tc、饱和磁滞伸缩系数λs和单晶磁晶各向异性常数K等于属于本征磁性参数；而与技术有关的由磁化曲线和磁滞回线定义的饱和磁感应强度Bs、剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc、起始磁导率μi、最大磁导率μm以及最大磁能积（BH）max等均属于技术参数。技术参数不仅与材料的化学成分、晶体结构有关，而且与加工热处理工艺决定的晶粒大小、取向和内应力的分布有关。因此，许多国外厂家要求成品的静态技术参数。
2.2测量电路
<IMG border=0 src=/UploadFile/ZxNews_Images/2004041001.jpg>
    测量电路图1，图中由冲击电流计G（积分器），电阻RG、Rp、RH、RB，测量线圈N2和标准互感的次级线圈M2以及阻尼开关Kz，回零装置组成的电路部分，叫测量回路。由换向开关交流接触器K1，安培计A1、A2，电阻R1、R2、R3、R4，直流电源（稳定度0.1%），当K3打到测量时，加上磁化线圈N1组成的电路部分，叫电流调节电路，即磁化回路；当K3打到校准时，加上标准互感的初级线圈M1，叫冲击常数测量的电源回路，r是测量时标准互感次级线圈的等效电阻。
2.3测量原理
    冲击法测量静态磁性参数的原理是以冲击电流计为积分器的单脉冲积分法，属于测量磁通量改变的积分式感应法，在静态磁性测量中被规定为标准方法。其基本测量方程为：
              N△Φ=CNΦαm=N△BS
    式中N为测量线圈匝数，△Φ是被线圈包围的磁通量改变，CNΦ是冲击常数，αm是由磁通匝（N△Φ）改变引起的冲掷偏转，△B是磁感应强度的改变，S是样品有效截面积。
    冲击电流计是测量弱脉冲电流电量的灵敏仪器，其积分功能来源于线圈偏转是受瞬时力矩的积累（积分）作用，线圈偏转一定发生在脉冲电流终止之后；其第一次最大偏转αm正比于脉冲电流的积分，叫冲掷偏转。其结构与一般测量微小电流的电流计基本相同，只是在活动线圈下方装有转动惯量较大的金属盘，所以自动振动周期较长（T>18秒）。它的冲掷偏转与脉冲电流的电量成正比：αm=SqQ，比例系数Sq为电量灵敏度，一般用其倒数Ci表示电流计的灵敏度，称为电流常数。
    在磁测量中，我们从图中测量电路来看，感应线圈产生瞬时感生电流。因此，冲击电流计测量的是线圈中磁通量的变化，其灵敏度明显依赖于回路电阻。电流计线圈转动时在线圈中产生一反电动势，阻碍线圈的运动，使其转动慢下来。回路电阻越小，感应电流越大，电磁阻尼也就越大。所以，回路中样品改变时，回路磁通匝灵敏度将发生变化，冲击常数就应该依据被测样品重新确定。

3测量方法
3.1准备工作
    首先计算样品有效截面积S及有效磁路长度Le。为了使样品内部磁化均匀，应在样品上均匀绕上匝数分别为N1、N2的磁化线圈和测量线圈。一般磁化线圈匝数是测量线圈匝数的2～3倍，具体操作应计算最大磁化电流能否提供最大磁化场（N1=Hm Le/0.4im）。因测量线圈是用于测量磁通量变化的，其截面积S′应尽量接近样品截面积S，并绕在里层。两者差别较大（S′-S=0.5%S）时，气隙的磁通量将不能忽略，B的计算公式应加上一项修正项：
          B=CNΦαm/2N2S-μ0H1(S′/S-1)
    式中第二项为气隙修正项。
3.2确定冲击常数CNΦ
    测量从调节电流计工作状态开始。首先调节电阻RG和Rp使电流计处于所需工作状态（过阻尼或临界状态），并能在最大磁化场Hm的电流（CDY计算在10Oe时的电流，i=HmLe/N1）下，换向操作时能够产生不小于200mm的冲掷偏转。
    然后断开磁化电路，把K3打向校准。调节R3使标准互感初级电流为任一给定值i0，用K1使i0换向，使互感器次级产生感应电动势em=-Mdi0/dt，并在测量回路中产生脉冲电流i(t)，引起冲掷偏转αm0，由电路方程：
                    Mdi0/dt-Ldi/dt=Ri(t)
    积分后得到冲击常数：
                     CNΦ=2Mi0/αm0
    若i0、M、αm0、的单位分别用安培、亨利、毫米，则CNΦ单位为韦伯/毫米，表示光标偏移1mm所代表的磁通量单位数。
3.3退磁
    为了保证基本磁化曲线的测量从H=0，B=0的起始状态开始，测量时必须首先对样品进行退磁。即在样品上加一连续减幅的周期变化磁场，使样品磁状态在磁场逐渐减弱到零的过程中，经历多次非闭合磁滞环路变到B=0状态的操作。操作时可借助磁化电路的换向开关K1不断换向，并在换向的同时缓慢平稳地将磁化电流从某一较大值减小到零。
3.4测量μi
    用测量磁化曲线的方法，可推出μi，但过程比较复杂，本文不做过多介绍。我公司是在交流弱磁场下（瑞利区），用交流电桥法作动态近似，测量样环电感L，根据公式μi=L Le/μ0N2S，计算出μi。
3.5测量Bm、Br、Hc
    测量Bm、Br、Hc实际上是测量磁滞回线上几个特点。根据测量原理，冲击法只能测量两个稳定状态间的磁通改变。鉴于此，可用磁滞回线上一任意状态（Hj，Bj）为起点，以-（Hm，Bm）为终点的改变实现测量。
3.5.1测量Bm
    测量Bm，首先合上Kz，调节R3使磁化电流可以产生最大磁化场Hm。用K1对样品进行磁锻炼若干次（一般约10～20下）后，断开K2，调节电流计零点，将K1迅速换向的同时读取冲掷偏转αm，得：Bm=CNΦαm/2N2S
3.5.2测量Br
    Br实际上是磁滞回线上H=0的点，测量方法同上。电流由Im→0建立Br状态。读取偏转αmr，得：Br=CNΦ(2αr-αm)/2N2S
3.5.3测量Hc
    Hc点磁滞回线上B=0的点，因此从Bm到B=0的偏转角是从Bm到-Bm的一半。打开K0，调节R2使电流计A2改变。反复换向观察，当偏转角α是αm的一半时读取电流计A2的电流值Im，得：Hc=Nir/Le

4结束语
    经过上述原理分析可知，该仪器不仅能测量标准样环，而且能准确测量各种复杂的磁环成品的静态参数，包括磁化曲线和磁滞回线。若将电路稍加改变，还能测量恒磁材料的静态参数，包括退磁曲线和回复磁导率的测量。