隨著電子信息產業(yè)的發(fā)展,與其密切相關的軟磁材料及其性能測量引起了人們的高度重視。軟磁材料絕大多數都用作工作在動態(tài)磁化條件下的磁性器件[1],如開關電源變壓器磁芯、回掃變壓器磁芯、濾波器磁芯等。磁性產品性能的好壞主要取決于作為導磁材料的磁心的性能[2]。因此設計者迫切需要知道軟磁材料在實際應用條件下的磁性能。而磁滯回線包含了體現磁材料性能的參數,如矯頑力、剩磁等,有了這些參數才能進行最佳的設計。由于交流磁滯回線的形狀受多種因素的影響,定量測量交流磁參量涉及到復雜的原理和計算,所以測量結果存在一定的誤差。本文將著重敘述獲取參數的原理和方法,并作出誤差分析。
圖1 磁滯回線測量原理
1 測量原理
測量動態(tài)回線的方法很多,經常使用的有示波器法、鐵磁儀法和采樣法等[3]。這里介紹示波器法。此方法就是利用一般陰極射線示波器直接顯示交流回線,由于簡單可靠,在工業(yè)測量中有著廣泛的應用。這些方法的測量原理都是相同的,具體如圖1所示[4]。圖1中,N1和N2分別為樣品的磁化線圈和測量線圈的匝數;R1為串入樣品初級線圈回路的小電阻;e2為樣品測量線圈上的感應電壓;ur1為小電阻R1上因磁化電流通過而產生的電壓。感應電壓e2與磁感應強度B的關系為:
式(1)中,S為標準磁環(huán)的面積。在圖1中,電壓降ur1與磁場強度H的關系可用下式表示:
式(2)中,l為平均磁路長度,對于環(huán)行樣品
為磁環(huán)的平均直徑。
線路里R、C和運放構成了R-C積分器,當R、C取值適當,即
時,可得積分器的輸出值為:
因為電路為反相積分器,所以為了反映正相的B,在積分器前加了反相器。由式(2)、(3)可以看出,電壓ur1和uy分別正比于H和B。這樣就會在示波器屏幕上顯示出B=f(H)回線。
磁滯回線測量的原理如上所述,而實驗中得到的曲線存在兩大不足:一是回線不清楚,B曲線和H曲線均有失真,原因是反相器和積分器不理想,如漂移、自激等都會影響曲線的質量;二是由于信號發(fā)生器輸出信號功率小,激勵電流小,小磁環(huán)很難達到飽和,幾乎得不到高頻磁滯回線。為此需進行以下改進得到高頻磁滯回線。
圖2 改進后的測量電路
2 測量電路的改進
圖2為改進后的測量電路,采用了TDA2006功率放大器作功率輸出級,從而得到高頻輸入信號,增大激勵電流,使磁環(huán)達到飽和。TDA2006的特點是通頻帶寬、高頻特性好、噪聲小、失真系數小。片內設置了各種保護電路,對電流浪涌、過壓和負載短路等異常情況都有較強的適應性,應用方便,可以獲得大的不失真功率。達到的性能指標如下:
(1)頻率響應范圍50Hz～100kHz,±3dB
(2)閉環(huán)增益:30dB;開環(huán)增益:75dB
(3)諧波失真(1kHz時):0.1%(8W 8Ω)
(4)最大輸出功率:12W(4Ω)
(5)最大輸出電流:2.5A
此外,由測量原理圖(圖1)可以看出,加入了反相器,反相器不會是完全理想化的,其比例電阻也不會很精確,這樣會引起測量上的誤差,為此把積分器改為同相積分器。其中,Rf的用途是提供直流反饋,使失調電壓不連續(xù)對C充電,否則會導致放大器處于極限狀態(tài);R1C1是相位置后補償電路,以消除自激振蕩,并改善高頻時的負載特性,這一點也非常重要。由于集成運算放大器內部是由多級放大器組成的,每級放大器的輸出及后級放大器的輸入都存在輸入、輸出阻抗及分布電容,級間會產生R-C移相網絡,這樣信號通過每一級后就產生了附加相位。在電路調試初期,沒有這個相位補償電路,B信號為一條粗帶,得到的磁滯回線非常模糊。C2是隔直電容,可以濾除直流分量。另外,由于測試頻率范圍較寬,為了適應高、低頻信號的需要,可以對積分電容C分檔[6],以適應各檔頻率的積分時間。
圖 3 f="60kHz時的B"-H回線
3 定標計算
改進后的電路測量的磁滯回線如圖3所示。該圖形是由數碼相機在示波器上拍攝下來的。示波器上顯示的僅僅是測量電流和電壓的相位關系,如要得到B-H的關系曲線和具體的性能參數,還要進行定標轉換。結合實際測量電路,由公式(2)、(3)得出最大磁場強度Hm和最大磁感應強度Bm的計算公式[7]為:
當激勵頻率f=60kHz時,從示波器上讀出初級輸入電壓最大幅值UR2m =1.65V,次級電壓Ubm=0.95V,N1=N2=5(N1、N2分別為小磁環(huán)初、次級線圈匝數),小磁環(huán)內徑D內=6.18mm,外徑D外=10.3mm,高h=5.10mm。經計算橫截面積S=1.0506×10-5m2,平均直徑D=8.24mm,積分電阻R=1kΩ,積分電容C=0.022μF,取樣電阻R2=4.3Ω。經計算,Hm=76.37A/m,Bm=396.72mT。然后按照示波器熒光屏上剩磁Br和矯頑力Hc相對Bm和Hm的比例,可以算出它們的具體數值:Hc=1.65/8Hm=15.675A/m,Br=1.8/4.9Bm=145.73mT。
4 結果的比較及誤差分析
經定標計算得到MnZn鐵氧體磁環(huán)的重要參數剩磁Br和矯頑力Hc。將測量的結果與使用日本巖崎通信有限公司生產的SY-8232交流B-H分析儀所得的測量結果進行比較。該測試是委托信息產業(yè)部磁性產品質量監(jiān)督檢驗中心完成的。SY-8232的測試結果為:Br=147.45mT,Hc=16.078A/m。誤差分別為:σBr=(147.45-145.73)/147.45=1.2%,σHc=(16.078-15.675)/15.675=2.5%。示波器法測量磁滯回線參數的誤差一般小于7%[8],該測試結果的誤差在這個范圍之內。為了進一步提高測量的精度,改善測量系統(tǒng)的性能,有必要分析一下可能引起測量誤差的各種因素。對于本測試電路來說主要有以下幾點:
(1)樣品形狀參數的影響
樣品的形狀、尺寸也會對動態(tài)磁參數有所影響[7],本文采用的是環(huán)行樣品。平均磁路l=2π(D內+D外)/2,環(huán)中的平均磁場強度為:
(2)積分器的影響
積分器是用運算放大器實現的,理想化的集成運放應具有無限大的差模輸入阻抗、趨于零的輸出阻抗、無限大的共模抑制比、無限大的頻帶寬度以及趨于零的失調和漂移[10]。實際上集成運放不可能具有上述理想特性。另外,積分電阻和電容也不是純電阻和電容,有一定的分布參數,一般表達式為:
R=R0(1+jωτ) (7)
C=C0(1-jtgδd) (8)
式中,R0和C0為純電阻、純電容,τ是電阻的時間常數,tgδd為電容損耗正切角。為了使積分器有較低的誤差,除了選擇合適的RC數值,滿足ωRC>>1外,還應選取τ很低的電阻和tgδd趨于零的積分電容。
(3)磁心線圈及取樣電阻的影響
本文中激勵信號為正弦波,若磁心線圈是線性元件,則根據歐姆定律可知,通過磁心線圈的激勵電流也是正弦的。但是,實際的磁心線圈是非線性元件,所以磁化電流和電壓必為畸變的波形。較多的初次級線圈匝數也會使回線變形,原因是線圈多了,匝間分布的電容加大,通過分布電容的位移電流加大,當然會使回線變形。另外,H路信號的電壓是從取樣電阻上獲得的,為了保證B為正弦波,取樣電阻阻值要低,且有很大的功率,并要求它是無感的。實際的電
阻不是理想的,其分布電容和電感使H信號隨著頻率的升高而失真。本文采用的是10W的線繞電阻,若采用金屬膜電阻,可減小誤差。
此外,環(huán)境條件也對測試結果有一定的影響。測試中應保持溫度恒定,還要遠離電磁場。
參考文獻
1 周文生.磁性測量原理[M].北京:電子工業(yè)出版社,1988
2 王 永.具有直流偏磁交流磁滯回線的測量[J].磁性材料與器件,2001;32(3)
3 梅文余.硅鋼磁性測量[M].北京:機械工業(yè)出版社,1993
4 張曉兵.磁滯回線測試系統(tǒng)的改進[J].電子器件,2000;23(4)
5梅文余.動態(tài)磁性測量[M].北京:機械工業(yè)出版社,1985
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