一種高精度磁性參數測試儀設計

陳 毅， 徐 勇， 張毅磊， 羅 堅

(1.湖南大學，湖南 長沙 410082； 2.中南大學，湖南 長沙 410012)

0 引 言

在特定磁化裝置產生的磁化場作用下，磁性材料被磁化到飽和，當磁化場減弱為零時，樣品上仍然能保留較強剩磁的材料被稱為永磁材料。傳統的磁性參數測試儀測試永磁材料采用模擬積分器的原理實現對感應信號的積分，同時采用硬件電路實現對積分器的調零和補償。模擬積分器的零漂是難以克服的，硬件調零和補償也增加了系統的復雜程度[1～3]。因此,傳統磁性參數測試儀具有測試誤差較大，性能不穩定、手動操作不便、系統結構復雜等缺陷。

本文以TMS320F2812處理器為核心，通過使用復化Newton-Cotes數字積分算法，不僅可以解決模擬積分器零漂的問題，而且提高了積分運算精度[4,5]。同時在DSP上使用巴特沃斯數字濾波器對采集信號進行濾波，相比于模擬濾波器有更高的精度和更好的穩定性。同時該測試儀采用軟件實現系統調零和補償，無需硬件調零電路和補償電路，很好地解決了系統初值不為零和補償系統在測試過程中所帶來的誤差。

1 數字積分理論和算法

利用A/D將磁感應線圈中由磁通量變化所感應出的模擬電動勢轉換為電壓數字量，然后經過DSP采用合適的數字積分算法完成整個積分運算[6，7]。因此，A/D的轉換精度和數字積分算法決定了測試結果的精度。本系統中采用12位采樣芯片TLC2558，可以最高支持400kSPS的采樣。要提高積分算法的準確度，就需要縮小積分子區間長度，即增加A/D采樣的點數來實現。但是由于一般系統硬件與成本的限制，是不能任意提高采樣率的，因此，可以采用高階積分算法來提高積分精確度。然而，高階公式由于穩定性差而不宜使用，因此，采用復化積分求積法是一個很好的辦法[8]。由于永磁材料的測試是在準靜態磁特性環境中進行的，因此，磁場基本上是勻速變化的[9]。假設測量線圈的初始磁通為零，運用求積公式可以求出連續變化的磁通量在某一時刻的值，積分過程可以表示如下：

tj=0+jh,j=0,1,…,n，

(1)

(2)

在子區[tj,tj+1](j=0,1,…,n-1)上使用四階Newton-Cotes公式，將[tj,tj+1]分割為4等份，步長為h/4，分后的節點為

(3)

記為

(4)

在[tj,tj+1]上作ei(t)的四階Newton-Cotes求積[10]

(5)

由積分區間的可加性，可得

(6)

當樣品和探測線圈被置于磁化場中時，線圈中磁通量變化值從0～t的時間內為Φ

(7)

磁通量的值即是對整個[0,t]測量時間內感應電動勢的變化進行積分。將[0,t]分為n等分的小區間[tj,tj+1]，設小區間的步長h=4T，T為A/D采樣時間的間隔，同時,t=kh，k=1,2,…,n,則當在A/D采集的過程中時，每A/D采集4個感生電動勢，k的值就增加1。

根據構造的積分公式，由此可以求出磁通變化量Φ為

(8)

同時也可以求出永磁材料在某一時刻的磁感應強度B為

(9)

2 系統硬件結構和設計

2.1 系統硬件結構

該系統硬件主要包括：霍爾探頭和同心形J線圈組成的信號探測部分、DSP為核心的信號處理和控制部分、充退磁模塊電路、數據傳輸和PC上位機部分。系統硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

硬件系統以TMS320F2812處理器為核心，工作頻率能達到150 MHz，具有128 k Flash和18 k SARAM存儲空間，豐富的I/O接口[11,12]。信號探測部分:霍爾探頭探測由磁化裝置產生的磁化電場，J線圈感應的是由相應的磁化電場產生的磁極化強度。同心形J線圈是由磁通測量線圈和磁場補償線圈串聯反接而成的[9]。DSP通過D/A轉換器控制實現壓控恒流源和開關電源充退磁過程。在磁化場變化的同時，感應到的信號通過信號處理模塊和A/D進行數據采集。

2.2 前級信號處理電路

前級信號處理部分包括感應線圈感應產生的電壓信號和霍爾探頭檢測的信號，其中，感應線圈感應的電壓信號經過一級固定放大和二級可調放大。可調放大采用DSP控制DS1267數字電位器進行調節，前級信號的處理框圖如圖2和硬件處理電路圖3所示。

圖2 前級信號處理框圖

圖3 信號放大電路

2.3 A/D采集電路

TLC2558是12位低功耗、高速的CMOS A/D采樣芯片，其4通道最高支持400 kSPS的采樣，自帶有8級FIFO，數據轉換完成后，放入FIFO中等待主處理器讀取數據。當與DSP連接時，可用一個幀同步信號FS來表明一個串行數據幀的開始。A/D采集電路如圖4所示。

圖4 A/D采集電路

2.4 D/A轉換壓控恒流源電路

D/A轉換芯片采用TLV5618，輸出模擬電壓信號來控制充退磁電路，輸出電壓范圍為0～5 V。通過線圈反向加退磁電流產生退磁場[13]。退磁電流的大小與霍爾傳感器輸出端產生的電動勢呈正比。該芯片是12位低功耗雙通道電壓型輸出芯片，兼容TMS320和SPI總線接口。如圖5、圖6所示。

圖5 D/A轉換硬件電路

圖6 壓控恒流源電路

3 系統軟件設計

3.1 DSP軟件設計

不同永磁材料磁性參數樣品，需要設置樣品的材料型號和實際尺寸。在樣品測試前需要將樣品磁化到飽和點進行磁鍛煉，以保持試樣磁狀態的穩定。對于具有疊片磁軛的磁化裝置，當磁化電流為零時，磁軛和極頭產生的剩余磁場強度Hr并不等于零[9]。因此,需要采集零點值，并且進行軟件補償。DSP控制的D/A轉換數字壓控恒流源對磁化電流進行調節，同時兩路A/D分別采集磁感應信號和磁化場的信號，通過IIR巴特沃斯數字濾波后，進行數字積分運算，繼而將數據傳送至上位機進行數據處理和顯示。軟件設計主流程圖如圖7所示。

圖7 軟件主流程圖

3.2 上位機軟件界面設計

上位機界面采用Delphi軟件編寫的，界面清晰簡單，具有強大的數據處理功能，通過計算機與數據庫相連，能夠很好地顯示、存儲、查詢、打印測試結果。

4 系統校正和測試數據

本測試系統中，采用MTC—1伏秒發生器對磁通值進行校準。伏秒發生器輸出一標準的磁通，與讀取到的磁通值進行比較，從而進行校準[14]。

為了將測試值和樣品標準值進行對比，重復對一樣品進行測試，當測試儀和磁化裝置有一定發熱時，觀測測試數據的穩定性和重復性。其中,已測試的鋁鎳鈷樣品參數剩磁Br、矯頑力Hcb、內稟矯頑力Hcj、最大磁能積(BH)max的標準值分別為1.251 T，51.67 kA/m，52.23 kA/m，43.90 kJ/m3。鋁鎳鈷樣品具體測試記錄如表1所示。

表1 鋁鎳鈷樣品10次測試數據

通過表1可以看出：樣品重復測試次數為10次，通過將鋁鎳鈷樣品參數標準值和測試值進行對比，可以得出結論：剩磁、矯頑力、內稟矯頑力，磁性參數測試儀數據誤差控制在0.35 %以內，同時最大磁能積的數據誤差也控制在±5 %以內，測試數據誤差控制明顯優于傳統儀器和國標的要求。

5 結束語

本文設計的高精度磁性參數測試儀充分利用了DSP核心快速數據處理的功能，復化Newton-Cotes積分算法和數字濾波提高了測試精度，軟件的調零和補償提高了系統的穩定性。本儀器適應于鋁鎳鈷、鐵氧體等永磁材料磁性參數的測量，與傳統儀器相比，儀器操作簡單，人機交互好，測試精度高，數據穩定性和重復性好。

參考文獻:

[1] 張昌俊,彭黎輝,張寶芬.模擬積分式磁通計的研究與設計[J].新技術新儀器,2003,23(5):20-24.

[2] 黃衛萍.磁性測試系統的改進及其在永磁特性測試中的應用[D].天津:河北工業大學,2009:12-16.

[3] 匡志勇.基于USB總線的靜態磁性參數測試系統的研制[D].武漢:華中科技大學,2008:5-10.

[4] 馮 坤,馬 波,江志農.一種新的基于改進實時雙通濾波器的信號數字積分方案[J].北京化工大學學報,2006,33(3):73-76.

[5] Nam Quoc Ngo.A new approach for the design of wideband digi-tal integrator and differentiator[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems,2006,53(9):936-940.

[6] 劉 剛,武 麗,朱玉玉.基于CORTEX—M3微處理器的數字磁通計的研究和設計[J].數學技術與應用,2012,23(7):132-133.

[7] Zeng Long,He Yexi.Design of magnetic measurement system on SUNIST spherical tokamak[J].Plasma Science and Technology,2008,10(5):535-538.

[8] 易龍強,宋慧娜,陳金玲.復化Newton—Cotes積分算法在電能計量中的應用[J].電測與儀表,2010,47(10):15-20.

[9] GB/T 3217—92.永磁(硬磁)材料磁性試驗方法[S].

[10] 劉彬清,任亞娣.Newton-Cotes數值求積公式的漸進性[J].上海大學學報,2002,8(6):503-506.

[11] 林容益.TMS320F240xDSP匯編及C語言多功能控制應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009:243-262.

[12] 胡廣書.現代信號處理教程[M].北京:清華大學出版社,2005.

[13] 羅 堅,王 玲.基于ARM的矯頑磁力儀的研制[J].儀表技術與傳感器,2009,10(9):22-23.

[14] 王豐棋.磁通量的“伏秒”定標法[R].上海:上海第四電表廠,2005:33-54.