新型軟磁材料靜態參數測量系統設計

何雯 董威 茍輝

摘 要：為提升軟磁材料靜態參數測量系統的精度及簡化儀器操作復雜度，文章利用積分器代替沖擊檢流計測量弱磁信號，A/D芯片將積分器的輸出電壓轉為數字信號，并利用FPGA對數據進行預處理，將處理后的數據借助串口發送至上位機進行最后的處理，最終得到材料的靜態參數與磁化強度和磁感強度的對應關系曲線。實驗結果證明，本系統可有效測量軟磁材料的靜態參數，其飽和磁感應強度的測量誤差為1.20%，小于沖擊檢流計測量飽和磁感應強度的測量誤差1.97%；且測量結果不需進行人工計算，操作簡單。

關鍵詞：軟磁材料；靜態磁參數；模擬積分器；上位機

我國磁性材料的蘊藏量居世界首位，同時也是磁性器件制作大國。但我國磁性材料僅僅只是產量高，產值很低；國內磁性材料市場對于性能優良的磁測試儀器需求十分迫切。但我國在材料及器件的生產加工、磁測量技術等領域發展緩慢，與國外先進的磁測技術相差甚大，如F.W.BELL公司的5100系列手持式磁場計性能卓越，但是價格十分昂貴[1]。基于這種狀況，我國迫切需要自主研發出一款性能卓越的磁測試儀器。

文獻[2]在研究沖擊法測量軟磁材料靜態參數基礎上，設計了以單片機為核心的靜態參數測量系統，但這種方法測量靜態參數時誤差大。文獻[3]分別介紹了以模擬和數字積分器為基礎的兩種測量磁性材料靜態磁滯回線的方法，指出這兩種方式各自的優缺點。文中設計了一種基于數字積分器的計算機控制的靜態磁滯回線測試系統。文獻[4]研究了模擬式磁通計設計原理以及設計過程中的困難和關鍵技術，介紹了一種減小其測量誤差的設計方案。但是文獻[4]中關于模擬式積分器的設計并不是很完善，并未顯著減小積分漂移帶來的誤差。在此基礎上，本文提出一種新型軟磁材料靜態參數測量系統設計，旨在提高軟磁材料靜態參數的測量精度。

1 系統設計

本測量系統主要由積分器、數據采集、數據通信和上位機4個部分組成。本系統主要是依據電磁學理論利用基于運算放大器的積分電路完成對測量線圈輸出的感應電動勢的積分運算，將積分器的輸出電壓借助模數轉換電路轉換為數字信號，接下來利用現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）模塊對數字信號進行預處理，再通過數據通信模塊將信號發送至上位機進行最后的處理，得到軟磁材料的靜態參數和磁化曲線。

2 積分器模塊

2.1 器件選取

運算放大器、電阻和電容是構成積分器的主要器件。積分漂移是導致積分器輸出精度低的主要因素，也是影響系統測量精度最主要的因素之一[5]。為減小其對測量結果的影響，需按照低輸入失調電流、低輸入失調電壓等原則選取運算放大器。本文通過查閱芯片手冊對比幾種常用于積分電路的運算放大器，比如OP07，OP37以及ICL7650S等，最終選擇ICL7650S這款運算放大器。ICL7650S是一款斬波穩零式運算放大器，輸入失調電流的典型值為8 pA，輸入失調電壓的典型值僅為±0.7 μV，非常適合用于檢測微弱信號的積分器中。

環境溫度變化較大時，會改變積分電阻阻值，進而影響到積分器的輸出精度，因此積分電阻需選用低溫度系數的精密電阻。電容的漏電電阻以及損耗角會對積分器的輸出產生較大的影響，選取積分電容時應選擇漏電電阻阻值大、損耗角正切值小的電容。聚苯乙烯薄膜電容的漏電電阻阻值較達，損耗角正切值，故文中選用聚苯乙烯薄膜電容作為積分電容。

2.2 積分時間常數的確定

積分時間常數也是影響積分器輸出的關鍵因素之一，取得太小，會使積分器在未到積分時間時就已飽和；取得太大，會使積分器的輸出信號變得太小，加大后續設計難度[6]。考慮到磁信號較小，積分輸出飽和發生的概率很小，主要考慮電阻和電容的取值對積分器的影響。電容不應取過大的，因為容值愈大愈難保證其漏電電阻及損耗角正切值等參數。經查閱資料，選用1F聚苯乙烯薄膜電容作為積分電容，溫度系數為2.5×10﹣5，0.1%精度的100電阻作為積分電阻。

3 數據采集模塊

3.1 FPGA控制模塊

隨著電子技術的發展，FPGA得到了廣泛的應用；其制作成本與銷售價格不斷下降，基于FPGA的數字電路已成為發展趨勢。本文選擇EP3C5E144C8N芯片，它具有低功耗、高性能和低成本的特性；內部有豐富的觸發器和可編程邏輯資源，可縮短系統的設計周期，降低開發成本。

3.2 A/D轉換電路的設計

經查閱文獻，樣品的弱磁信號一般為2～20 mV；系統所需的模數轉換芯片需能分辨小于磁信號一個量級的電壓。本文選擇的是MAX1241這款12位模數轉換芯片，其分辨率為0.6 mV；它具有一個3線串行接口，直接與微控制器的I/O口相連。該芯片需要外接參考電壓，選擇了MC1403這款精密基準電壓芯片來產生2.5 V的電壓供A/D芯片使用。

3.3 數據通信模塊

本文采用PL2303芯片作為TTL-USB轉換器。該芯片內置USB收發器、USB功能控制器等，只需外接電容便可實現TTL信號和USB信號轉換。12 M晶振為PL2303提供時鐘，RXD與TXD完成串口接收與發送數據工作。DM與DP引腳實現系統與USB之間的數據傳輸。

4 上位機

LabVIEW是可視化跨平臺并使用圖標創建應用程序的虛擬儀器開發平臺。本軟磁材料靜態參數測量系統的上位機就是基于LabVIEW2013設計的。可對串口初始化設置，通過A和兩個控件輸入樣品參數，處理串口數據，同時繪制曲線。

5 實驗結果及分析

本文選擇1J50軟磁材料進行靜態磁參數測量試驗，按行業要求在磁化強度H=100 A·m-1，H=200 A·m-1，H=300 A·m-1，H=400 A·m-1，H=800 A·m-1，H=1 600 A·m-1，H=2 000 A·m-1下測試。樣品截面積0.266 cm2，平均直徑3.6 cm，測量繞組匝數30。樣品的B-H曲線如圖1所示，由圖可得出800 A·m-1下樣品已趨于磁飽和狀態，1 600 A·m-1時已飽和，飽和磁感應強度為1.501 75 T。使用國標中推薦的沖擊檢流計測得樣品的為1.55 T，樣品真值取自廠家給出的1.52 T，則靜態參數測量系統的飽和磁感應強的相對誤差為1.20%，沖擊檢流計的飽和磁感應強度的相對誤差為1.97%。

6 結語

（1）本文依據電磁學理論利用積分器對樣品的感應電動勢進行積分運算，利用數據采集模塊和上位機進行數據處理，并在上位機上顯示軟磁材料的B-H曲線與磁感應強度值。還可對測試結果進行保存。

（2）選取常用的1J50軟磁材料進行靜態磁參數測量試驗。實驗結果表明，軟磁材料靜態參數測量系統可有效進行靜態參數測量；且在相同測試條件下，其飽和磁感應強度測量結果相對誤差為1.20%，優于沖擊檢流計的飽和磁感應強度測量結果的相對誤差1.98%。而且本系統可實時得到測量結果并繪制B-H曲線，不需進行人工計算與處理。

[參考文獻]

[1]湛永鐘，潘燕芳，黃金芳，等.軟磁材料應用研究進展[J].廣西科學，2015（5）：467.

[2]杜永蘋.磁性材料磁特性參數的測量研究[D].西安：西安理工大學，2010.

[3]李玲玲，趙全明，張劍軍.磁性材料靜態磁滯回線的兩種測量方法[J].周口師范高等專科學校學報，2000（2）：15.

[4]張昌俊.模擬積分器式磁通計的研究與設計[J].計測技術，2003（5）：20.

[5]劉齊.永磁材料靜態磁特性測試系統的設計與實現[D].長沙：湖南大學，2015.

[6]袁龍.基于LabVIEW測量材料磁特性參數的新系統[D].長春：吉林大學，2013.