基于虛擬儀器的磁特性測量系統的設計及實現

王銘華,李 強, 陳虹麗

(1. 哈爾濱工程大學 計算機科學與技術學院,黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學 自動化學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

磁性材料的磁特性測量是在外加磁場的不斷激勵下,測量磁性材料的磁場強度H、磁感應強度B以及H和B的相互影響[1]。首先在待測磁性材料上纏繞不同匝數的銅線,制成一個簡易變壓器[2]。為了減少變壓器中的鐵損耗,變壓器的鐵芯一般采用導磁性能好的硅鋼片疊壓而成,硅鋼片要盡量薄,以保證鐵芯中的渦流損耗小。然而,以硅鋼為磁性材料的變壓器連入電路后,測量得到的磁滯回線圖形十分狹長,其原因是硅鋼屬于易磁化、易退磁的軟磁性材料,矯頑力很小,無法得到飽滿的磁滯回線。此外,還要選擇適當的銅線繞制變壓器,銅線的截面積需按通過電流的大小選擇。

本文設計了一個利用虛擬儀器的磁特性測量系統。將磁場強度與磁感應強度轉換成電動勢信號,用數據采集卡NI6251采集信號,將信號傳輸到上位機進行磁特性測量并得到磁滯回線[3-5],用示波器進行磁性材料的磁滯回線顯示[6-11]。

1 磁滯回線測量電路設計

磁滯回線測量電路如圖1所示。電路中,U2表示磁感應強度對應的電動勢信號,U1表示磁場強度對應的電動勢信號。

圖1 磁滯回線測量電路

由磁滯回線測量原理可知,原邊輸入端的電勢與磁場強度H的大小成正比,副邊輸出端的電壓正比于鐵芯內的磁感應強度B,并且在測量磁感應強度的一端,設計一個RC電路進行信號轉換[12]。

為了方便實驗操作,電路設計選取50 Hz(周期為0.02 s)的交流電源,所以RC值應遠大于0.02 s。根據這個要求,選擇10 kΩ電阻以及10 μF的電容作為測量磁感應強度端的元件參數。為了使電動勢波形不發生畸變,采用變壓器控制，使測量磁場強度端的勵磁電壓成為可以控制大小的電壓,勵磁電壓可以分別為0 V、0.5 V、1 V、1.5 V、2 V、2.5 V、3 V。相應地,測量磁場強度端設置一個滑動變阻器,選擇若干個阻值為0.5 Ω的電阻,通過改變電路中電阻的個數改變電阻值。

為了使磁滯回線圖形更加直觀,選擇硬磁材料碳鋼作為變壓器的磁性材料。設計磁路長度L為0.05 m,匝數比設置為3∶1,纏繞匝數為150∶50。根據所設計的電路計算,電路中通過的最大電流為10 A,而且選擇的磁性材料較小,因此選用2.5 mm2的銅線來對磁性材料進行繞制。本文磁性樣品——變壓器,采用多層整齊密繞方法,引線長10～15 mm。繞線后包銅箔,再用膠帶纏繞。圖2為焊接完成的磁滯回線電路。

圖2 焊接完成的磁滯回線電路

磁性樣品(變壓器)一共有4條引線。將150匝線圈的兩條引線分別與RC電路中的電阻一端和“地”相連,將50匝的兩條引線分別與0.5 Ω電阻一端和選擇開關變壓器一端相連,把電路中的地都連到一起。實驗結果是在示波器上出現理想的磁滯回線。改變勵磁電壓的大小,磁滯回線的形狀也會相應地有所改變。

示波器上理想的磁滯回線圖形證明了本設計對磁性材料磁特性測量電路的設計制作是正確的。

2 噪聲抑制

實驗中難免會產生誤差,例如環境中雜散信號產生的噪聲會引起測量誤差。通過示波器的頻譜分析發現,在頻率分別為150 Hz、250 Hz和2 000 Hz的時候是存在噪聲的。因此需要加入一個一階低通濾波器(截止頻率100 Hz)。經過計算,選用720 Ω的電阻與2.2 μF的電容構成一階低通濾波器。

3 基于LabVIEW實現磁滯回線測量的實驗結果

LabVIEW程序面板界面如圖3所示,前面板所得磁滯回線見圖4。可以在前面板得到兩端輸入的波形(見圖5),將不同的勵磁電壓下的磁滯回線曲線的頂點坐標的數值記錄下來,見表1。

圖3 程序面板界面

圖4 前面板所得磁滯回線圖

圖5 兩端輸入波形圖

勵磁電壓/VHmax/(A·m-1)Bmax/mT1.025.0236.1451.529.5648.2962.036.3559.9552.545.53410.2163.076.38911.559

4 結語

基于虛擬儀器LabVIEW的磁特性測量實驗系統使學生熟悉磁場測量傳感器及測量儀器的原理及設計方法,學會利用數字示波器和虛擬儀器來觀測、分析和繪制測量曲線。該測量系統達到了以下實驗目的：

(1) 了解軟磁材料測量系統的組成；

(2) 掌握軟磁材料的B-H曲線的測定方法；

(3) 熟悉基于微機和LabVIEW的虛擬儀器測試系統的設計與應用；

(4) 了解軟磁材料在不同頻率下的B-H曲線變化規律和磁特性。

學生可以基于磁特性測量結果對相關電子設備優化設計,可以減小磁滯損耗,提升工作效率與能源的利用率。