利用磁通計模擬沖擊法原理測試初始磁導率

汪迪坤，韓和兵，李曉馬，石英珂，許東耀

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

沖擊法[1]作為一種被眾多國家列為直流磁性能測試的標準方法，其在軟磁直流磁性能測試過程中，有著測試精度高、測試結果重復性好等特點。但是隨著科學技術的發(fā)展，用于沖擊法進行磁性能測量的沖擊檢流計現(xiàn)已逐漸退出了歷史舞臺,取而代之的是分辨率與精度越來越高、漂移越來越小的磁通計。高端的磁通計已實現(xiàn)了量程無上限，最小分辨率達10-7V·s且漂移小于10-6V·s/min，已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)磁性材料測試的需求。但是在軟磁材料磁性能測試過程中發(fā)現(xiàn)，采用磁通計積分法在測試超高磁導率的鐵鎳合金、非晶態(tài)合金時，即使每次測試前都對試樣進行了完全的退磁處理，但最終所測得的初始磁導率都會有較大的波動，即測試重復性差，同一試樣在同樣條件下所測出的初始磁導率可能會偏差30%以上[2]。基于此原因，針對坡莫合金等初始磁導率高的軟磁材料，目前國內還沒有能夠統(tǒng)一計量的標準試樣，中國計量院也無法完成此類合金標樣制作與計量的工作。本文利用磁通計積分法測試軟磁材料的磁性能設備，結合國標中要求的高磁導率材料的測試條件參數(shù)，設計出采用磁通計積分法來模仿經(jīng)典沖擊法的軟磁合金直流磁性能測試方法，最終驗證了采用磁通計積分法模仿沖擊法來測試軟磁合金初始磁導率的測試方法,新方法測試所得到的數(shù)據(jù)與采用沖擊法測試所得的數(shù)據(jù)具有相近的精確度與重復性。

1 磁通計積分法模擬沖擊法測試原理

圖1 軟磁合金直流磁性能測試沖擊法原理圖

圖2 磁通計積分法測試軟磁合金直流磁性能的磁滯回線

(1)

至此可以看出，采用磁通計積分法來模擬沖擊法在測試原理上是可行的，測試的微小不同取決于各個磁性能測試設備對磁化電源輸出電流的控制精度與磁通計的積分精度等硬件設施。

2 驗證實驗設計

本文選取國標中常用的較高磁導率的材料1J50與常用的高磁導率材料1JH3作為研究對象，來驗證利用磁通計模仿沖擊法來測試軟磁材料初始磁導率的可行性。具體實驗過程如下：

(1) 采用常規(guī)測試磁化曲線的方法測試兩種軟磁合金同一個試樣的磁化曲線，每個試樣測量10次，并取出此種方法測試的初始磁導率數(shù)據(jù)；

(2) 采用測試設備的磁通計測試兩種軟磁合金同一試樣磁化至標準規(guī)范中規(guī)定的磁場強度的磁滯回線10次，并依據(jù)式(1)計算出10個磁滯回線所對應的初始磁導率數(shù)據(jù)即為初始磁導率；

(3) 再采用沖擊法分別測量兩種軟磁合金同一個試樣的初始磁導率10次，并記錄下測試結果。

最終將實驗過程(1),(2)得到的初始磁導率數(shù)據(jù)分別與標準中規(guī)定的沖擊法測試得到的數(shù)據(jù)做對比，以此來分析采用磁通計模仿沖擊法測試軟磁合金初始磁導率的測試精度與測試數(shù)據(jù)的可信度。如果磁通計積分法來模仿沖擊法所測試得到的初始磁導率與沖擊法測試所得到的初始磁導率偏差,能夠滿足標準中規(guī)定的偏差范圍,且能夠具有較高的重復性與可信度，則可以認為磁通計積分法測試軟磁合金初始磁導率的方法是可行的。

3 實驗驗證測試數(shù)據(jù)與結果分析

采用磁通計積分法直接測量1J50與1JH3軟磁合金的磁化曲線分別如圖3、圖4所示。從其測試數(shù)據(jù)中提取出10次的初始磁導率數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 10次測量的1J50軟磁合金磁化曲線

從10次采用磁通計積分法測試得到的兩個不同磁導率材料的磁化曲線可以看出，對于磁導率較小的材料1J50，10次測試數(shù)據(jù)曲線基本重合，這是由于磁導率較低的材料在測試過程中對環(huán)境、測試前樣環(huán)的退磁情況敏感性較低。測試結果具有很高的一致性，但是從測試數(shù)據(jù)提取出的10次初始磁導率數(shù)據(jù)與均值最大差異達到6.3%。而對于磁導率高的1JH3，10次測試的磁化曲線出現(xiàn)了明顯差別，這主要是由于高磁導率類材料對測試過程中的環(huán)境，測試前的退磁狀態(tài)比較敏感，環(huán)境或退磁狀態(tài)稍有差異就會造成磁化曲線的不一致。因此，采用磁通計積分法雖然測得了1JH3材料的磁化曲線，但由于其磁化曲線波動較大，測試結果可信度較低，此10次測試出的初始磁導率數(shù)據(jù)與均值最大差異達到2.95%，盡管10次測量得到的初始磁導率數(shù)據(jù)波動性不是很大，但從測試曲線看不排除多次測量會得到波動較大的數(shù)據(jù)。

表1 采用磁通計積分法10次直接測量1J50與1JH3的初始磁導率

圖5 10次測量的1J50軟磁合金磁滯回線

從10次采用磁通計模仿沖擊法測試1J50與1JH3的初始磁導率的磁滯回線可以看到，在整個測試過程中數(shù)據(jù)點都成鋸齒狀，其中1J50的磁滯回線鋸齒狀更為明顯。造成此現(xiàn)象的主要原因是磁通計的漂移。由于1J50的磁導率較低,為7 mH/m，在場強0.4 A/m、截面積20 mm2、次級線圈N2為100匝的情況下，次級線圈接入磁通計的磁通量只有5.6 μWb左右，而目前最高精度的磁通計的分辨率也只達到10-7Wb，最小漂移量為1×10-6Wb。由此可見，磁導率越低、磁化場強越低、次級感應線圈匝數(shù)

表2 采用磁通計模仿沖擊法10次測得1J50與1JH3的初始磁導率

從10次采用磁通計模仿沖擊法測試1J50與1JH3的初始磁導率數(shù)據(jù)可以看出，盡管采用磁通計模仿沖擊法測試磁滯回線測試所得到的數(shù)據(jù)不平滑，出現(xiàn)鋸齒狀，但是依據(jù)測試結果計算得到的1J50初始磁導率數(shù)據(jù)與均值差值最大也只有1.9%的差異，而依據(jù)測試結果計算得到1JH3初始磁導率數(shù)據(jù)與均值最大的差異也只有1.1%。目前，相關的測試標準無法給出磁導率測試誤差重復性的要求，依據(jù)相關的測試標準要求，磁性能測試時，磁化場強測試誤差≤2%，感應場強類參數(shù)測試誤差≤3%。從以上兩個參數(shù)要求來看，采用磁通計模仿沖擊法測試軟磁材料初始磁導率是完全可行的。為了提高測試精度，還可以通過提高感應線圈匝數(shù)、增大測試樣環(huán)的截面積與采用精度更高的磁通計等措施，來進一步提高測試數(shù)據(jù)的可信度。

采用沖擊法測試的1J50與1JH3軟磁合金初始磁導率數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 采用沖擊法10次測得1J50與1JH3的初始磁導率

從采用沖擊法的10次測試1J50與1JH3軟磁合金初始磁導率數(shù)據(jù)可以看出，采用沖擊法測試的1J50初始磁導率均值與采用磁通計模仿沖擊法測試出的初始磁導率均值只相差了0.97%，10次采用沖擊法測試出的1J50初始磁導率數(shù)據(jù)與均值相差最大為2.3%。可以看出，采用沖擊法測試軟磁合金磁性能也存在測試結果重復性差的問題，這主要是由于沖擊法測試時測試樣品在次級線圈中電流的暫態(tài)振蕩引起的[5]。采用沖擊法測試出的1JH3初始磁導率均值與采用磁通計模仿沖擊法測試出的初始磁導率均值只相差了0.45%，采用沖擊法測試出的1JH3初始磁導率數(shù)據(jù)與均值相差最大為1.5%。由此可見，利用磁通計模仿沖擊法測試軟磁合金初始磁導率是完全可行的。

將三種測試方法所得到的初始磁導率數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以沖擊法測試的初始磁導率數(shù)據(jù)作為基準，分別對比磁通計積分法與磁通計模仿沖擊法測試結果與沖擊法測試數(shù)據(jù)結果的差異如表4、表5所示。

表4 不同測試方法10次測試1J50與初始磁導率統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)表

表5 不同測試方法10次測試1JH3與初始磁導率統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)表

從表4、表5不同測試方法的10次測試初始磁導率對統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)表可以看出，采用磁通計模擬沖擊法測試的初始磁導率結果與采用沖擊法測試出的初始磁導率偏差在1%以下,且采用磁通計積分法測得的初始磁導率的方差甚至優(yōu)于沖擊法測試得到的數(shù)據(jù)。而采用磁通計積分法直接測量得到的初始磁導率與沖擊法測試得到的初始磁導率偏差最大高達5.66%，且磁通計積分法測試出的初始磁導率均方差也較高，有很大的不確定性。至此，我們驗證了采用磁通計替代沖擊檢流計進行模擬沖擊法測試軟磁合金初始磁導率的方法是可行的，且采用磁通計代替沖擊檢流計的模擬沖擊法測試軟磁合金的初始磁導率也具有與采用沖擊檢流計相仿的重復精度，采用磁通計模仿沖擊法還可以通過后續(xù)的增加感應線圈N2的匝數(shù)等措施來進一步提升測試數(shù)據(jù)的一致性。

4 結 語

本文通過仿效沖擊法測試軟磁合金磁性能的原理，提出了采用磁通計測試軟磁合金磁滯回線所得到的測試數(shù)據(jù)，并結合磁滯回線對稱的特點，模擬沖擊法來計算測試軟磁合金初始磁導率的方法，通過對比分析采用磁通計積分法、磁通計模擬沖擊法與經(jīng)典沖擊法測試出的初始磁導率數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)，采用磁通計積分法測試得到的初始磁導率精度較低、重復測試精度較差，而采用磁通計模擬沖擊法測試所計算得到的軟磁合金的初始磁導率數(shù)據(jù)精確度與采用沖擊法測試所得到的初始磁導率數(shù)據(jù)精確度偏差在1%以內，且測試重復性甚至更優(yōu)于采用沖擊法所測得的數(shù)據(jù)，因此我們認為采用磁通計模擬沖擊法測試軟磁合金的初始磁導率是準確且可行的。