磁滯回線數據自動采集的實驗方法

張雪華 劉 韓 李 紅 鄭利敏 楊林峰

(中原工學院理學院 河南 鄭州 450007)

磁滯回線是描繪鐵磁性材料磁化性質的重要曲線[1，2]，也是制造選擇鐵磁材料的重要依據， 在工程領域有著重要的應用．在實驗中我們通常采用兩種方法來采集磁滯回線的數據，一種方法是采用智能磁滯回線測試儀[3]，另外一種就是示波器方法[4]．智能磁滯回線測試儀可以逐點測量磁滯回線的數據，然后通過軟件繪制出相應的磁滯回線[5]；示波器可以將外加磁場信號(H)和磁感應強度信號(B)分別采集到示波器中，通過李薩如圖形合成的方法來繪制磁滯回線的圖形.智能磁滯回線測試儀的優點是能夠準確地了解磁化特性中的細節，但是測量起來比較費時，需要逐點采集數據，只有在數據測量完成繪制成圖形后才能確定鐵磁材料的基本性質；而示波器可以直觀地觀測磁滯回線的圖線，也比較方便地進行測量多種參數下磁化曲線的特性，但是數據的細節不能通過示波器顯示出來．數字示波器的出現和發展使得磁滯回線數據的快速測量變成了現實.本文基于磁滯回線測量的基本原理，采用示波器的方法，利用Labview程序和USB接口技術，實現磁滯回線數據在PC機上的自動化采集和處理.

1 實驗裝置和實驗原理簡介

實驗裝置有四通道數字存儲示波器(TDS-2004B)、磁滯回線實驗儀(TH-MHC)和PC機.磁滯回線實驗儀通過兩個同軸電纜數據線將信號傳輸給示波器，示波器與PC機可以用USB和Labview程序實現數據交互．實驗操作簡單易行，數據準確，而且可以系統地研究磁滯回線特性．示波器測量B-H曲線的實驗裝置，如圖1所示.

圖1 磁滯回線實驗測量原理圖

本實驗研究的鐵磁物質為環型矽鋼片，N為勵磁繞組，n為用來測量磁感應強度而設置的繞組，稱測量繞組，R1為勵磁電流取樣電阻．設通過N的交流勵磁電流為i1，根據安培環路定律

(1)

其中L為樣品的平均磁路長度，它和N,R1均為已知常數，所以由U1可確定H.

在交變磁場下，樣品的磁感應強度瞬時值B是測量繞組n和R2C2電路給定的．根據法拉第電磁感應定律，由于樣品中的磁通Φ的變化，在測量線圈中產生的感生電動勢的大小為

(2)

若忽略自感電動勢和電路損耗，則ε2=i2R2.

(3)

由式(2)和式(3)可得

(4)

式中S為樣品的截面積，i2為感生電流，U2為積分電容C2兩端電壓.其中C2,R2,n和S均為已知常數.因此，由U2可確定B.如圖1中的U1(UH)和U2(UB)分別接到示波器的“CH1 X”和“CH2 Y”便可觀察樣品的動態磁滯回線．

2 程序設計

2.1 示波器與PC機交互技術

實驗中，四通道示波器可以通過前面板USB端口與PC機無縫連接，從而實現實驗測量數據的交互和存儲.示波器與PC機的交互主要靠Labview中LC9420波形讀取編譯模塊實現的，該模塊能夠實現從示波器上讀取數據的功能，并將其編譯成字符串數據．在圖2中，VISA resource name 模塊代表的就是實驗中的數據源(示波器的信號)，LC9420模塊就是將示波器信號轉化為字符串數據．程序設計中可以選擇信號源的傳輸通道和采集數據點的總量．

圖2 示波器數據交互模塊

2.2 數據分析和編譯

事實上，通過LC9420模塊讀取的字符串數據不能在虛擬的波形顯示模塊上顯示，必須將其轉化為二進制或者十進制的數字才能顯示.因此，我們首先必須對這些字符串數據進行編譯.這是LC9420模塊的另一個功能．首先字符串數據要寫入PC機的緩存中，然后根據需要讀取一定數量的數據，再通過掃描字符串子模塊將字符串轉化為二進制或十進制數據．為了節省PC機的內存，程序還將這些數據壓縮成簇．

實驗中我們另一個目標是測量結果的可視化和實時性，程序前面板能夠顯示出與示波器信號一致的圖樣，這樣就要求對數據進行實時顯示.簇數據不能直接由虛擬波形顯示器顯示出來，必須通過一個波形分析子模塊實現此轉換．另外簇數據轉換時要有原來的字符串數據作為參考，并且在存儲單元中形成一一對應關系．因此，在波形分析時需要再次從信號源中讀出一組字符串數據與之對應，這就是波形分析子模塊．經過該模塊的處理，簇數據變成了十進制的信號數據，這樣數據就能在程序的虛擬波形顯示器上顯示，最終達到實時監控信號的目標．

2.3 數據處理和保存

數據處理過程就是去除噪聲，優化顯示圖形的質量，提高測量精度.數據處理分為兩步.首先用濾波器對采集到的信號進行濾波處理，采用的是帶通濾波方式．由于信號源的頻率為50 Hz，我們將帶通頻率設置為40～60 Hz.通過帶通濾波可以將其他波段的噪聲全部濾除．濾波后我們將信號分別傳輸給圖像顯示模塊的XY通道，這樣圖像顯示模塊就能將兩路信號進行合成李薩如圖形，即B-H磁滯回線．但是信號只通過濾波器處理，噪聲信號依然較大，圖像質量并不理想．

圖3 磁滯回線數據處理模塊

為了進一步提高圖像質量，我們選用一種簡單有效的方法——多次采集數據相加再取平均值，數據采集程序如圖4所示．實驗中通常是100次數據采集的平均值，但是我們不是直接將數據采集100次進行平均值，這樣會等待較長時間后才能看到測量結果.如果測量結果不理想，這段時間就浪費了．因此，數據測量過程中，我們采用的方法是先取2次測量平均值，然后再進行累加，這樣的話如果出現外界信號干擾，可以及時停止數據采集.方法是將實時數據存入一個數組中，用一個For循環對數據進行累加，實時數據是通過數組的局部變量傳輸的，這樣平均的次數會以2為等差數列進行累加，最終獲得的信號是100多次的平均值.噪聲信號的隨機性使得這種信號處理方法非常有用．

Labview程序平臺還提供較為直觀方便的數據保存模塊.我們首先利用局部變量將兩路數據傳輸給一個二維數組，二維數組直接與一個電子表格文件模塊相連，電子表格模塊可以設置數據的位數，并且可以根據需求對其命名．電子表格模塊還可以設置存儲路徑，使用極其方便快捷.另外，數據采集操作非常簡單，程序的前面板如圖4所示.數據采集時，只要用鼠標單擊一下運行箭頭(方框標記處)，數據采集完成單擊一下“STOP”按鈕，并根據需要給數據文件命名即可完成測量．

圖4 磁滯回線數據采集程序前面板

3 實驗數據測量

我們主要做了3個方面的測量，即R1選擇對鐵磁物質磁滯回線特性的影響、磁化和退磁過程中磁滯回線的特征和異同．

3.1 R1選擇對鐵磁物質磁滯回線特性的影響

該實驗測量過程外加電壓設置為2.2 V，對應的R1選擇的電阻分別為1.5 Ω,2.0 Ω,2.5 Ω,3.0 Ω,3.5 Ω,4.0 Ω,4.5 Ω和5 Ω，相應的實驗結果如圖5所示.

圖5 磁滯回線圖像隨外加電阻R1的變化

從圖5我們獲得以下信息：

(1)從圖中可以看出所有的磁滯回線交于兩點，分別對應于剩磁Br和-Br，說明剩磁是材料的固有屬性，不隨著外加電阻的變化而變化.

(2)發生磁飽和現象時，Bm的值趨于一個確定的值，這一點也顯示出磁飽和時，磁感應強度是一個與鐵磁材料自身特性有關的物理量.

(3)外加電阻越小，磁性物質越容易達到磁飽和狀態.

(4)外加電阻越小，磁體的磁能密度越小，因此在交變磁場中，外加電阻越大勵磁和去磁消耗的能量越大.

3.2 勵磁和退磁過程

勵磁和退磁過程，外加電阻R1的值都設置為2.5 Ω，電壓分別為0.5 V,1.0 V,1.2 V,1.8 V,2.0 V,2.2 V,2.5 V,2.8 V和3.0 V.如圖6所示，勵磁和退磁雖然是互逆的過程，但是磁滯回線既有相同點，也有不同之處．

圖6 勵磁和退磁過程中磁滯回線

(1)不管是勵磁過程還是退磁過程磁滯回線的畸變度都是隨外加電壓的增大而變大.

(2)磁滯回線所圍成的面積隨外加電壓增大而增大，最終趨于一個最大值，這說明磁性材料能夠存儲的能量是由材料的自身性質決定的.

(3)退磁過程中磁場強度和磁感應強度的值變化都有勵磁過程中相應的值.

(4)在電壓為2.0 V以下時，磁滯回線的畸變非常小，退磁和勵磁的測量結果幾乎相同，可以斷定退磁和勵磁過程中，磁性曲線的畸變對勵磁和退磁的特性有重要影響．

4 結束語

磁滯回線表示磁場強度周期性變化時，強磁性物質磁滯現象的閉合磁化曲線.本文借助于磁滯回線測量的基本原理，采用示波器的方法，利用Labview程序和USB接口技術，實現磁滯回線數據在PC機上的自動化采集和處理，這種自動采集和處理數據方法，不僅提高了實驗效率，并且更精確地采集了數據．由于磁滯回線在工程實踐過程中的重要性，一種快速、有效、精確地測量磁滯回線實驗數據的方法具有很好的實用價值．根據所測的磁滯回線可以很快了解磁性材料的特征，并由此辨別軟磁材料、硬磁材料以及矩磁材料，這些將成為設計電磁機構和儀表的重要依據之一.