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软磁材料直流磁性能测量方法的发展历史

2021/04/09 10:27
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【摘要】:
中国现代磁测量发展近40年来,标准样品的传递在此过程中起着重要的作用!没有可溯源的标准样品做参考来检验设备,它的后果是相当可怕的!这点需要特别强调和引起重视!只有经过不断的努力,提高磁测量的技术和完善测试标准,获得标准样品,才能有效的对相关测试设备进行考核!

  金属软磁材料理论研究和工业应用至关重要,了解它们的内在参数自然是必须的。然而,他们的实验评估并非易事,因为测量的数据还依赖于测量设备背后的方法。如:在对软磁材料闭路样品的直流磁性能参数的常规测量时,数据的重复性取决于磁通计和电流源的水平,但更有必要的是掌握正确的测试方法,否则会出现很多问题。我们一起来看下软磁材料直流磁性能测量方法的发展历史


  现有标准中如:IEC 64004-4、IEC 64004-7、ASTM A341、A342和 GB/T 13012-2008 等, 只是大致描写了扫描法或冲击法测量的过程,其中冲击法的描写或仍停留在对传统经典冲击法书本上的描叙,或还没真正理解磁测量理论,尤其是如何控制冲击速度和采集取值时间,达到消除涡流阻尼在金属软磁测量过程中的影响,这使得测试数据出现较大差异成为常态。
  中国做为磁性材料生产和应用大国,有必要做好软磁直流特性测量的工作,这将有利于为我国新材料、汽车、军工、通讯和智能制造等事业的基础研究提供准确的测量数据。中国软磁材料直流磁性能测量方法的发展史是一个一步一步接近材料直流磁特性的过程:
  1980年代以前,参考前苏联技术,采用经典的冲击法测量软磁材料的直流磁性能,冲击法是从定义出发的磁性材料直流磁性测量经典方法!冲击法直流磁性测量的关键是ΔB的准确测量,最早采用冲击检流计,靠惯性积分,速度慢,精度低,限制了这个经典测量方法的应用,但在原理上它仍然是唯一!
  1990年代,在中国计量科学研究院瞿清昌高级工程师的领导下,由中国计量科学院为主导,湖南省娄底地区电子研究所参与,将计算机、D/A变换器、励磁电流发生器、积分器有机结合,实现了采用模拟冲击法测试初始磁化曲线和扫描法测试磁滞回线的方法,在测试材料的初始磁导率ui和最大磁导率um重复性方面得以大大提高,该过程属于定性,测试结果也朝着正确的方向接近,模拟冲击法测试磁滞回线的方法因当时励磁电流发生器和积分器还比较落后,测试重复性较差,难以胜任磁滞回线和相关参数的测量。
  2000年代,以湖南省联众科技有限公司为代表,实现了采用模拟冲击法测试软磁材料直流磁性能磁滞回线方法,将测试回线和参数的重复性得以提高,并基本上满足了低涡流阻尼软磁材料的直流磁性能测试要求,但还是属于一个定性,针对不同的材料使用什么样的冲击周期控制获得直流磁性能还是空白。
  2010年代,以湖南省永逸科技有限公司为代表,将模拟冲击法继续往前再推进一步,主要核心技术是采用微机智能执行循环冲击磁化曲线和磁滞回线,直到与前一周期冲击结果比较满足0.3%以下的差异,认为获得了材料的直流磁性能结果,并首次申请国家发明专利。这种测量方法算定量,可将测试偏差缩小到更小范围内,但存在测试时间相对比较长,尤其对在要求测试到Hs 比较高的情况下,积分器漂移偏差影响难以修正。
  2020年,湖南省永逸科技有限公司在巴塞罗那资质大学陈笃行教授的指导下,发明了控制H(t)函数进行两次不同扫描速率R(A/m/s)测量获得磁滞回线,并外推R=0,获得DC磁滞回线的方法;同时发明了通过计算机编程人工智能优化,对单点冲击过程采用自动判断ΔB值变化小于0.1%条件下,即保证在dH/dt=0,dB/dt≈0稳态下取值,这是一种完全从定义出发,保证了测试结果的唯一性定量测试的方法!它将在软磁材料、尤其在对高涡流阻尼的金属实心环的直流磁性能测量中发挥重要的作用,也将为进一步科研工作者进一步掌握软磁材料的磁化机理(冲击法磁化时间波谱)提供可靠的测试手段!测试速度也较以前得到提高,整个测试过程完全由计算机智能判断和控制,无需人工干预。
  我们将此测试方法再次申报中国发明专利,同时因测试方法便于实现,我们还将这种方法推荐给全世界,推动它成为闭路金属软磁材料直流磁性的国际标准(当然测试方法同样也适合对低阻尼软磁材料:如软磁铁氧体的测量,测试速度将更快),以满足金属软磁材料直流磁性能测试数据的一致,获得相关标准样品!
  鉴于对我国软磁材料直流磁测量设备发展的历史分析,在此插入一段对目前我国正在讨论的是否取消标准样品的看法。首先标准样品代表的是一个阶段,采用大家认知和认可的一种测试规则条件下,对样品进行赋值获得准确的测试结果,在物理计量中标准样品属于一个标准器,可以使用它来对测试设备进行溯源和校准,甚至可用来判断设备测试方法是否满足标准规范的要求!标准样品测准确赋值也将随着测试设备分辨率、精度和测试技术的进一步提高而提高!
  目前磁测量设备供应商普遍存在为满足市场和用户特殊需求,参考标准样品数据或根本不参考标样数据对测试结果进行随意调整的现象,这种行为很可能会降低标准样品在溯源过程中作用和可信度。特别在近期行业会议的讨论过程中,还有人提出取消标准样品的呼声,理由是标准样品也是采用设备测试出来的,数据是可以通过软件进行修改的!这是不负责任的说法。至少发言人是根本不懂磁测量的目的和标准样品的意义,更不懂磁性材料的磁化机理,对标准样品的认识停留对几个参数上,这不便于磁性材料的研究和磁性材料的应用。实际在对软磁材料直流磁性能测量研究过程中,已经将测试要求延伸到将整个磁化曲线和磁滞回线的测量测量准确,不能通过简单的磁通、磁场修正做到!
  正如在AMST委员会的主持下, 2007年组织过一次国际软磁材料直流磁性能各实验室设备进行过的一次测试设备比对后发表的一篇论文:《Precision and Accuracy Study on Measurement of Soft Magnetic Properties Using DC Hysteresigraphs》(IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 43, NO. 5, MAY 2007),文中虽然作者没有交待NPL采用什么方法测试,只说目前美国NIST还没有提供1J85标准样品的能力。但由十名参与者采用五家设备制造企业生产的软磁材料直流磁性能测量装置测试结果取平均值,再与英国的国家物理实验室(NPL)测试比对,特别对1J85样品来看,除Hs和Js偏差极小外(说明磁通计和电流源定标一致性好),Hc偏高了+34.72%!!!um偏离-13.01%!!!Jr偏离+4.25%!!!这案例从侧面也反应出标准样品是何等的重要,总不可能针对不同材料做不同的修正吧!磁测量技术的进步是同时也是获得材料的真实磁性能(即标准样品)的过程,不断提高磁测量水平,才是一项有意义的工作。
  中国现代磁测量发展近40年来,标准样品的传递在此过程中起着重要的作用!没有可溯源的标准样品做参考来检验设备,它的后果是相当可怕的!这点需要特别强调和引起重视!只有经过不断的努力,提高磁测量的技术和完善测试标准,获得标准样品,才能有效的对相关测试设备进行考核!

 

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