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磁性参数的测量

2021/08/04 11:24
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【摘要】:
磁性参数的测量是磁学基础研究和磁性材料及元器件工业的重要组成部分,电工测量技术中不可缺少的分支。磁性参数的测量主要包括磁场测量和磁性材料测量两方面的内容。

  磁性参数的测量是磁学基础研究和磁性材料及元器件工业的重要组成部分,电工测量技术中不可缺少的分支。磁性参数的测量主要包括磁场测量和磁性材料测量两方面的内容。
  我们先对基本知识做查询了解。
  磁性元件:如收音机的磁棒,电视机中的磁芯、磁帽、偏转线圈磁环等。
  磁性材料:通常认为,磁性材料是指由过度元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。主要分为软磁材料和硬磁材料,还有一些特种磁性材料。金属的磁性材料主要有电工钢、镍基合金和稀土合金,非金属的主要是铁氧体材料。
  磁性材料是生产、生活、国防科学技术中广泛使用的材料。如制造电力技术中的各种电机、变压器,电子技术中的各种磁性元件和微波电子管,通信技术中的滤波器和增感器,国防技术中的磁性水雷、电磁炮,各种家用电器等。此外,它在地矿探测、海洋探测以及信息、能源、生物、空间新技术中也获得了广泛的应用。
  1.磁场测量
  在生产上要求一些磁性元件的部位能够产生一定强度的磁场,或者限制元件周围的磁场强度。测量方法很多,主要有三类:
  (1)利用电磁感应原理,将磁场强弱转换成测试线圈的感生电动势;
  (2)利用载流导体在磁场中受电磁力作用的原理,转换为力测量;
  (3)利用物体在磁场中表现特性的不同,转变成电参量测量。
  以下列举了一些课本上的测量磁场的方法做初步了解。
  1.1用冲击检流计测磁通
  电磁感应原理:闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时,导体中就会产生电流。

  1.2用磁通计测量磁通
  磁通计是由测量线圈和一个无反作用力矩的磁电系测量机构成。(1)将被测线圈移向或移出被测磁场,线圈中产生感应电动势e;(2)在e的作用下,可动线圈产生偏移,在气隙中转动同样感生出电动势ec;(3)忽略回路电阻,可认为e=ec,得与磁通计偏转角度的正比关系式:
  磁通计的类型依次经过了磁电式、电子式、数字积分式的转变。

FE-210B磁通计
  1.3用高斯计测磁场
  高斯计是利用半导体在磁场中的霍尔效应直接测出空间的磁感应强度。高斯计使用方法简单,测量精度较高,是目前最常用的仪表。当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差,这一现象便是霍尔效应。

手持式高斯计

  2.磁性材料的测量
  为了合理选用磁性材料或检验磁性材料的磁性能,就需要对材料进行磁性能的测量。
  对于硬磁材料即永磁材料,主要的参数为:剩磁Br矫顽力Hc最大磁能积(B·H)m。一般可以只测直流静态特性。

永磁材料自动测量装置
  当磁场强度周期性变化时,表示铁磁性物质或亚铁磁性物质磁滞现象的闭合磁化曲线,叫磁滞回线,相对于坐标原点对称的 称“正常磁滞回线”。由于最大磁感应强度不同,对应有许多条大小不同的磁滞回线,将这些磁滞回线的顶点连接起来,就得到基本磁化曲线

磁化曲线

  图示 基本磁化曲线
  


  对于软磁材料,主要的磁性能参数是磁导率、损耗。它一般要求有较高的磁导率,以及尽可能低的矫顽力和损耗。一般测动态特性。
  磁性材料的性能主要表现在它的磁化曲线磁滞回线上。因而,主要通过测量这两条线取得磁的性能参数。由于材料的磁性能与工作条件有关,都要求工作在实际条件下测定;且磁性材料需要取出样品进行测量。样品一般最好做成环形闭合试样,也可做成条形、棒形,放在磁轭空隙中通过磁轭构成闭合回路。

  2.1直流磁特性曲线的测量
  在六十年代和七十年代主要采用冲击法;六十年代中期,国内就开始研制具有互感反馈的光电积分磁性测量装置;八十年代,电子积分自动测磁装置为我国第二代磁性测量装置;之后,实现计算机全过程控制和数据处理的测磁装置为我为第三代磁性测量装置。
  直流磁特性曲线常用冲击检流计测量,在样品上绕上线圈,基本步骤为:
  (1)测检流计的磁通冲击常数;
  (2)退磁:将开关S1倒向左边,同时调节电阻R1、R2扳动S2使电流逐渐减小到0;
  (3)测量基本磁化曲线:从最小磁滞回线开始利用公式测出B、H值。,。逐渐增加磁化电流,记录下每次的B、H,直到饱和。
  (4)测定磁滞回线
  此法费时太多、步骤太繁。现在生产的直流磁性测量仪都采用自动测量自动记录的方法,在记录仪上之间显示磁滞回线。例如湖南省永逸科技有限公司FE-2100SD软磁材料直流测量装置

FE-2100SD软磁材料直流测量装置

  2.2交流磁性的测量
  是对各种的软磁体,测量在各种工作磁通密度及给定工作频率下的磁导率和损耗。
  磁导率可从磁滞回线中求得。但由于同时存在磁滞效应和在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的涡流效应,导致交流磁滞回线的形状介于磁滞回线和椭圆之间。于是要求按照标准要求的尺寸做出样品、磁感应强度B必须按正弦变换、并在规定的频率条件下测出交流的磁化曲线和磁滞回线。损耗的测量也一样,它与频率、波形、磁感应强度大小都有关。
  (1)用指示仪表测量交流磁化曲线
    在不同的交变磁场Hm作用下,测出相应的Bm,可得Hm-Bm的关系曲线,即可作出交流磁化曲线。磁导率
  (2)用指示仪表测量损耗
  用功率表测量磁性材料在交变磁场中所消耗的功率。测量的功率损耗中包括了试样铁耗、电压表损耗、方圈绕组的铜耗:同测直流磁性一样,近代都采用自动记录和自动测量的仪器,如湖南省永逸科技有限公司FE-2100SA软磁材料交流测量装置

FE-2100SA软磁材料交流测量装置
  3.单片机用于磁参数测量
  基于8089单片机的磁参数测量仪早在1998年便开始研究,至今仍不失为磁参数测量的一个典范。它可实现磁性参数测试过程自动化。在低频范围内,完全可以采用连续感应模拟积分法对磁滞回线进行测量, 也可以对连续模拟信号实时采样。利用将模拟信号用A/D 变换器转换成数字信号由计算机处理, 就可建立一种基于单片机的新型磁参数测量系统。
  4.应用计算机测量动态磁参数
  原理示意图如下。由图直观可见,可调交流信源输出一交变磁电流提供给样品一交变磁场,样品上均匀地绕以磁化线圈N1及感应副线圈N2.线路中串联一取样电阻R1,电压是取样电压.副线圈N2与电阻Rc和电容C串联成积分电路。
  两交流电压放大器A、B起着电平匹配的作用,满足数据采集接口对输入信号电平的要求。应用软件将铁磁材料的参数和对应欲采集的电压U1、Uc分别输入“实验计算机”,计算机数据采集软件即可对采集到的磁场强度、磁感应强度对应的电压信号的单位相应转换,实现实时采集和测量.

原理示意图

图5:原理示意图
 

  
  5.总结与展望
  由于磁性材料及元器件的种类繁多,工作频率范厦又宽,承受功率大小不等,电磁性能参数复杂,且随材料的结构和磁化过程的不同而变化,这就使得磁性测量技术具有一定的特殊性。相应的磁性测量仪器一般不具有通用性。测量结果不但受测试条件和测试程序的严格限制,而且与测量原理、测量方法、测量仪器有关,软磁材料测量尤其如此。因而,其误差的分析和传递也是应该注意的地方。
  大体上说,磁性测量方法和测量仪器的发展经历了从低频到高频、从单一参数到多参数、兼顾磁性材料和磁性器件综合测试要求的历史发展过程。进入本世纪以来,由于信息技术设备的要求,磁性器件也像半导体一样开始朝着集成器件或部件发展,以适应宽带网的发展和普及要求。预计应该注意磁测量仪器的发展趋向及相关技术将主要讨论以下几个问题:材料的基础参数测量,磁场强度测量,高频高感下材料测量和微波频率下材料参数测量。要将磁测量仪器提高到新水平,应该开展计算机控制下弱信号检测,取样变换、校准及参数分离技术研究,实现低失真正弦波、方波、调宽方波的产生和控制。
  因为磁性行业相对于其它电子信息产业来说,规模较小,所以,每个国家也仅有几家公司和高等院校从事磁性测量技术的开发和磁测量仪器的生产。国际上磁性测量方法的研究,测试技术和专用仪器设备的开发.主要集中在美、德、日等少数几个先进工业化国家。磁测量技术主要反映在国际电工委员会发布的IEC标准中,其中制订了一系列磁性材料和磁性元器件测量方法的推荐标准。
  国外磁性测量仪正朝着全自动、多功能和系列化、智能化方向发展,我国应用磁学界和磁畦行业广大科技工作者一方面跟踪国际上先进的磁测量技术。另一方面在引进、消化、吸收的基础上“自主创新”,提出了不少新颖、独特的磁性测量方法。如今,我国在磁测量理论、测量方法研究方面接近国际先进水平,但测量仪器设备在精度、可靠性、多功能、自动化程度及外观质量方面与国外产品尚有较大差距,有的磁测量仪器短时问内还不得不依赖进口。磁性行业要创新,磁测量技术和磁性测试仪器必须助一臂之力。
  湖南省永逸科技有限公司专注磁测量二十多年。其主要发起人和主要技术人员均具有多年从事磁测量设备开发研制的经验。针对国内现有测试设备存在的问题,经过多年的技术攻关,全新一代的FE-2100系列磁性材料自动测试装置,产品覆盖永磁、硅钢和软磁材料测试设备,共5大系列,40多个品种。主要产品有高斯计 磁通计 永磁材料测量装置 软磁材料测量装置 软磁硅钢设备 硅钢片铁损测量仪 充磁机等等。可测试磁通,磁矩,表磁,剩磁、矫顽力,内禀矫顽力,磁能积,磁滞回线,退磁曲线等等。