摘 要： 介紹了磁滯回" title="滯回">滯回線測(cè)量中的定標(biāo)方法，與標(biāo)樣參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析了誤差來源。給出了磁滯回線測(cè)量原理，并對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量電路" title="測(cè)量電路">測(cè)量電路進(jìn)行了改進(jìn)。
關(guān)鍵詞： 磁滯回線 功率放大器 定標(biāo)
隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，與其密切相關(guān)的軟磁材" title="磁材">磁材料及其性能測(cè)量引起了人們的高度重視。軟磁材料絕大多數(shù)都用作工作在動(dòng)態(tài)磁化條件下的磁性器件[1]，如開關(guān)電源變壓器磁芯、回掃變壓器磁芯、濾波器磁芯等。磁性產(chǎn)品性能的好壞主要取決于作為導(dǎo)磁材料的磁心的性能[2]。因此設(shè)計(jì)者迫切需要知道軟磁材料在實(shí)際應(yīng)用條件下的磁性能。而磁滯回線包含了體現(xiàn)磁材料性能的參數(shù)，如矯頑力、剩磁等，有了這些參數(shù)才能進(jìn)行最佳的設(shè)計(jì)。由于交流磁滯回線的形狀受多種因素的影響，定量測(cè)量交流磁參量涉及到復(fù)雜的原理和計(jì)算，所以測(cè)量結(jié)果存在一定的誤差。本文將著重?cái)⑹霁@取參數(shù)的原理和方法，并作出誤差分析。
1 測(cè)量原理
測(cè)量動(dòng)態(tài)回線的方法很多，經(jīng)常使用的有示波器法、鐵磁儀法和采樣法等[3]。這里介紹示波器法。此方法就是利用一般陰極射線示波器直接顯示交流回線，由于簡(jiǎn)單可靠，在工業(yè)測(cè)量中有著廣泛的應(yīng)用。這些方法的測(cè)量原理都是相同的，具體如圖1所示[4]。圖1中，N1和N2分別為樣品的磁化線圈和測(cè)量線圈的匝數(shù)；R1為串入樣品初級(jí)線圈回路的小電阻；e2為樣品測(cè)量線圈上的感應(yīng)電壓；ur1為小電阻R1上因磁化電流通過而產(chǎn)生的電壓。感應(yīng)電壓e2與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系為：
因?yàn)殡娐窞榉聪喾e分器，所以為了反映正相的B,在積分器前加了反相器" title="反相器">反相器。由式(2)、(3)可以看出，電壓ur1和uy分別正比于H和B。這樣就會(huì)在示波器屏幕上顯示出B=f(H)回線。
磁滯回線測(cè)量的原理如上所述，而實(shí)驗(yàn)中得到的曲線存在兩大不足：一是回線不清楚，B曲線和H曲線均有失真，原因是反相器和積分器不理想，如漂移、自激等都會(huì)影響曲線的質(zhì)量；二是由于信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)功率小，激勵(lì)電流小，小磁環(huán)很難達(dá)到飽和，幾乎得不到高頻磁滯回線。為此需進(jìn)行以下改進(jìn)得到高頻磁滯回線。
2 測(cè)量電路的改進(jìn)
圖2為改進(jìn)后的測(cè)量電路，采用了TDA2006功率放大器作功率輸出級(jí)，從而得到高頻輸入信號(hào)，增大激勵(lì)電流，使磁環(huán)達(dá)到飽和。TDA2006的特點(diǎn)是通頻帶寬、高頻特性好、噪聲小、失真系數(shù)小。片內(nèi)設(shè)置了各種保護(hù)電路，對(duì)電流浪涌、過壓和負(fù)載短路等異常情況都有較強(qiáng)的適應(yīng)性，應(yīng)用方便，可以獲得大的不失真功率。達(dá)到的性能指標(biāo)如下：
(1)頻率響應(yīng)范圍50Hz～100kHz，±3dB
(2)閉環(huán)增益：30dB；開環(huán)增益：75dB
(3)諧波失真(1kHz時(shí))：0.1%(8W 8Ω)
(4)最大" title="最大">最大輸出功率：12W(4Ω)
(5)最大輸出電流：2.5A
此外，由測(cè)量原理圖(圖1)可以看出，加入了反相器，反相器不會(huì)是完全理想化的，其比例電阻也不會(huì)很精確，這樣會(huì)引起測(cè)量上的誤差，為此把積分器改為同相積分器。其中，Rf的用途是提供直流反饋，使失調(diào)電壓不連續(xù)對(duì)C充電，否則會(huì)導(dǎo)致放大器處于極限狀態(tài)；R1C1是相位置后補(bǔ)償電路，以消除自激振蕩，并改善高頻時(shí)的負(fù)載特性，這一點(diǎn)也非常重要。由于集成運(yùn)算放大器內(nèi)部是由多級(jí)放大器組成的，每級(jí)放大器的輸出及后級(jí)放大器的輸入都存在輸入、輸出阻抗及分布電容，級(jí)間會(huì)產(chǎn)生R-C移相網(wǎng)絡(luò)，這樣信號(hào)通過每一級(jí)后就產(chǎn)生了附加相位。在電路調(diào)試初期，沒有這個(gè)相位補(bǔ)償電路，B信號(hào)為一條粗帶，得到的磁滯回線非常模糊。C2是隔直電容，可以濾除直流分量。另外，由于測(cè)試頻率范圍較寬，為了適應(yīng)高、低頻信號(hào)的需要，可以對(duì)積分電容C分檔[6]，以適應(yīng)各檔頻率的積分時(shí)間。
3 定標(biāo)計(jì)算
改進(jìn)后的電路測(cè)量的磁滯回線如圖3所示。該圖形是由數(shù)碼相機(jī)在示波器上拍攝下來的。示波器上顯示的僅僅是測(cè)量電流和電壓的相位關(guān)系，如要得到B-H的關(guān)系曲線和具體的性能參數(shù)，還要進(jìn)行定標(biāo)轉(zhuǎn)換。結(jié)合實(shí)際測(cè)量電路，由公式(2)、(3)得出最大磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm和最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm的計(jì)算公式[7]為：
當(dāng)激勵(lì)頻率f=60kHz時(shí)，從示波器上讀出初級(jí)輸入電壓最大幅值UR2m =1.65V，次級(jí)電壓Ubm=0.95V，N1=N2=5(N1、N2分別為小磁環(huán)初、次級(jí)線圈匝數(shù))，小磁環(huán)內(nèi)徑D內(nèi)=6.18mm，外徑D外=10.3mm，高h(yuǎn)=5.10mm。經(jīng)計(jì)算橫截面積S=1.0506×10-5m2，平均直徑D=8.24mm，積分電阻R=1kΩ，積分電容C=0.022μF，取樣電阻R2=4.3Ω。經(jīng)計(jì)算，Hm=76.37A/m，Bm=396.72mT。然后按照示波器熒光屏上剩磁Br和矯頑力Hc相對(duì)Bm和Hm的比例，可以算出它們的具體數(shù)值：Hc=1.65/8Hm=15.675A/m，Br=1.8/4.9Bm=145.73mT。
4 結(jié)果的比較及誤差分析
經(jīng)定標(biāo)計(jì)算得到MnZn鐵氧體磁環(huán)的重要參數(shù)剩磁Br和矯頑力Hc。將測(cè)量的結(jié)果與使用日本巖崎通信有限公司生產(chǎn)的SY-8232交流B-H分析儀所得的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。該測(cè)試是委托信息產(chǎn)業(yè)部磁性產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心完成的。SY-8232的測(cè)試結(jié)果為：Br=147.45mT，Hc=16.078A/m。誤差分別為：σBr=(147.45-145.73)/147.45=1.2%，σHc=(16.078-15.675)/15.675=2.5%。示波器法測(cè)量磁滯回線參數(shù)的誤差一般小于7%[8]，該測(cè)試結(jié)果的誤差在這個(gè)范圍之內(nèi)。為了進(jìn)一步提高測(cè)量的精度，改善測(cè)量系統(tǒng)的性能，有必要分析一下可能引起測(cè)量誤差的各種因素。對(duì)于本測(cè)試電路來說主要有以下幾點(diǎn)：
(1)樣品形狀參數(shù)的影響
樣品的形狀、尺寸也會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)磁參數(shù)有所影響[7]，本文采用的是環(huán)行樣品。平均磁路l=2π(D內(nèi)+D外)/2，環(huán)中的平均磁場(chǎng)強(qiáng)度為：
(2)積分器的影響
積分器是用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的，理想化的集成運(yùn)放應(yīng)具有無限大的差模輸入阻抗、趨于零的輸出阻抗、無限大的共模抑制比、無限大的頻帶寬度以及趨于零的失調(diào)和漂移[10]。實(shí)際上集成運(yùn)放不可能具有上述理想特性。另外，積分電阻和電容也不是純電阻和電容，有一定的分布參數(shù)，一般表達(dá)式為：
式中，R0和C0為純電阻、純電容，τ是電阻的時(shí)間常數(shù)，tgδd為電容損耗正切角。為了使積分器有較低的誤差，除了選擇合適的RC數(shù)值，滿足ωRC＞＞1外,還應(yīng)選取τ很低的電阻和tgδd趨于零的積分電容。
(3)磁心線圈及取樣電阻的影響
本文中激勵(lì)信號(hào)為正弦波，若磁心線圈是線性元件，則根據(jù)歐姆定律可知，通過磁心線圈的激勵(lì)電流也是正弦的。但是，實(shí)際的磁心線圈是非線性元件，所以磁化電流和電壓必為畸變的波形。較多的初次級(jí)線圈匝數(shù)也會(huì)使回線變形，原因是線圈多了，匝間分布的電容加大，通過分布電容的位移電流加大，當(dāng)然會(huì)使回線變形。另外，H路信號(hào)的電壓是從取樣電阻上獲得的，為了保證B為正弦波，取樣電阻阻值要低，且有很大的功率，并要求它是無感的。實(shí)際的電阻不是理想的，其分布電容和電感使H信號(hào)隨著頻率的升高而失真。本文采用的是10W的線繞電阻，若采用金屬膜電阻，可減小誤差。
此外，環(huán)境條件也對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定的影響。測(cè)試中應(yīng)保持溫度恒定，還要遠(yuǎn)離電磁場(chǎng)。
參考文獻(xiàn)
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5梅文余.動(dòng)態(tài)磁性測(cè)量[Ｍ].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985