软磁环磁滞回线测量中的定标

摘　要：介绍了磁滞回线测量中的定标方法,与标样参数进行对比,分析了误差来源。给出了磁滞回线测量原理,并对传统的测量电路进行了改进。

随着电子信息产业的发展,与其密切相关的软磁材料及其性能测量引起了人们的高度重视。软磁材料绝大多数都用作工作在动态磁化条件下的磁性器件^[1],如开关电源变压器磁芯、回扫变压器磁芯、滤波器磁芯等。磁性产品性能的好坏主要取决于作为导磁材料的磁心的性能^[2]。因此设计者迫切需要知道软磁材料在实际应用条件下的磁性能。而磁滞回线包含了体现磁材料性能的参数,如矫顽力、剩磁等,有了这些参数才能进行最佳的设计。由于交流磁滞回线的形状受多种因素的影响,定量测量交流磁参量涉及到复杂的原理和计算,所以测量结果存在一定的误差。本文将着重叙述获取参数的原理和方法,并作出误差分析。
图1 磁滞回线测量原理
1 测量原理
　　测量动态回线的方法很多,经常使用的有示波器法、铁磁仪法和采样法等^[3]。这里介绍示波器法。此方法就是利用一般阴极射线示波器直接显示交流回线,由于简单可靠,在工业测量中有着广泛的应用。这些方法的测量原理都是相同的,具体如图1所示^[4]。图1中,N₁和N₂分别为样品的磁化线圈和测量线圈的匝数;R₁为串入样品初级线圈回路的小电阻;e₂为样品测量线圈上的感应电压;u_r1为小电阻R₁上因磁化电流通过而产生的电压。感应电压e₂与磁感应强度B的关系为:
　　
　　式(1)中,S为标准磁环的面积。在图1中,电压降ur1与磁场强度H的关系可用下式表示:
　　
　　式(2)中,l为平均磁路长度,对于环行样品,为磁环的平均直径。
　　线路里R、C和运放构成了R-C积分器,当R、C取值适当,即时,可得积分器的输出值为:
　　
　　因为电路为反相积分器,所以为了反映正相的B,在积分器前加了反相器。由式(2)、(3)可以看出,电压u_r1和u_y分别正比于H和B。这样就会在示波器屏幕上显示出B=f(H)回线。
　　磁滞回线测量的原理如上所述,而实验中得到的曲线存在两大不足:一是回线不清楚,B曲线和H曲线均有失真,原因是反相器和积分器不理想,如漂移、自激等都会影响曲线的质量;二是由于信号发生器输出信号功率小,激励电流小,小磁环很难达到饱和,几乎得不到高频磁滞回线。为此需进行以下改进得到高频磁滞回线。
图2 改进后的测量电路
2 测量电路的改进
　　图2为改进后的测量电路,采用了TDA2006功率放大器作功率输出级,从而得到高频输入信号,增大激励电流,使磁环达到饱和。TDA2006的特点是通频带宽、高频特性好、噪声小、失真系数小。片内设置了各种保护电路,对电流浪涌、过压和负载短路等异常情况都有较强的适应性,应用方便,可以获得大的不失真功率。达到的性能指标如下:
　　(1)频率响应范围50Hz～100kHz,±3dB
　　(2)闭环增益:30dB;开环增益:75dB
　　(3)谐波失真(1kHz时):0.1%(8W 8Ω)
　　(4)最大输出功率:12W(4Ω)
　　(5)最大输出电流:2.5A
　　此外,由测量原理图(图1)可以看出,加入了反相器,反相器不会是完全理想化的,其比例电阻也不会很精确,这样会引起测量上的误差,为此把积分器改为同相积分器。其中,R_f的用途是提供直流反馈,使失调电压不连续对C充电,否则会导致放大器处于极限状态;R₁C₁是相位置后补偿电路,以消除自激振荡,并改善高频时的负载特性,这一点也非常重要。由于集成运算放大器内部是由多级放大器组成的,每级放大器的输出及后级放大器的输入都存在输入、输出阻抗及分布电容,级间会产生R-C移相网络,这样信号通过每一级后就产生了附加相位。在电路调试初期,没有这个相位补偿电路,B信号为一条粗带,得到的磁滞回线非常模糊。C₂是隔直电容,可以滤除直流分量。另外,由于测试频率范围较宽,为了适应高、低频信号的需要,可以对积分电容C分档^[6],以适应各档频率的积分时间。
图 3 f=60kHz时的B-H回线
3 定标计算
　　改进后的电路测量的磁滞回线如图3所示。该图形是由数码相机在示波器上拍摄下来的。示波器上显示的仅仅是测量电流和电压的相位关系,如要得到B-H的关系曲线和具体的性能参数,还要进行定标转换。结合实际测量电路,由公式(2)、(3)得出最大磁场强度H_m和最大磁感应强度B_m的计算公式^[7]为:
　　
　　
　　当激励频率f=60kHz时,从示波器上读出初级输入电压最大幅值U_R2m =1.65V,次级电压U_bm=0.95V,N₁=N₂=5(N₁、N₂分别为小磁环初、次级线圈匝数),小磁环内径D_内=6.18mm,外径D_外=10.3mm,高h=5.10mm。经计算横截面积S=1.0506×10^-5m²,平均直径D=8.24mm,积分电阻R=1kΩ,积分电容C=0.022μF,取样电阻R₂=4.3Ω。经计算,H_m=76.37A/m,B_m=396.72mT。然后按照示波器荧光屏上剩磁B_r和矫顽力H_c相对B_m和H_m的比例,可以算出它们的具体数值:H_c=1.65/8H_m=15.675A/m,B_r=1.8/4.9B_m=145.73mT。
4 结果的比较及误差分析
　　经定标计算得到MnZn铁氧体磁环的重要参数剩磁B_r和矫顽力H_c。将测量的结果与使用日本岩崎通信有限公司生产的SY-8232交流B-H分析仪所得的测量结果进行比较。该测试是委托信息产业部磁性产品质量监督检验中心完成的。SY-8232的测试结果为:B_r=147.45mT,H_c=16.078A/m。误差分别为:σ_Br=(147.45-145.73)/147.45=1.2%,σ_Hc=(16.078-15.675)/15.675=2.5%。示波器法测量磁滞回线参数的误差一般小于7%^[8],该测试结果的误差在这个范围之内。为了进一步提高测量的精度,改善测量系统的性能,有必要分析一下可能引起测量误差的各种因素。对于本测试电路来说主要有以下几点:
　　(1)样品形状参数的影响
　　样品的形状、尺寸也会对动态磁参数有所影响[7],本文采用的是环行样品。平均磁路l=2π(D_内+D_外)/2,环中的平均磁场强度为:
　　
　　(2)积分器的影响
　　积分器是用运算放大器实现的,理想化的集成运放应具有无限大的差模输入阻抗、趋于零的输出阻抗、无限大的共模抑制比、无限大的频带宽度以及趋于零的失调和漂移^[10]。实际上集成运放不可能具有上述理想特性。另外,积分电阻和电容也不是纯电阻和电容,有一定的分布参数,一般表达式为:
　　R=R₀(1+jωτ)　   (7)
　　C=C₀(1-jtgδd)　(8)
　　式中,R₀和C₀为纯电阻、纯电容,τ是电阻的时间常数,tgδ_d为电容损耗正切角。为了使积分器有较低的误差,除了选择合适的RC数值,满足ωRC>>1外,还应选取τ很低的电阻和tgδ_d趋于零的积分电容。
　　(3)磁心线圈及取样电阻的影响
　　本文中激励信号为正弦波,若磁心线圈是线性元件,则根据欧姆定律可知,通过磁心线圈的激励电流也是正弦的。但是,实际的磁心线圈是非线性元件,所以磁化电流和电压必为畸变的波形。较多的初次级线圈匝数也会使回线变形,原因是线圈多了,匝间分布的电容加大,通过分布电容的位移电流加大,当然会使回线变形。另外,H路信号的电压是从取样电阻上获得的,为了保证B为正弦波,取样电阻阻值要低,且有很大的功率,并要求它是无感的。实际的电阻不是理想的,其分布电容和电感使H信号随着频率的升高而失真。本文采用的是10W的线绕电阻,若采用金属膜电阻,可减小误差。
　　此外,环境条件也对测试结果有一定的影响。测试中应保持温度恒定,还要远离电磁场。