基于数字积分的磁滞回线测量方法与装置

摘要

基于数字积分的磁滞回线测量方法，采用R-C有源积分器测量电路测量磁性材料的磁滞回线，R-C有源电路经模数转换滤波并累加得到与

说明书

一、技术领域

本发明涉及数字积分的磁滞回线测量方法与装置。

二、背景技术

磁性物质是一种性能特异、用途广泛的材料，物质磁特性研究是材料物理学的重要 领域之一。人们研究发现，当磁性材料沿磁化曲线oab到达b点后，继续加大外加磁场 H也不能使磁性材料的磁感应强度B继续增加，此时对应的磁感应强度为该磁性材料的 饱和磁感应强度Bm。之后，磁性材料内部的磁场B会跟着外加磁场H的减小而减小,但 不是沿着磁化曲线oab的轨迹下降。当外加磁场H退到0时，磁性材料内部仍然保持磁 感应强度B=Br，此值称为磁性材料的剩磁。如果继续逐渐加大反向磁场H，磁性材料内 部的磁感应强度B将会减，当反向外加磁场强度H=增加到-Hc时（图1上的Hc点）， 磁性材料内部磁感应强度B降为0，至此推此过程结束，对应外加磁场值Hc称为磁性 材料的矫顽力。如继续加大反向磁场，铁磁材料的磁化会达到饱和h点后不再变化。减 小反向磁场到o点后沿正向加大磁场，磁感应强度将通过e点到达b点。由点 b->Br->Hc->h->d->e->f->b构成的闭合曲线该磁性材料的磁滞回线。可以看出，磁性 材料的磁滞回线具有饱和性、滞后性、不可逆性和中心对称性。

磁性材料分为硬磁材料和软磁材料两类，区分两类材料的依据是测量磁性材料的剩 磁Br和娇顽力Hc值，硬磁材料的剩磁Br和娇顽力Hc值大，软磁材料的剩磁Br和娇 顽力Hc值小。物质磁特性研究是材料物理学的重要领域之一，在大学近代物理实验中， 通常安排动态和静态磁滞回线测定实验。通过测量磁场强度H和磁感应强度B对应关系， 描绘出磁性样品的磁滞回线图，并从该图中得到磁性材料的饱和磁感应强度Bm、剩余 磁感应强度Br、矫顽力Hc等参数。实验中磁场强度H由通过线圈的激励电流产生，测 量后可换算成H值；磁场强度B通常用有源积分方法磁通量进行换算得到。一般采用运 算放大器和阻容网络组成的积分电路，对磁通变化产生的感应电势进行时间积分。然而 由于积分电容的漏电等因素的存在，将导致测量系统漂移问题。在大学物理实验中，一 般会安排静态磁滞回线测量和动态（50赫兹交变外加磁场H）磁滞回线测量。静态测量 方法主要有冲击检流计法、霍尔效应法、核磁共振法和磁通测量法。如CN201681149U 一种螺线管轴线磁感应强度测量仪，通过霍尔传感器(6)进行测量。

现有的数字测量方法是，磁场强度H由通过线圈的激励电流产生，测量后可换算成 H值；采用R-C有源积分器的磁通测量法测量磁感应强度B.

根据法拉第定律，开环线圈内的磁通量发生变化时，其两端产生感应电压

ei(t)=-dΦ/dt    …(1)

如果线圈截面积S、匝数N为定值，则

Ei(t)=-NSdB(t)/dt    …(2)

对应感应电压积分

∫Ei(t)dt=-NSB(t)…(3)

有B(t)=-(1/NS)∫Ei(t)dt    …(4)

感应电压ei，磁通量Φ。Ei为感应电压一段时间的累加。

采用R-C有源积分器测量电路，积分电路的输出是通过电容C来实现时间积分的。 一方面，由于实际使用的运算放大器并不是理想的放大器，其反向输入端的输入阻抗不 可能是无穷大，偏置电流会使积分电容C上的电荷逐渐积累，造成输出端电压不断上升 或变化。另一方面，由于电容存在一定的漏电电阻（并非无穷大），积分器输出端会随 时间推移而逐渐下降。由于上述原因，综合表现为R-C模拟积分器存在着的所谓零点漂 移。对磁滞回线测量结果的影响是：测出的磁滞回线的饱和磁感应强度数据往往不能重 合（闭合）。

三、发明内容

本发明目的是提出一种采用改进的方法数字积分测量磁场强度B，并对励磁电流进 行数字化采集，通过数据传输给电脑，由电脑描绘出样品的磁滞回线图。尤其是克服现 有积分电容的漏电等因素的存在，将导致测量系统漂移问题

本发明的技术方案是，基于数字积分的磁滞回线测量方法，采用R-C有源积分器测 量电路测量磁性材料的磁滞回线，R-C有源电路经模数转换滤波并累加得到与成正比 例关系的积分的感应电压Ei；其步骤如下，磁性材料的外加磁场H导致磁性材料体内 磁通测量变化产生感应电势ei经自稳零放大器放大后，输出一段时间积分 的感应电压Ei；

对Ei采用高速A/D模数变换模块，将模拟信号变换成数字信号，在设定的定时器 Δt内，进行N次A/D变换并累加∑Ei；

为消除Ei可能包含有噪声和干扰信号，采用基于拉依达准则的奇异数据滤波法， 通过计算得到Ei；

做Ei和Δt乘法运算，可得到Δt时间内的磁通量值为

将测量周期内的所有做算术运算,即可得出被测样品对应外加磁场H的磁通量

计算并保存数据B=Φ/NS。

磁性材料外加磁场H通过三角波的外加电流提供给绕制在磁性材料的线圈。

本发明的有益效果是，通过对励磁电流进行数字化采集，通过数据传输给电脑，由 电脑描绘出样品的磁滞回线图。克服现有积分电容的漏电等因素的导致测量系统漂移问 题。通过采用改进的方法数字积分测量磁场强度B，实现磁感应强度B，得到的磁性材 料样品的磁滞回线图具有良好的重现性和闭合性，收到预期效果。克服R-C模拟积分器 零点漂移。不会对磁滞回线测量结果有所影响。

四、附图说明

图1为磁滞回线测量的基本原理图；

图2为R-C有源积分器基本电路；

图3为数字积分器实现原理和线路示意图；

图4为本发明方法的步骤图；

图5为本发明提供磁场强度的电流图；

图6为本发明控制测量的流程图；

图7为本发明实测得到的磁性材料样品的磁滞回线图。

五、具体实施方式

R-C有源积分器基本电路组成如下（参见图2）：图2为R-C有源积分器 图中R为积分电阻，C为积分电容，V₀为积分输出。

输出输入关系为：

V₀=-1/RC×∫e_idt=-φ/RC    …（5）

（5）式中的e_i即为磁通变化而成生的感应电压，V₀为R-C有源积分器输出电压。 通过校正得到磁通量Φ值，进而得到B=φ/NS数据。

本发明通过嵌入式微处理器和软件技术，设计出数字积分器，原理如下：

（1）式可转化为：

Φ=-∑e_iΔt    （Δt很小）…（6）

即：

Φ=-（e₁Δt+e₂Δt+…+e_nΔt+…）…（7）

数字积分器实现原理可用图3表示：

本发明利用拉依达准则，拉依达准则处理奇异数据滤波器的参数：拉依达准则用于 剔除严重失真的奇异数据。第一步计算N次测量的算术平均值（本测量装置N取8，可 以在4-20的范围），然后计算出标准差σ，并将大于3σ的数据剔除，在求出本测量期 内的平均值。本测里装置设定的采样期Δt为10us。

另外，B=φ/NS式中的N为测量线圈的匝数，S为测量线圈面积。具体测量的实 施例（图7）：永磁材料样品：C308，外径24mm，内径16mm，厚度10mm； 测量线圈：N=40，自稳零放大器：7650，模数转换芯片：AD574，系统控制处理器：ADUC812， 电脑数据接口：USB。

积分器工作过程如下：参见本发明图2-6的测量系统设计。采用数字积分测量磁通 量来实现磁感应强度B，得到的磁性材料样品的磁滞回线图具有良好的重现性和闭合性， 收到预期效果。