新型软磁材料静态参数测量系统设计

何雯 董威 苟辉

摘 要：为提升软磁材料静态参数测量系统的精度及简化仪器操作复杂度，文章利用积分器代替冲击检流计测量弱磁信号，A/D芯片将积分器的输出电压转为数字信号，并利用FPGA对数据进行预处理，将处理后的数据借助串口发送至上位机进行最后的处理，最终得到材料的静态参数与磁化强度和磁感强度的对应关系曲线。实验结果证明，本系统可有效测量软磁材料的静态参数，其饱和磁感应强度的测量误差为1.20%，小于冲击检流计测量饱和磁感应强度的测量误差1.97%；且测量结果不需进行人工计算，操作简单。

关键词：软磁材料；静态磁参数；模拟积分器；上位机

我国磁性材料的蕴藏量居世界首位，同时也是磁性器件制作大国。但我国磁性材料仅仅只是产量高，产值很低；国内磁性材料市场对于性能优良的磁测试仪器需求十分迫切。但我国在材料及器件的生产加工、磁测量技术等领域发展缓慢，与国外先进的磁测技术相差甚大，如F.W.BELL公司的5100系列手持式磁场计性能卓越，但是价格十分昂贵[1]。基于这种状况，我国迫切需要自主研发出一款性能卓越的磁测试仪器。

文献[2]在研究冲击法测量软磁材料静态参数基础上，设计了以单片机为核心的静态参数测量系统，但这种方法测量静态参数时误差大。文献[3]分别介绍了以模拟和数字积分器为基础的两种测量磁性材料静态磁滞回线的方法，指出这两种方式各自的优缺点。文中设计了一种基于数字积分器的计算机控制的静态磁滞回线测试系统。文献[4]研究了模拟式磁通计设计原理以及设计过程中的困难和关键技术，介绍了一种减小其测量误差的设计方案。但是文献[4]中关于模拟式积分器的设计并不是很完善，并未显著减小积分漂移带来的误差。在此基础上，本文提出一种新型软磁材料静态参数测量系统设计，旨在提高软磁材料静态参数的测量精度。

1 系统设计

本测量系统主要由积分器、数据采集、数据通信和上位机4个部分组成。本系统主要是依据电磁学理论利用基于运算放大器的积分电路完成对测量线圈输出的感应电动势的积分运算，将积分器的输出电压借助模数转换电路转换为数字信号，接下来利用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）模块对数字信号进行预处理，再通过数据通信模块将信号发送至上位机进行最后的处理，得到软磁材料的静态参数和磁化曲线。

2 积分器模块

2.1 器件选取

运算放大器、电阻和电容是构成积分器的主要器件。积分漂移是导致积分器输出精度低的主要因素，也是影响系统测量精度最主要的因素之一[5]。为减小其对测量结果的影响，需按照低输入失调电流、低输入失调电压等原则选取运算放大器。本文通过查阅芯片手册对比几种常用于积分电路的运算放大器，比如OP07，OP37以及ICL7650S等，最终选择ICL7650S这款运算放大器。ICL7650S是一款斩波稳零式运算放大器，输入失调电流的典型值为8 pA，输入失调电压的典型值仅为±0.7 μV，非常适合用于检测微弱信号的积分器中。

环境温度变化较大时，会改变积分电阻阻值，进而影响到积分器的输出精度，因此积分电阻需选用低温度系数的精密电阻。电容的漏电电阻以及损耗角会对积分器的输出产生较大的影响，选取积分电容时应选择漏电电阻阻值大、损耗角正切值小的电容。聚苯乙烯薄膜电容的漏电电阻阻值较达，损耗角正切值，故文中选用聚苯乙烯薄膜电容作为积分电容。

2.2 积分时间常数的确定

积分时间常数也是影响积分器输出的关键因素之一，取得太小，会使积分器在未到积分时间时就已饱和；取得太大，会使积分器的输出信号变得太小，加大后续设计难度[6]。考虑到磁信号较小，积分输出饱和发生的概率很小，主要考虑电阻和电容的取值对积分器的影响。电容不应取过大的，因为容值愈大愈难保证其漏电电阻及损耗角正切值等参数。经查阅资料，选用1F聚苯乙烯薄膜电容作为积分电容，温度系数为2.5×10﹣5，0.1%精度的100电阻作为积分电阻。

3 數据采集模块

3.1 FPGA控制模块

随着电子技术的发展，FPGA得到了广泛的应用；其制作成本与销售价格不断下降，基于FPGA的数字电路已成为发展趋势。本文选择EP3C5E144C8N芯片，它具有低功耗、高性能和低成本的特性；内部有丰富的触发器和可编程逻辑资源，可缩短系统的设计周期，降低开发成本。

3.2 A/D转换电路的设计

经查阅文献，样品的弱磁信号一般为2～20 mV；系统所需的模数转换芯片需能分辨小于磁信号一个量级的电压。本文选择的是MAX1241这款12位模数转换芯片，其分辨率为0.6 mV；它具有一个3线串行接口，直接与微控制器的I/O口相连。该芯片需要外接参考电压，选择了MC1403这款精密基准电压芯片来产生2.5 V的电压供A/D芯片使用。

3.3 数据通信模块

本文采用PL2303芯片作为TTL-USB转换器。该芯片内置USB收发器、USB功能控制器等，只需外接电容便可实现TTL信号和USB信号转换。12 M晶振为PL2303提供时钟，RXD与TXD完成串口接收与发送数据工作。DM与DP引脚实现系统与USB之间的数据传输。

4 上位机

LabVIEW是可视化跨平台并使用图标创建应用程序的虚拟仪器开发平台。本软磁材料静态参数测量系统的上位机就是基于LabVIEW2013设计的。可对串口初始化设置，通过A和两个控件输入样品参数，处理串口数据，同时绘制曲线。

5 实验结果及分析

本文选择1J50软磁材料进行静态磁参数测量试验，按行业要求在磁化强度H=100 A·m-1，H=200 A·m-1，H=300 A·m-1，H=400 A·m-1，H=800 A·m-1，H=1 600 A·m-1，H=2 000 A·m-1下测试。样品截面积0.266 cm2，平均直径3.6 cm，测量绕组匝数30。样品的B-H曲线如图1所示，由图可得出800 A·m-1下样品已趋于磁饱和状态，1 600 A·m-1时已饱和，饱和磁感应强度为1.501 75 T。使用国标中推荐的冲击检流计测得样品的为1.55 T，样品真值取自厂家给出的1.52 T，则静态参数测量系统的饱和磁感应强的相对误差为1.20%，冲击检流计的饱和磁感应强度的相对误差为1.97%。

6 结语

（1）本文依据电磁学理论利用积分器对样品的感应电动势进行积分运算，利用数据采集模块和上位机进行数据处理，并在上位机上显示软磁材料的B-H曲线与磁感应强度值。还可对测试结果进行保存。

（2）选取常用的1J50软磁材料进行静态磁参数测量试验。实验结果表明，软磁材料静态参数测量系统可有效进行静态参数测量；且在相同测试条件下，其饱和磁感应强度测量结果相对误差为1.20%，优于冲击检流计的饱和磁感应强度测量结果的相对误差1.98%。而且本系统可实时得到测量结果并绘制B-H曲线，不需进行人工计算与处理。

[参考文献]

[1]湛永钟，潘燕芳，黄金芳，等.软磁材料应用研究进展[J].广西科学，2015（5）：467.

[2]杜永苹.磁性材料磁特性参数的测量研究[D].西安：西安理工大学，2010.

[3]李玲玲，赵全明，张剑军.磁性材料静态磁滞回线的两种测量方法[J].周口师范高等专科学校学报，2000（2）：15.

[4]张昌俊.模拟积分器式磁通计的研究与设计[J].计测技术，2003（5）：20.

[5]刘齐.永磁材料静态磁特性测试系统的设计与实现[D].长沙：湖南大学，2015.

[6]袁龙.基于LabVIEW测量材料磁特性参数的新系统[D].长春：吉林大学，2013.