基于虚拟仪器的磁特性测量系统的设计及实现

王铭华,李 强, 陈虹丽

(1. 哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院,黑龙江 哈尔滨 150001；2. 哈尔滨工程大学 自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

磁性材料的磁特性测量是在外加磁场的不断激励下,测量磁性材料的磁场强度H、磁感应强度B以及H和B的相互影响[1]。首先在待测磁性材料上缠绕不同匝数的铜线,制成一个简易变压器[2]。为了减少变压器中的铁损耗,变压器的铁芯一般采用导磁性能好的硅钢片叠压而成,硅钢片要尽量薄,以保证铁芯中的涡流损耗小。然而,以硅钢为磁性材料的变压器连入电路后,测量得到的磁滞回线图形十分狭长,其原因是硅钢属于易磁化、易退磁的软磁性材料,矫顽力很小,无法得到饱满的磁滞回线。此外,还要选择适当的铜线绕制变压器,铜线的截面积需按通过电流的大小选择。

本文设计了一个利用虚拟仪器的磁特性测量系统。将磁场强度与磁感应强度转换成电动势信号,用数据采集卡NI6251采集信号,将信号传输到上位机进行磁特性测量并得到磁滞回线[3-5],用示波器进行磁性材料的磁滞回线显示[6-11]。

1 磁滞回线测量电路设计

磁滞回线测量电路如图1所示。电路中,U2表示磁感应强度对应的电动势信号,U1表示磁场强度对应的电动势信号。

图1 磁滞回线测量电路

由磁滞回线测量原理可知,原边输入端的电势与磁场强度H的大小成正比,副边输出端的电压正比于铁芯内的磁感应强度B,并且在测量磁感应强度的一端,设计一个RC电路进行信号转换[12]。

为了方便实验操作,电路设计选取50 Hz(周期为0.02 s)的交流电源,所以RC值应远大于0.02 s。根据这个要求,选择10 kΩ电阻以及10 μF的电容作为测量磁感应强度端的元件参数。为了使电动势波形不发生畸变,采用变压器控制，使测量磁场强度端的励磁电压成为可以控制大小的电压,励磁电压可以分别为0 V、0.5 V、1 V、1.5 V、2 V、2.5 V、3 V。相应地,测量磁场强度端设置一个滑动变阻器,选择若干个阻值为0.5 Ω的电阻,通过改变电路中电阻的个数改变电阻值。

为了使磁滞回线图形更加直观,选择硬磁材料碳钢作为变压器的磁性材料。设计磁路长度L为0.05 m,匝数比设置为3∶1,缠绕匝数为150∶50。根据所设计的电路计算,电路中通过的最大电流为10 A,而且选择的磁性材料较小,因此选用2.5 mm2的铜线来对磁性材料进行绕制。本文磁性样品——变压器,采用多层整齐密绕方法,引线长10～15 mm。绕线后包铜箔,再用胶带缠绕。图2为焊接完成的磁滞回线电路。

图2 焊接完成的磁滞回线电路

磁性样品(变压器)一共有4条引线。将150匝线圈的两条引线分别与RC电路中的电阻一端和“地”相连,将50匝的两条引线分别与0.5 Ω电阻一端和选择开关变压器一端相连,把电路中的地都连到一起。实验结果是在示波器上出现理想的磁滞回线。改变励磁电压的大小,磁滞回线的形状也会相应地有所改变。

示波器上理想的磁滞回线图形证明了本设计对磁性材料磁特性测量电路的设计制作是正确的。

2 噪声抑制

实验中难免会产生误差,例如环境中杂散信号产生的噪声会引起测量误差。通过示波器的频谱分析发现,在频率分别为150 Hz、250 Hz和2 000 Hz的时候是存在噪声的。因此需要加入一个一阶低通滤波器(截止频率100 Hz)。经过计算,选用720 Ω的电阻与2.2 μF的电容构成一阶低通滤波器。

3 基于LabVIEW实现磁滞回线测量的实验结果

LabVIEW程序面板界面如图3所示,前面板所得磁滞回线见图4。可以在前面板得到两端输入的波形(见图5),将不同的励磁电压下的磁滞回线曲线的顶点坐标的数值记录下来,见表1。

图3 程序面板界面

图4 前面板所得磁滞回线图

图5 两端输入波形图

励磁电压/VHmax/(A·m-1)Bmax/mT1.025.0236.1451.529.5648.2962.036.3559.9552.545.53410.2163.076.38911.559

4 结语

基于虚拟仪器LabVIEW的磁特性测量实验系统使学生熟悉磁场测量传感器及测量仪器的原理及设计方法,学会利用数字示波器和虚拟仪器来观测、分析和绘制测量曲线。该测量系统达到了以下实验目的：

(1) 了解软磁材料测量系统的组成；

(2) 掌握软磁材料的B-H曲线的测定方法；

(3) 熟悉基于微机和LabVIEW的虚拟仪器测试系统的设计与应用；

(4) 了解软磁材料在不同频率下的B-H曲线变化规律和磁特性。

学生可以基于磁特性测量结果对相关电子设备优化设计,可以减小磁滞损耗,提升工作效率与能源的利用率。