基于LabVIEW 的巨磁阻抗自动测量与数据处理系统开发

邵先亦， 杜达敏

（台州学院电子与信息工程学院，浙江台州318000）

0 引 言

巨磁阻抗（Giant Magneto Impedawce，GMI）效应［1］是软磁材料交流阻抗在外磁场作用下发生剧烈变化的现象。GMI效应具有10－8～102Oe弱磁场检测能力和高达500% ／Oe磁场灵敏度［2］，且响应快、非接触、稳定性好，广泛应用于智能检测、自动控制等领域，以弥补传统磁传感器的不足，受到人们广泛关注。要表征材料GMI特性，需要测量几十个甚至上百个不同频率和不同磁场下的阻抗数据。传统的手动测量方式，不仅耗时费力，容易造成人为错误，而且无法直观并即时地反映测量结果。后续数据处理，更要付出大量的劳动，才能绘制出GMI特性曲线并对材料GMI性能作出评价。实现GMI效应测量和数据处理自动化，让测试人员和客户从繁复的测试和数据处理工作中解放出来，这对于提高测试效率，节约劳动成本有重要意义。随着智能仪器的快速发展，高精度、高性能阻抗分析仪在电子元器件和材料性能测试［3-4］中的应用越来越广泛，精密阻抗分析仪已成为高校材料GMI性能测试的标准配置［5-7］。目前精密阻抗分析仪以进口为主，价格高达十几万甚至几十万元，实现高效、自动测量对于提高设备使用效益有现实意义。

LabVIEW虚拟仪器以其直观的图形化编辑语言，强大的数据存储和处理优势，被业界视为标准的数据采集和仪器控制软件，在测量和自动控制领域应用十分广泛［8-10］。基于LabVIEW虚拟仪器技术，国内有部分高校开展了GMI效应自动测量的相关研究和开发工作。郭成锐等［11］基于PXI总线数据采集卡和LabVIEW虚拟仪器，构建了巨磁阻抗测量系统，能够满足一般GMI材料性能测试要求，但是由于受硬件条件限制，无法实现磁场连续变化情况下磁阻抗自动测量。针对精密阻抗分析仪，开发了基于LabVIEW虚拟仪器的GMI效应多参数测量系统［12］，实现了多个可选频率下的磁阻抗测量、曲线保存和记录查询等功能，但未能实现扫频和扫磁场联合自动测量以及GMI数据自动处理和特性曲线呈现。本文利用精密阻抗分析仪、可编程直流稳压电源，基于LabVIEW虚拟仪器，开发了GMI效应自动测量和数据自动处理系统，适用于一般软磁材料GMI效应的测量和研究，和面向本科生开展GMI效应演示实验。

1 GMI测量原理

GMI效应测量原理如图1所示。软磁材料试样置于由亥姆霍兹线圈提供的直流外磁场中，磁场大小通过调节直流稳压电源输出电流来改变。阻抗分析仪与试样之间通过4端线连接，阻抗分析仪输出等幅振荡电流流过试样，同时通过自动平衡电桥技术测量试样在外磁场作用下的阻抗。由于材料磁滞效应，连续瞬变的磁场会对测量数据造成影响，加上测量平均次数要求，因此要求每个磁场持续一定时间，产生如图2所示的阶梯状周期变化磁场。磁阻抗测量通常采用2种方式：①测量每个固定磁场下试样随频率变化的阻抗值（扫频方式）；②测量每个固定频率下试样随外磁场变化的阻抗值（扫磁场方式）。一般精密阻抗分析仪都具有扫频功能，故采用扫频方式测量比较方便［13］。

图1 GMI效应测量示意图

图2 阶梯状磁场示意图

磁阻抗比随频率变化特性和不同频率下随外磁场变化特性是反映材料GMI性能的两个最重要的特性曲线，如图3所示。

图3 GMI特性曲线

图3 （a）为材料GMI效应随频率变化特性和GMI最佳响应频率，其中磁阻抗比ΔZ／Zm定义为零磁场阻抗相对于最大磁场阻抗变化的百分比：

式中：Z0和Zm分别为样品在磁场为0和最大磁场时的阻抗。图3（b）为特定频率下材料GMI随外磁场变化特性，这里磁阻抗比ΔZ／Z定义为某一频率下外磁场为H时的阻抗相对于最大磁场阻抗变化的百分比：

式中：ZH为样品在磁场为H时的阻抗。因此，要表征材料GMI特性，需要测量不同外磁场和不同频率的阻抗数据。

2 GMI效应自动测量和数据处理系统的开发

2.1 总体设计方案

本测量系统硬件由电脑、精密阻抗分析仪、IT6164可编程直流稳压电源和亥姆霍兹线圈组成。根据GMI效应测量原理，实现4个基本功能：端口通信与仪器控制；产生阶梯变化磁场；采集阻抗数据生成报表；数据处理与结果表达。程序采用顺序结构模式，各单元功能模块相对独立，集中控制，工作流程如图4所示。

图4 GMI自动测量与数据处理系统流程图

2.2 虚拟仪器开发

（1）端口通信与仪器控制。LabVIEW VISA是仪器标准的I／O应用程序编程接口，利用VISA通过RS-232串口、GPIB端口分别对直流稳压电源和阻抗分析仪进行通信和控制。端口通信参数设置程序前面板如图5所示，稳压电源串口设置包括设定端口号、波特率、停止位、校验位、数据位等；阻抗分析仪设置包括设置端口地址、选择测量参数、信号及其扫描参数、采样点数、测量数据平均次数等。

图5 参数设置程序前面板

（2）阶梯变化磁场的产生。由亥姆霍兹线圈磁场与电流关系：

式中：N为线圈匝数；r为线圈有效半径；I为流经线圈的电流。可得磁场H与电流I呈线性关系。通过串口写入稳压电源SCPI电流输出指令，实现磁场的产生和控制。阶梯磁场程序框图如图6所示，包括电源输出开启，For循环逐一写入SCPI指令、循环结束、关闭串口3部分。具体测量中，可通过修改电流指令字符串来改变磁场的大小及步幅。通过在For循环中设定定时器，设定每个电流输出（即磁场）保持时间，产生波形如图2所示的阶梯变化磁场，同时满足测量数据平均次数时间要求。

图6 阶梯磁场程序框图

（3）采集数据生成报表。数据采集与报表生成程序段如图7（a）所示，将数据采集程序中的点划虚线框部分套嵌入电源控制程序的事件结构中，即可实现磁场变化与数据采集同步。GMI效应研究通常需要分析阻抗实部R和虚部X对材料GMI特性的影响，因此A、B通道测量参数一般设置为“R-X”。其工作过程是：首先由For循环对每一磁场下的A、B通道扫频数据进行采集，每次采集的数据经位移寄存器循环索引存入二维数组，同时经簇函数捆绑后，由X-Y图实时显示扫频曲线；其次采集到的A、B通道扫频数据经二维数组转置后，按设定的路径一次性写入Excel文件，生成如图7（b）所示的按磁场分列的阻抗实部R（虚部报表格式相同，未给出）扫频数据Excel报表；之后利用ActiveX选板按对应列提取Excel报表R、X数据，根据经数组运算，生成阻抗Z的Excel报表。报表生成程序可为研究人员节省大量的数据整理时间，并方便后续利用绘图软件进行数据处理。

图7 数据采集与报表生成

（4）数据处理与结果表达。如前所述，频率特性曲线和随外磁场变化曲线是反映材料GMI性能的两个重要特性曲线。一般需要将测得的数据导入Origin等绘图软件作出图线，才能对材料的GMI性能进行评价。而利用LabVIEW强大的数据处理和图表功能，则可以即时显示测试结果，为及时评价试样GMI性能带来很大方便。GMI频率特性和随外磁场变化特性数据处理程序如图8（a）、（b）所示。图8（a）所示的程序功能是分别将Z、R、X报表数据输入索引数组，索引0磁场和最大磁场对应的数据列，按式（1）分别计算磁电阻比ΔR／Rm、磁电抗比ΔX／Xm和磁阻抗比ΔZ／Zm，由X-Y图显示如图3（a）所示的频率特性曲线。图8（b）为根据图8（a）运算结果，用最大值与最小值数组获取磁阻抗比最大值所在数据坐标，并以此坐标值索引最大值所在列数据和最大磁场对应的单元数据，据式（2）计算最佳响应频率下不同外磁场的ΔZ／Z值，绘制如图3（b）所示的最佳频率下的ΔZ／Z随外磁场变化曲线，同理可计算并给出ΔR／R、ΔX／X随外磁场变化曲线，直观地反映出ΔR／R、ΔX／X、ΔZ／Z 曲线及3者之间的关系。按照类似方法，可以进一步绘制出不同频率下GMI随外磁场变化特性，便于反映和比较测试频率对试样GMI随外磁场变化特性的影响。另外，可从X-Y曲线图直接导出数据至Excel表，供后续绘图软件进一步分析。

图8 GMI数据处理程序

3 测量系统试验

利用该GMI效应虚拟仪器测量系统，对FeSiB三明治薄带多角度（薄带带轴与外磁场夹角）GMI效应进行了连续测量试验。程序设定磁场从－23～23 kA／m变化51次，每个磁场保持10 s，测量参数选择“R-X”，测量数据8次平均，运行程序，实时显示测量数据曲线。程序运行结束时，自动保存数据到如图7（b）所示的Excel文件，并进行快速数据处理，即时给出GMI特性曲线，虚拟仪器前面板及测得的30°夹角的结果如图9所示。试验结果表明，该测试系统能很好地实现数据同步采集，并清晰反映试样GMI随频率和外磁场变化特性，便于测量者或客户对材料GMI特性及时作出判断；经连续试验，该测试系统运行稳定，自动化程度高，可以大量节省人工时间；实验结果显示的GMI特性曲线与相同夹角、采用手动方式直接测量的结果［14］有很好的一致性，表明测量系统适用于一般软磁材料GMI效应的测量和分析。

图9 测量系统试验结果

4 结 语

该测量系统通过对直流稳压电源和精密阻抗分析仪同步控制，实现多频率、阶梯变化磁场下的GMI效应自动测量和数据处理，适用于一般软磁材料GMI效应的测量。系统运行稳定、自动化程度高，能大大提高测试效率，节省后续数据分析处理时间，提高大型精密仪器使用效益。稳压电源控制、精密阻抗分析仪控制、数据采集与处理等程序模块都可以独立使用，能为具有同类仪器的高校或企业GMI效应自动测量以及利用可编程稳压电源进行温度场控制下的巨磁阻、介电材料温度特性等的自动测量提供借鉴。