一种磁滞回线数据自动采集的实验方法

2020-10-30樊慧敏陈建军段颖妮刘雅楠

实验室研究与探索 2020年9期

樊慧敏，陈建军，段颖妮，刘雅楠

（新疆医科大学医学工程技术学院，乌鲁木齐830011）

0 引言

磁滞回线是描绘铁磁性材料磁化性质的重要曲线［1-2］，也是制造选择铁磁材料的重要依据，在工程领域有着重要的应用［3-4］。在实验中通常采用两种方法来采集磁滞回线的数据，一种方法是采用智能磁滞回线测试仪［5］，另外一种就是示波器方法［6-7］。智能磁滞回线测试仪可以逐点测量磁滞回线的数据，然后通过软件绘制出相应的磁滞回线；示波器可以将外加磁场信号（H）和磁感应强度信号（B）分别采集到示波器中，通过利萨如图形合成的方法来绘制磁滞回线。［8］智能磁滞回线测试仪的优点是能够准确地了解磁化特性中的细节，但是测量起来比较费时，需要逐点采集数据，只有在数据测量完成绘制成图形后才能确定铁磁材料的基本性质［5，9］；而示波器可以直观地观测磁滞回线［10］，也可以比较方便地观测多种参数下磁化曲线的变化，但是数据的细节不能通过示波器显示出来［11］。示波器的出现和发展使得磁滞回线数据的快速测量变成了现实。本文基于磁滞回线测量的基本原理，采用示波器的方法，利用LabVIEW程序和USB 接口技术，实现磁滞回线数据在PC 机上的自动采集和处理。

1 实验原理及装置

如图1（a）所示，实验装置主要由四通道数据存储示波器（TDS-2004B）、磁滞回线实验仪（TH-MHC）和PC机组成。磁滞回线实验仪通过两个同轴电缆将信号传输给示波器，示波器与PC 机可以用USB 和LabVIEW程序实现数据交互。实验操作简单易行，数据准确，而且可系统地研究磁滞回线特性。示波器测量B-H曲线的实验线路如图1（b）所示。本实验研究的铁磁物质为环型矽钢片，N1为励磁绕组的匝数，N2为用来测量磁感应强度B 而设置的绕组的匝数，称为测量绕组，R1为励磁电流取样电阻。设通过N1的交流励磁电流为i1，根据安培环路定律［12-13］：

式中：L 为样品的平均磁路长度。N1、R1均为已知常数，所以由取样电阻R1上电压u1可确定磁场强度H的值。

根据法拉第电磁感应定律，由于样品中的磁通φ的变化，在测量线圈中产生的感生电动势的大小为：

式中：S为样品磁路（铁芯）的截面积；i2为感生电流；u2为电容C2两端电压。因C2、R2、N2和S 均为已知常数。故可以通过测量电容两端电压u2确定磁感应强度B。因此如图1（b）中的u1（uH）和u2（uB）分别接到示波器的“CH1 X”和“CH2 Y”便可观察样品的动态磁滞回线。

2 程序设计

2.1 示波器与PC机交互技术

实验中，四通道示波器可以通过前面板USB 端口与PC机无缝连接，从而实现实验测量数据的交互和存储。示波器与PC 机的交互主要靠LabVIEW 中LC9420波形读取编译模块实现的，该模块能够实现从示波器上读取数据的功能，并将其编译成字符串数据。在图2 中，VISA resource name 模块代表的就是实验中的数据源（示波器的信号），LC9420 模块就是将示波器信号转化为字符串数据。程序设计中可以选择信号源的传输通道和采集数据点的总量。同时数据的读取还需要在程序中设置示波器的读取源代码，这些源代码由示波器制造商提供，虽然这些代码是按国际标准制定的，但是不同的厂家给出的代码稍有不同。

图1 磁滞回线实验测量装置实物图和原理图

2.2 数据分析和编译

事实上，通过LC9420 模块读取的字符串数据不能在虚拟的波形显示模块上显示，必须将其转化为二进制或者十进制的数字才能显示。因此首先必须对这些字符串数据进行编译。这是LC9420 模块的另一个功能。字符串数据要写入PC 机的缓存中，然后根据需要读取一定数量的数据，再通过扫描字符串子模块将字符串转化为二进制或十进制数据。为了节省PC机的内存，程序还将这些数据压缩成簇［14］，整个过程如图3 所示。

实验中另一个目标是测量结果的可视化和实时性，程序前面板能够显示出与示波器信号一致的图样，这就要求对数据进行实时显示。簇数据不能直接由虚拟波形显示器显示出来，必须通过一个波形分析子模块实现此转换。另外簇数据转换时要有原来的字符串数据作为参考，并且在存储单元中形成一一对应关系。在波形分析时需要再次从信号源中读出一组字符串数据与之对应，如图4 所示。图中用红色方框标记的就是波形分析子模块。经过该模块的处理，簇数据变成了十进制的信号数据，这样数据就能在程序的虚拟波形显示器上显示，最终达到实时监控信号的目标。

图2 示波器数据交互模块

图3 LC9420数字转换模块

图4 LC9420波形编译模块

2.3 数据处理和保存

数据处理过程就是去除噪声，优化显示图形的质量，提高测量精度。数据处理分为两步。首先用滤波器对采集到的信号进行滤波处理，采用的是带通滤波方式［15］。由于信号源的频率为50 Hz，将带通频率设置为40 ～60 Hz。通过带通滤波可以将其他波段的噪声全部滤除。滤波后将信号分别传输给图像显示模块的X-Y通道，这样图像显示模块就能将两路信号进行合成利萨如图形，即B-H磁滞回线。但是信号只通过滤波器处理，噪声信号依然较大，图像质量并不理想。

为了进一步提高图像质量，本实验选用一种简单有效的方法——多次采集数据相加再取平均值。实验中通常是100 次数据采集的平均值，但本实验不是直接将数据采集100 次进行平均，这样会等待较长时间后才能看到测量结果。如果测量结果不理想，这段时间就被浪费。因此，数据测量过程中，采用的方法是先取2 次测量平均值，然后再进行累加，这样的话如果出现外界信号干扰，就可以及时停止数据采集。方法是将实时数据存入一个数组中，用一个For 循环对数据进行累加，实时数据是通过数组的局部变量传输的，这样平均的次数会以2 为等差数列进行累加，最终获得的信号是100 多次的平均值。噪声信号的随机性使得这种信号处理方法非常有用。图5 所示为数据处理模块。

LabVIEW程序平台还提供较为直观方便的数据保存模块［16］。本实验首先利用局部变量将两路数据传输给一个二维数组，二维数组直接与一个电子表格文件模块相连，电子表格模块可以设置数据的bit 数，并且可以根据需求对其命名。电子表格模块还可以设置存储路径，使用极其方便快捷。另外，数据采集操作非常简单，程序的前面板如图6 所示。数据采集时，只要用鼠标单击一下运行箭头（红色方框标记），数据采集完成单击一下“STOP”按钮，并根据需要给数据文件命名即可完成测量。