（测试计量技术及仪器专业论文）用于软磁材料磁特性测量的电子积分器研究.pdf

用于软磁材料磁特性测量的电子积分器研究 黑翳 指导教师签字：彦孺 摘要 磁性测量仪器与磁性材料的研制和生产密切相关，磁学和磁性材料的研究与生产水平 已经成为衡量一个国家信息化程度的重要标志。目前，我国磁性测量仪器的研究进度相对 磁性材料的应用进展缓慢。我国磁性测量的国家标准方法是冲击法，由于其采用的仪器价 格低廉，所以在磁测领域中得到了广泛的应用，但传统的冲击法使用的是磁电式仪表 冲击检流计，因此存在测量过程复杂，自动化程度低，不易维护等缺点。在此背景下，本 课题开展用于磁性材料测量磁电传感器电子积分器的研制具有实际意义，对于今后发 展便携式磁测仪器具有良好的应用前景。 本课题的研究是依照g b t 3 6 5 7 1 9 8 3 软磁合金直流磁性能测量标准方法，改进磁测 装置，围绕如何更好的解决对微弱磁测信号采集这一目标，课题开展以下三方面的工作： ( 1 ) 高精度的电子积分器设计；该系统由衰减系统、前置放大电路、电子积分电路组成。 由于电路参数与积分器特性紧密相关，且多级电路相互制约影响，利用模拟仿真、实验及 参数优化等多种方法，确定最终电路中主要器件的参数；同时设计了双极性电源以提高积 分器的稳定性；( 2 ) 以a t 8 9 s 5 2 为核心的单片机磁测信号采集系统研制，通过在硬件上 设计l c d 模块及在软件上设计一些软件算法，来实现数显功能及抑制电子积分器的漂移； ( 3 ) 设计并制作用于标定电子积分器的标准伏秒发生器。该标准伏秒计通过标定冲击法 测量装置，其精度达到使用要求。可以用于对电子积分器标定。 最后实际测试1 j 8 5 软磁合金材料，测量结果与陕西省计量研究院结果比对，结果表 明，基于电子积分系统的软磁材料测量装置的测试结果达到g b t 3 6 5 7 1 9 8 3 检定规程的 技术要求。 关键词：软磁材料；冲击法；电子积分器；单片机；伏秒发生器 e l e c t r o n i ci n t e g r a t o ru s e di nm e a s u r i n gt h ep a r a m e t e r so fs o f t m a g n e t i cm a t e r i a l s d i s c i p l i n e ：m e a s u r i n ga n d s t u d e n ts i g n a t ur e g s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： t e s t i n gt e c h n o l o g i e sa n di n s t r u m e n t s a b s t r a c t t h em a g n e t i cm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ti sc l o s e l yr e l a t e dt or e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo f m a g n e t i s mm a t e r i a l s t h el e v e lo fr e s e a r c hi nm a g n e t i ca n dp r o d u c i n gm a g n e t i s m m a t e r i a l sh a s a l r e a d yb e c o m ea ni m p o r t a n tm a r kt h a tw i l ls h o wt h ei n f o r m a t i o nd e g r e eo fo n ec o u n t r y a t p r e s e n t ，t h er e s e a r c ho fm a g n e t i s mi n s t r u m e n tm a k e ss m a l lp r o g r e s si nc h i n a b l a s tm e t h o d ，a s n a t i o n a ls t a n d a r dm e t h o d i sw i d e l yu s e di nt h em a g n e t i cm e a s u r e m e n tf i l e db e c a u s ei t s i n s t r u m e n t sa r el o wp r i c e b u ti tu s e dm a g n e t o e l e c t r i ci n s t r u m e n t s - - b a l l i s t i cg a l v a n o m e t e r ， w h i c hb r o u g h to u ts o m ed i s a d v a n t a g e so fc o m p l i c a t e dm e a s u r e m e n tp r o c e s s ，l o wd e g r e eo f a u t o m a t i o na n dd i f f i c u l tt om a i n t a i n i nt h i sb a c k g r o u n d ，t h ep r o j e c th a sd o n er e s e a r c ho nt h e d e s i g n i n go ft h ee l e c t r o n i ci n t e g r a t o rw h i c hh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dw i l lh a v eg o o d p r o s p e c ti nt h ed e v e l o p m e n to fp o r t a b l em a g n e t i cm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ti no u rc o u n t r y a c c o r d i n gt og b t3 6 5 7 19 8 3 ，w h i c hi sas t a n d a r dm e t h o dt om e a s u r et h es t a t i cp a r a m e t e r o ft h es o f tm a g n e t i cm a t e r i a l s ，t h em a i no b j e c ti si no r d e rt od e a lw i t ht h ed a t aa c q u i s i t i o n p r o b l e mo fw e a ks i g n a li nt h em a g n e t i cm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t t h i sw o r km a i n l yd i s c u s s e s t h o s ei s s u e sa sf o l l o w ：f i r s t l y ，as y s t e mo fh i 曲a c c u r a c ye l e c t r o n i ci n t e g r a t o rw a sd e s i g n e d w h i c hi sc o m p o s e do fe l e c t r o n i ci n t e g r a t o rc i r c u i t ，a m p l i f i e rc i r c u i ta n dd i m i n i s h e dn e t w o r k c i r c u i t s b e c a u s ep a r a m e t e r si nc i r c u i ti sc l o s e l yr e l a t e dt oc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e g r a t o ra n dt h e i n t e r f e r e n c ea m o n gm u l t i s t a g ee l e c t r o n i cu n i t s ，t h o s ew e r ed e t e r m i n e db ym e a n so fs i m u l a t i o n ， e x p e r i m e n t sa n do p t i m i z a t i o n ；a tt h es a m et i m eb i p o l a rp o w e rs u p p l yi sd e s i g n e di no r d e rt o m a k es u r et h es t a b i l i t yo ft h ee l e c t r o n i ci n t e g r a t o r ；s e c o n d l y , am e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gu n i t b a s e do nm c uc h i pa t 8 9 s 5 2i sd e s i g n e d b ym e a n so fd e s i g n i n gl c dm o d u l ei nh a r d w a r e a n ds o m es o f t w a r ea l g o r i t h m saf e wo ff u n c t i o n sa r er e l i a b l ei nc a l i b r a t i n gi n t e g r a t o ra n d d e c r e a s i n gt h ed r a f to fi n t e g r a t o r ；t h i r d l y , t h es t a n d a r dv s ( v o l t a g e s e c o n d ) g e n e r a t o r i s p r o d u c e d ，w h i c hi s u s e df o rc a l i b r a t i o no ft h ee l e c t r o n i ci n t e g r a t o r d u r i n gas e r i e so f e x p e r i m e n t sm a d ei nm e a s u r e m e n td e v i c e so fb a l l i s t i cm e t h o d ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w s t h a tv sg e n e r a t o rc a nm e e tt h en e e d so ft h em e a s u r e m e n t a c c u r a c y c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so fm e a s u r e m e n tm a d eb ys h a a n x ii n s t i t u t i o no fm e t r o l o g y s c i e n c eb a s e do ns t a n d a r d1j 8 5 s a m p l e s ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s h o wt h a t e l e c t r o n i c i n t e g r a t o rc a nm e e tt h en e e d so fv e i l f i c a t i o nr e g u l a t i o ng b t 3 6 5 7 19 8 3 k e yw o r d s ：s o f tm a g n e t i cm a t e r i a l s ；b a l l i s t i cm e t h o d ；e l e c t r o n i ci n t e g r a t o r ；m c u ；v s g e n e r a t o r 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工 作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留 送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 学位论文作者 指导教师签名 日期：加歹p 厂 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位 或他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 日期： p f 髟易 8 1 1 绪论 1 1 研究背景 1 绪论 材料是人类社会发展的物质基础和先导。磁性材料【lj 是国民经济各个领域中不可缺少 的功能材料，它不仅满足了传统工业的发展需求，而且在科技、电子信息等技术中也起着 相当重要的作用。磁性测量作为磁学的一个重要组成部分，在当今磁性材料的研究和应用 领域中己成为研究物质磁性本质和磁化过程及其机理的重要手段，在科学研究和工厂质量 控制中发挥着巨大的作用。磁学和磁性材料的研究与生产水平已经成为衡量一个国家信息 化程度的重要标志【2 捌。软磁材料是其中应用最广泛、种类最多的磁性材料之一。 磁性材料根据用途的不同以及材料所表现的磁性差异，可分为软磁材料、永磁材料、 矩磁材料、旋磁材料和压磁材料五大类【4 j 。课题研究的软磁材料是指那些矫顽力小、容易 磁化和退磁的磁性材料，主要包括金属软磁合金和软磁铁氧体两大类。金属软磁合金主要 是电工钢硅钢和铁镍合金，其中电工钢又占绝对优势；金属软磁合金是磁性材料中用途最 广、用量最大的一类材料，在磁性材料中一直占据主导地位。随着同益向小型化，高性能， 高速化发展的电子学领域的进步【5 】，以磁记录和记忆元件为中心的薄膜软磁合金的开发十 分活跃。同时高速发展的信息技术、新型绿色照明工程、节能灯的发展，需要使用大量高 档的铁氧体软磁滤波芯片、抗干扰磁芯等，这促使软磁材料进一步向高频、高磁导率和低 损耗发展1 6 q j 。 对于磁性材料性能的评定主要借助于磁测技术，当代随着材料科学的发展，对相应的 磁性材料性能检测提出了更高的要求。磁测技术的范围非常广泛，测试的磁场范围为 1 0 。1 0 1 0 1 奥斯特，测试频率从直流到工频，高频甚至超高频，应用的原理包括电磁效应、 光磁效应、压磁效应、热磁效应等1 9 】。不同磁性材料采用的测量原理和测试方法也不同。 随着生产的发展，各种新型磁性材料的出现，如稀土永磁、非晶态磁性合金等，不但进一 步拓展了磁性材料的应用领域，促进了生产和科学技术发展，同时对磁性测量领域也提出 了更高的要求，特别是微电子技术的迅速发展，使得磁性测量仪器也朝着自动化、数字化、 小型化和便携化的方向发展。此外，磁学和磁性材料的研究与生产水平已经成为衡量一个 国家信息化程度的重要标志。我国的磁性材料蕴藏量排世界第一位，是最大的磁性材料及 器件生产国和出口国，但在磁性材料及器件的生产加工、电磁技术、磁性测试技术以及测 控技术等领域发展速度缓慢【l0 1 ，国内对磁测量仪器特别是高性能磁测试仪的需求十分迫 切，在有些高精度和高灵敏度磁性测量领域完全依赖于进口国外磁测仪器，如专业磁测仪 器生产厂家美国的l d j 公司，日本的横河电机制作所、理研电子株式会，西德的f 6 r s t e r - - p y s i k a g 公司，加拿大的s c i n t r e x 公司，其产品性能和功能都很优越，但价格是国内 同类产品的3 倍左右。目前，我国在磁性测量仪器方面的研制水平还不是很高，而且国产 两安丁业火学硕十学位论文 磁测试仪的性能比进口国外的产品有较大的差距，主要表现在仪器体积大、功能单一、精 度仅o 5 、灵敏度仅为l o - 4 w b m m 、而且零漂大，自动化和智能化程度低。 总之，我国在软磁测量领域有很大的发展空间，特别是研制开发适合现代磁测要求的 数字式、便携式软磁测量仪器在我国具有良好的发展前景。 1 2 研究发展现状 1 2 1 软磁材料及磁特性发展状况 软磁材料主要包括金属软磁合金和软磁铁氧体两大类i l 。其中金属软磁合金在磁性 材料中一直占据主导地位【1 2 】。它在工业中的应用始于十九世纪未，是伴随着电力电工及 电讯技术的兴起而出现的。其应用范围极其广泛，尤其在变压器、电感器、e m i 滤波器、 偏转线圈等产品上有不可替代的作用【1 3 】。按照它的性能和应用特点分：高饱和材料， 包括电磁软铁、硅钢片和铁钴合金。硅钢片的饱和磁感应强度曰。较纯铁略低，但电阻率p 和磁导率较高，是电力工业和电讯工业大量应用的材料；饱和和中导磁材料，包括中、 低镍的铁镍合金和中、低铝的铁铝合金。这类材料饱和磁感应强度b 。约1 5 丁，应用于中 弱磁场；高导磁材料，主要是高镍含量的铁镍合金，通常称坡莫合金，具有较高的起始 磁导率“和最大磁导率。，但饱和磁感应强度b 。较低，主要应用于变频变压器、互感器、 磁放大器等器件中；耐磨高导磁材料，包含铁硅铝、硬坡莫合金、非晶态软磁合金和高 导磁铁氧体等。具有高磁导率、低矫顽力、高电阻率、高耐磨性和低的应力敏感性。主要 用于磁头铁芯、高频电感铁芯等；矩磁材料，包含一系列铁镍合金、矩磁铁氧体和矩磁 非晶念合金等，具有高磁导率和低矫顽力，用于磁放大器、磁调制器、中小功率脉冲变压 器和磁芯存储器等；恒导磁材料，包括经过特殊处理的某些铁镍合金和非晶态合金。该 类材料剩余磁感应强度低，在一定温度和频率范围内磁导率基本不变。主要应用于恒电感 器、中等功率的单极脉冲变压器1 1 4 d6 。 软磁铁氧体是指容易磁化和退磁的铁氧体。按用途和材料可分为i l7 】：锰锌功率铁氧 体材料、通讯和电磁兼容( e m c ) 用锰锌高磁导率铁氧材料、偏转线圈用的锰锌系铁氧 体材料、射频宽带和电子干扰( e m i ) 抑制用镍锌铁氧体材料四大类。软磁铁氧体已经被 广泛应用于民用和工业领域中，如表1 1 所示。 2 l 绪论 有限通讯 无线通信 开关电源 电视机、录像机、收录机、 家庭影院中心 抗电磁干扰( e m i ) 电话滤波器。p c m 线问功率放火器变雎器、电缆加载器、程控电话l c 振荡同路。中续同步分离问路、中续功率变压器、数字程控交换机。 相位调幅变乐器、衰减器等。 信息处理设备：电子计算机、终端机、磁盘机，磁带机：商用0 a 设备： 复印机、传真机；通讯电子设备：微波发射机、传真机、高保真彩色 电视机。 高磁导率低功率 损耗。 低损耗 运用频率高、低 功耗、大容量、 小体积。 功率变压器、彩偏磁芯、行输出变压器、彩电电感线圈闭路电视器件、 高电阻率、低功 固定电感器高频线圈。 耗、传输损耗小 射频e m i 滤波器( 含高通、低通、带通、带阻) ，电源、电子线路滤 高的频带、高磁 波器、抑制器、片式元器件等。 损耗。 1 2 2 磁性测量综述 磁性测量一般是指对磁性材料试样的测试，按性质可分为动态和静态磁性测量两大 类。动态磁性测量是指磁性材料在交流、交直流迭加和脉冲磁化条件下的磁性能测量，其 中交直流迭加和脉冲磁化下的磁性能测量比较复杂。静态磁性测量是指磁性材料在直流磁 化下对磁性参数的测量来反映材料的磁性能。在工业和科研测试中，磁测量所依据的原理 1 8 - 1 9 1 主要有：( 1 ) 磁极问的机械力效应( 如磁强计) ；( 2 ) 电磁感应定律；( 3 ) 物质的磁效应， 如霍尔效应、磁电阻效应、核磁谐振、磁光效应、半导体对磁场的敏感效应等。 下面概括几种常用的测量方法【2 0 。2 7 1 ，如图1 1 所示。 冲击检流计法 磁导计法 电子磁通计法 振动样品磁强计法 磁通门传感器+ 亥姆霍兹线圈 磁滞回线：示波器法、模拟自动测量 磁化曲线：伏安法、交直流叠加法 磁导率：电桥法、谐振法 磁损耗：瓦特表法、电桥法、倍增电压表法 图1 1 磁性测量方法 3 数 数 参 参 念 念 静 动 厂l，、llll 料 材 磁软 两安：l ：业人学硕士学位论文 在众多测量方法中冲击法是传统磁测方法中的典型代表。它是利用电磁感应定律进行 测量的方法之一，是以冲击检流计( 根据磁场与电流相互作用的原理而制成的一种磁电式 高灵敏度电测仪表) 为积分器的单脉冲积分法。 磁性材料检测水平的高低依赖于检测仪器、仪表的水平。在我国，静态磁性测量装置 的发展主要经历了三代【2 8 1 。以冲击法为核心的测量装置作为我国第一代磁性测量装置应 用于上世纪六、七十年代；但冲击法作为经典实用的方法，存在一些不可克服的缺点： ( 1 ) 有明显的原理性误差。即由于测量回路电感大，样品的涡流及磁粘滞性，不能 满足冲击检流计线框运动之前电流脉冲已经通过的假设，因而带来了脉冲非瞬时误差。 ( 2 ) 冲击检流计包括一个线圈悬挂系统，严格要求水平放置，不能受震，比较“娇 气 ，因此使用和维护比较麻烦。 ( 3 ) 冲击检流计很难与数字化处理系统相联结，造成测量过程的不连续性以及操作 复杂，测量一次要花费大量的时间和精力，需要对测量人员进行特殊的培训。 六十年代中期到八十年代的电子积分自动测磁装置为我国第二代磁性测量装置；主要 体现在电子技术和其它技术的飞跃发展，电工学和电子学中的电源技术、电桥技术、反馈 技术、相敏技术、采样技术、电流比较技术、峰值整流技术和锁相技术等相继被移植到磁 测量技术领域来。磁性材料的性能参数测量基本上实现了自动化，测试的灵密度有了明显 的提高，测试速度也大大的加快，测试的准确度也有了较大的改善。进入8 0 年代以后， 用计算机控制的测磁装置成为第三代磁性测量装置，数字计算技术、微型机算计的使用风 靡了整个测试领域，智能化的仪器、仪表成为发展的主要方向。目前，磁性材料已成为支 持并促进社会发展的关键材料，磁性测量正朝着自动化、数字化、高灵敏度的方向发展， 必将提高磁性测量的智能化水平和精度1 2 邺4 1 。 目i j i 国内外磁性测量仪器已形成专门化的制造厂家，如美国的w a l l ke r 公司、l d j 公司、r a w s o n - l u s h 公司、r f c 公司和b e e l 公司等，同本的横河电机制作所、理研电子 株式会社和电子气株式会社，西德的f 6 r s t e r p y s i k a g 公司，加拿大的s c i n t r e x 公司等。 我国湖南娄底天宇研究所等【3 ”。下面列举部分国外、国内磁测仪器状况，如表1 2 、表 1 3 所示。 表1 2 国外状况 4 1 绪论 表1 3 国内状况 从表1 2 ，表1 3 可以看出，目前国内外初具规模的磁测仪器针对某一种磁性材料的 一部分性能参数进行测量，并且仪器存在体积大、价格高、操作复杂等缺陷。国内磁测仪 器的研究进度缓慢，智能化、数字化、集成化程度还很低，大部分中小企业由于成本和人 员培训的原因仍然沿用冲击法进行磁性参数的测量。同时，磁性材料的多样性和磁测信号 的特点也大大增加了磁性测量的难度。但是，磁性测量技术正处于迅速发展和提高过程中， 数字化、智能化磁测仪器在我国还有很大的发展空间。 1 2 3 电子积分器技术的发展及应用 按照国家标准g b t 3 6 5 7 一1 9 8 3 的规定把冲击法作为软磁合金直流磁性能测量标准方 法1 3 引。但由于冲击检流计的操作不便，对环境要求较高，科研人员根据其积分的工作特 点试图用电子积分器取代其磁信号传感器的作用。与此同时，随着电子技术的迅猛发展尤 其是放大器技术的进步，电子式积分运算放大器技术( 简称电子积分器) 不断的改进跟新。 例如c m o s 单片集成动态自校零技术应用到运算放大器技术后，运放芯片的各项参数都得 到了很大的改善。这些电子技术的发展使电子积分器成为一种较理想的高精度积分器，精 度得到了很大的提高被广泛应用于微弱信号的测量领域1 4 叫1 1 。 在光学方面的测试中，电子积分器电路在测量微弱信号尤其是脉冲信号时得到了广泛 的应用。在光学中利用积分器对激光散射光进行测量，测量的信号为p i n 硅光二极管将 散射光能量转化成的电信号，实际测量时探测器输出( 非饱和状态) 信号为前沿约l o n s ，脉 宽2 0 n s - - 一1 5 0 n s ，电荷量量程为1 0 叫1 0 峭c ，采用了5 0 n s 一- - 2 5 5 n s 可变门宽的中速门控 积分器的设计进行信号精确测量1 4 2 1 。因此电子积分器对电荷量的测量精度已经达到了 l o ”l o 。c ，而对于脉冲信号的脉宽的要求则达到了n s 级。 积分器不但可应用于光学领域，还广泛的应用于其他领域。在磁测方面，由于所产生 的磁测信号很小，一般都在十几个毫伏，而且是瞬变的，为了实现对这类信号高精度测量， 5 两安1 ：业人学硕十学位论文 可通过电子积分器对该小信号积分放大，通过选用合适的运算放大器和高精度的输入电 阻，在积分电容方面选取了精密度高，性能优良的进口电容器，在用标准信号对电子积分 器标定后，即可建立被n j , 信号与积分器输出电压之间的定量关系，积分放大后的电压可 用数表直接测量，通过对积分器输出电压的测量而实现对被测信号的测量【4 6 1 。清华大学 自动化系张昌俊、彭黎辉，张宝芬等人设计了模拟积分器式磁通计，指出减小零点漂移和 非线形误差是设计模拟积分器式磁通计的两个难题，设计人员通过设置高输入阻抗的前雹 放大电路和两个积分延时电路等几项关键技术，很好的解决了上诉的两个难题；吉林大学 物理系张涛等人提出了数字化积分磁通计的设计想法，针对模拟积分器漂移大和存在非线 性误差等弊端，采用电压频率( v f ) 变换器作为数字化的通道，不仅解决了漂移问题， 同时具有精度高、线性度好、结构简单等优点。从以上可以看出，针对模拟积分器的应用 的讨论主要针对如何抑制漂移和消除非线性误差成为了研究的热门话题。近几年由于m c u 技术的快速发展，将单片机技术和电子积分器技术相结合，可以成功的应用到高精度测试 领域中，并且还有向其他领域发展的趋势【4 引。 因此在设计磁测仪器时除对电子积分器技术做了深入的研究的同时，将现代单片机作 为现场处理数据的核心芯片应用到实际测量的磁特性测试仪中，实现测量的数字化，同时 也是今后数字积分器的发展奠定了基础，数字式积分器也是今后发展的趋势之一。 1 3 研究内容 本文通过对软磁材料测量信号的产生及特点，分析了经典冲击法测量软磁材料的利 弊，并对i ：l 捅j 用电子积分器测量软磁材料磁参数的方法，研制了以电子积分器为核心的测 量装置。本课题主要包括以下几个方面： ( 1 ) 冲击法测量方法 通过对软磁材料直流磁特性测量原理和测量对象的阐述，依照磁性材料磁特性测量标 准中规定的冲击法，构造了测量装置，分析了标定系统的原理，采用标准互感对其进行标 定，找到合适的匹配串并联电阻计算出冲击常数，标定1 j 8 5 样品。 ( 2 ) 电子积分器的设计 对实际电子积分器应用中存在问题的分析，主要针对集成运算放大器带来的失调电压 和失调电流对积分器的影响，采取了相应的措施，提出了设计方案，包括对积分电路中器 件的选择、抑制漂移对积分器的影响、降低积分时间常数对积分器稳定性的影响、设计双 极性对称电源辅助降低集成运放对积分器的影响。同时由于磁测信号的特殊性，设计了对 应的放大电路，以便为后续数据采集系统提供特定幅度的电压信号。作为中间环节，能否 设计出高性能的放大电路对于最终的测量精度显得至关重要。 ( 3 ) 单片机数据采集和控制系统设计 通过对采集信号特点的分析，如分析采集速度、采集数据量大小等，确定采用目前比 较常用的a t 8 9 s 5 2 单片机为数据采集系统核心芯片。利用电子设计自动化软件对所设计的 6 1 绪论 数据采集系统进行单片机仿真，这部分从硬件设计和软件开发两个方面进行了详细阐述。 ( 4 ) v s 发生器的设计及对积分器的标定 分析了利用v s 发生器对积分器标定的原理，其中高精度的v s 发生器的设计是提高积 分器精度的一个十分重要因素，所以如何提高v s 发生器的精度就显得尤为重要的，设计 中不但严格的选取器件，同时对于设计的伏秒发生器利用电子设计自动化软件进行功能仿 真。并对以对标定过的测量系统进行标定，确保设计的v s 发生器的精度。 1 4 本文安排 针对这些问题，本文主要从以下几个方面进行了论述： ( 1 ) 绪论 描述论文写作的背景、目的和意义，介绍了对于软磁材料测量技术及仪器的现状和发 展概况，通过对冲击法测量软磁材料过程中出现的问题入手，分析冲击法和电子积分器方 法的利弊，提出本课题采取利用电子积分器为核心测量单元并结合现代m c u 技术辅助测 量。 ( 2 ) 软磁材料测量原理及样品测量 对软磁材料测量及相关原理、标定方法进行了详细的分析和阐述，分析了利用冲击法 测量的利弊，为后续测量仪的研制提供了坚实的理论基础。 ( 3 ) 电子积分器的设计与实现 该部分详细叙述了电子积分器和放大电路的原理，设计了用于软磁材料测量的电子积 分器、电子积分器所需的双极性电源、电子积分器的后续放大电路、测试了相关的放大电 路和对相关的实验数据进行处理和分析。 ( 4 ) 数据采集单元的研制 主要包括以单片机为核心的数据采集单元中硬件和软件的设计，着重对所设计的单片 机数据采集控制单元进行了软件的电子仿真，针对各自对软件系统设计的目标和原则，采 用了不同的方式进行处理，以实现磁测信号测量自动化的要求。 ( 5 ) v s 发生器的设计和标定 主要设计了高精度的v s 发生器，叙述了标定原理，并将设计的v s 发生器标定以标 定好的冲击法测量装置，根据测量结果校正其输出精度。 ( 6 ) 测量实验和误差分析 该单元包括采用两种方法：标准互感器法和v s 发生器法标定设计好的电子积分器， 通过对两种方法的实验结果对比，所设计的v s 发生器以满足测量要求。最后，对系统中 的误差源做了详细的分析。 7 两安l ：业入学硕十学位论文 ( 7 ) 结论和后续工作展望 ( 8 ) 附录 主要包括单片机数据采集和控制系统各子功能模块程序流程图，积分器测量系统硬件 电路原理图、双极性电源原理图和积分器测量系统硬件p c b 印刷电路板图及双极性电源 p c b 印刷电路板图。 8 2 磁性材料直流磁特性测餐原理及样品测量 2 磁性材料直流磁特性测量原理及样品测量 本课题主要是针对软磁材料的直流或准静态磁化特性的测量。磁性材料的静态磁化特 性，就是磁性材料在恒定的直流磁场中表现出的特性，所以又称为直流磁特性。它是软磁 材料最基本的性能指标，是与材料本身物理状态有关的磁特性。 g b t 3 6 5 7 1 9 8 3 软磁合金直流磁性能测量标准方法冲击法，在磁性材料的生产和 研究中得到了普遍的应用。因此本章将着重介绍磁性材料基本静态参数、传统冲击法测量 软磁材料静态参数的原理和依照测量标准对测试装置的标定，以及样品的测量。 2 1 磁性测量原理、测量的对象 2 1 1 磁性测量原理 1 ) 电磁感应原理 当闭合电路的一部分导体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中就产生感应电动势 e ，同时电路里就有感生电流i 。或者说在绕组为n 匝的闭合电路罩，当磁通量发生变 化时，电路就有感生电动势e 和感生电流i 。这种现象叫做电磁感应，e 由下式来表示： p ：一_ a o ( 2 1 ) ( 2 1 ) 式中竽磁通量变化率。电磁感应还有两种情况： a t 钆自感 当导线中电流发生变化时，导线周围的磁场也随着变化，这个变化磁场也会在导线中 引起感生电动势来阻碍电流变化，这叫自感。自感电动势e 白的大小由下式表示： 一l 篆 ( 2 2 ) ( 2 2 ) 式中鲁电流变化率，单位为安秒；l 自感系数，单位为亨，它与载流线圈的 t 匝数、几何尺寸、形状、有无磁芯等因素有关。 b 互感 两个靠近的载流回路，相互激起感应电动势，称为互感。变压器、互感器就是根据这 个原理制成的。互感电动势由下式表示： 铲一m 瓮 ( 2 3 ) q 生址 m 9 = p 两安 i 业人学硕+ 学位论文 ( 2 3 ) 式中瓮是第一个回路的电流变化率；乞，是由第一个回路在第二个回路中激起的 感生电动势；( 2 4 ) x - i ：t 9 百a i 2 是第二个回路的电流变化率；q ：是由第二个回路在第一个回 路中激起的感生电动势；m 是互感系数，简称互感，单位为亨。 m 的物理意义是当不存在铁介质时，一个通电回路l ，所产生的通过另一回路l 2 的磁通 量与l 。的电流成正比，它们的比值称为互感系数。它由两个回路的几何形状，相对位置 决定。 2 ) 积分器的原理 电子积分器的原理图如图2 1 所示，一般常用的模拟电子积分器均由集成运算放大器 构成4 9 1 。若运算放大器和电容均为理想的，利用集成运算放大器“虚地概念，有，= k ， = 吃，而 = 罟= - 乙1i l c d t = 一扣衍= 一去肛 亿5 、 若电容两端的初始电压为：圪( ，。) ，则积分器的输出电压为： v o - 一去衍+ ( f 0 ) = 一衍+ 圪( f o ) ( 2 6 ) ( 2 6 ) 式中，f = r c ，称为积分器的时间常数。 图2 1 理想积分器电路 y a ( 2 6 ) 式表明，积分器的输出电压正比于输入电压对时问的积分，负号表示v o 与k 相位 相反，一般情况，积分运算是在一定的时间域上进行的。当初始条件( f 。) 为零时，积分 器的输出为： = 一去蚋= 一抄魂 ( 2 7 ) 从上面分析可知，电子积分器能精确地实现积分运算的关键是运算反相端的“虚地”， 2 磁性材料直流磁特性测鼍原理及样品测量 “虚地”既保证了电容器的充电电流正比于输入电压，也保证了电容器两端的电压在数值 上等于输出电压。不论什么原因使运放的反相端偏离“虚地”时，都会使电子积分器产生 积分误差。 2 1 2 测量对象 本文改进磁特性测试仪的测量对象是软磁材料的各项磁性参数，因此有必要先介绍一 些有关磁性材料的重要参数。 1 ) 磁感应强度b 、磁通和磁场强度h a 、磁感应强度b 定义：处于磁场中某点并与我磁场方向垂直的短直导体，长为1 ，通过电流为i ，受 到的力为f ，则该点的磁感应强度为： 曰：竺( t ) i - 厶t 由于历史原因，目前使用着几种不同的电磁测量单位制。目前，经常使用的是两种单 位制分别是国际单位制( s i ) 和电磁单位制( c g s ) 。 在国际单位中，磁感应强度的单位为t ( 特斯拉) ： b = i n ( a m ) = l w b m 2 = l t 在电磁单位制中， b = h + 4 r c m ( 2 8 ) b 的单位为g s ( 高斯) ，其换算关系为： 1 t 1 0 4 g s b 、磁通 磁通的定义是穿过磁场中某一截面s 的磁感应强度b 的通量，其表达式如式： = l b 凼 ( 2 9 ) 在国际单位制中，磁通单位为w b ( 韦伯) ，i w b = i v s ( 伏秒) ，工程上使用电磁制 单位m x ( 麦克斯韦) ，其换算关系为： 1 w b 1 0 8 m x c 、磁场强度向量日 曰= u h ( 2 1 0 ) 式中，“为磁场中媒质的磁导率。 在国际单位制中，h 的单位为a m - 1 ，在电磁单位制中，h 的单位为o e ( 奥斯特) ，其 换算关系为： 1 a m 一1 二o e 8 0 1 1 曲安t 业人学硕士学f 7 = 论文 2 ) 磁化强度m 、初始磁导率。和最大磁导率， 描述物体磁性的强弱和磁化状态常用磁化强度m ，它表示单位体积内各个磁畴磁矩 的矢量和( 肘= 聊) 。在国际单位中，m 的单位为a m ，在电磁单位制中，其单位也是 g s ( 高斯) ，换算关系为 1 a m 一1 一1g s 8 0 物质在外磁场的作用下，磁化强度将发生改变，它磁场强度h 的关系由下式来表达： m = z h( 2 11 ) 其中z 称为磁化率。把( 2 1 1 ) 式代入( 2 1 0 ) 式，得到： b = ( 1 + 4 r r x ) h( 2 1 2 ) 定义= 1 + 4 z r x ，为磁导率。 磁性体在磁中性状态下磁导率的极限值定义为初始磁导率 风= l i mb 日 ( 2 1 3 ) 初始磁化曲线上，对应于各点的磁导率的值不同，其中有一个最大值称为最大磁导率 。o 。：旦 ( 2 1 4 ) m 2 x o h 【2 3 ) 剩余磁感应强度b r ，饱和磁感应强度b s 和矫顽力h e 磁性材料的静态特性，常用特性曲线来表示，如图2 2 饱和磁滞回线所示： 图2 2 饱和磁滞回线 a 、饱和磁感应强度b s 当磁性材料所在外磁场h 逐渐增大时，磁感应强度b 的最大值即为饱和磁感应强度。 1 2 2 磁性材料直流磁特性测量原理及样品测彗 b 、剩余磁感应强度b r 当外磁场强度由最大值逐渐减小到零时，此时磁性材料中的 磁感应强度即为剩余磁感应强度，它是磁滞回线在纵轴的截距。 d n c 、我们把i d r 的值称为矩形系数 d s d s d 、矫顽力h e 它表示材料被磁化后保持磁化状态的能力。表明了磁性材料中使磁 感应强度b 减小到零时所需要的反向磁场强度，在饱和磁滞回线中h c 是其在横轴的截距。 2 2 磁性材料磁特性测量标准 作为计量测试仪器的研制必须严格遵循一系列测量方法的标准。下面从国际和国内两 个方面介绍有关磁性材料测量方法的标准。 在国际上1 9 6 8 年成立的i e c 厂r c 6 8 ，即国际电工委员会第6 8 委员会，我国是3 1 个成 员国中的一个p 成员国，该委员会主要负责磁性材料的名词术语、技术条件和实验方法等 标准的制定和复审工作。到目前为止，在国际上已发布2 2 个标准，其中1 1 个属于实验方 法方面的标准，形成了比较完整的磁性材料测量标准，例如i e c 4 0 4 2 ( 第二版，1 9 9 6 ) ： 规定了电工钢片和钢带磁性能测量标准、4 0 4 - 3 ( 第二版，1 9 9 2 ) ：规定了用单片机测试仪 测量磁性钢片和钢带磁性能标准、4 0 4 - 4 ( 第二版，1 9 9 5 ) ：规定铁和钢直流磁特性测量标 准等。 随着国际标准同益完善成熟，我国也在磁性材料磁特性测量标准上形成了比较完整的 体系，如中华人民共和国软磁合金直流磁性能测量方法的国家标准为g b t 3 6 5 7 19 8 3 ，该 标准适用于室温下测量软磁合金( 铁一镍、铁一钴、铁一铝系合金等) 所制备的环形试样的基 本磁化和磁滞回线上的各磁性参数等。该标准规定把冲击法作为软磁合金直流磁性能测量 标准方法，由于它是国标指定的标准方法而且装置简单，又有足够的测量精度，成本很低。 因此，即使计算机技术高速发展的今天大部分企业在磁性测量方面仍然采用这种方法。但 冲击法作为传统方法仍然存在一些不可克服的原理性缺点，而且该标准还特别说明了，在 不大于测量误差的情况下，可采用其它测量方法。 2 3 标定原理 所谓标定就是用被标定的测量仪器对一些标准样品或标准信号进行测量，从而建立起 测量结果与标准样品或标准信号之间的对应关系，以此达到提高测量装置或仪器的精度的 目的，因此对测量系统的标定是保证测量精度的关键。对于磁性测量装置的标定，一般采 用的是标准互感法和标准伏秒发生器法，检定规程j j g 3 1 3 9 4 中规定用标准电流互感器对 测量系统进行标定；而利用标准伏秒发生器标定磁通也是工程中常用的一种标定方法，作 为发生器本身校准也只是需要精密地测量时间及电压，因此在一般的实验室里就有条件能 很好地完成对伏秒发生器的校准，所以它将在磁测领域中得到广泛的应用。 1 3 两安1 j 业人学硕+ 学位论文 对于冲击法测量装置的标定采用标准互感法，它是利用了法拉第电磁感应定律，通过 磁化装置产生稳定的磁化电流流过绕在标准互感上的磁化线圈i 并产生一稳恒磁场，根 据电磁感应原理磁场会通过样品传导到测量线圈 上形成磁感应强度。当磁化电流发生 变化时，测量线圈，上磁感应强度也会放生变化从而引起磁通量的变化，磁通量的瞬间 变化在测量线圈 中产生感应电动势，通过冲击电流计，反映在光标的变化。标定装置 原理图如下图2 3 所示： 图2 3 标定原理示意图 如图所示测量时，保证恒流回路电流为，在磁化线圈1 中产生磁场强度日： h = l ，万d ( 2 1 5 ) 该场在测量线圈从上形成磁感应强度b 。当开关换向时，在极短时间r 秒内，磁化电 流的变化将引起磁场强度变化脯，磁感强度变化2 ，在测量线圈2 中产生磁通量的 变化为： = a b n 2 s( 2 1 6 ) 式中s 为试样的横截面积。磁通量的瞬间变化在测量线圈，中产生感应电动势e ， 它们之间的关系：f e d t = 中，根据基尔霍夫定律在测量回路中磁通量的变化可表示为： l e d t = r q ( 2 1 7 ) 式中尺为测量回路总电阻，q 为通过冲击检流计的总电量。由公式( 2 1 7 ) 可知： j e - d t = a d o = r q = r & = s , = q 。 ( 2 1 8 ) 在标准互感m 的次级线圈内得到磁通量的改变量： m = m a i ( 2 1 9 ) 卜标准互感的互感系数。 这将引起冲击电流计线框发生冲击偏转口( 聊) ，由公式( 2 1 9 ) 可知它们的关系是： 1 4 2 磁性材料直流磁特性测