（电路与系统专业论文）软磁材料矫顽力自动检测系统硬件电路设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

西北大学硕士学位论文 摘要 目前，根据国家标准或国际标准研制的矫顽力测量仪器主要是针对软磁试样的。 在实际应用中，常常会用到各种形状复杂的软磁零件。把用于试样的测量仪器对零件 进行测量时会存在一定的测量误差进而可能引起一些加工、生产厂家在磁性能指标 上的差异。 本论文通过对矫顽力测量方法的研究，在一定外围设备基础上，进行了软磁材料 矫顽力自动检测系统的硬件电路设计。主要是借助于空气振动线圈传感器、磁化装置 等外围基础设施，通过对系统的全面分析和理解，经过对硬件电路需求分析、方案论 证，完成了系统的硬件设计工作。 依据系统参数测试需求，硬件电路的设计包括：使传感器工作的低频气流源模块、 对传感器输出信号进行检测的微弱信号检测模块、使磁化测量装置工作的磁化测量 恒流源模块以及使系统各部分正常工作所需的直流稳压电源模块。经过电路的设计、 仿真、制板、装配及调试等过程，完成了硬件电路的研制任务。 在系统功能实现过程中，除了硬件电路研制工作外，还进行了l 位机应用程序的 设计及系统的综合调试工作。经过一年多的努力，基本实现了软磁材料矫顽力自动检 测系统的测试功能，系统的性能指标还有待于进一步提高。 关键词：软磁材料矫顽力测量电路设计 西北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，m o s tc o e r c i v i t ym e a s u r e m e n td e v i c e sd e s i g n e db yn a t i o n a lo ri n t e r n a t i o n a l c r i t e r i o na r eu s e df o rs o f t m a g n e t i cs a m p l e s b u t i nm o s ta p p l y i n g c a s e s ，m a n y c o m p l i c a t e ds o f tm a g n e t i ca c c e s s o r i e sa r eu s e d u s i n gc o e r c i v i t yd e v i c ed e s i g n e df o r s a m p l e st om e a s u r ea c c e s s o r i e sw i l lp r o d u c es o m ep r o b l e m s ，e v e nb r i n go nd i s s e n s i o n s b e t w e e nf a c t o r i e si nm a g n e t i cc h a r a c t e r i z a t i o n b a s e do nt h es t u d yo fc o e r c i v i t ym e a s u r e m e n tm e t h o d sa n ds o m ep e r i p h e r i e s ， d e s i g n e dc i r c u i t so fh a r d w a r eo fc o e r c i v i t ya u t o m a t i ct e s ts y s t e m ，p r i m a r i l y , r e c u rt ob a s a l p e r i p h e r i e ss u c ha s a i rv i b r a n c yw i n d i n gs e n s o ra n dm a g n e t i z a t i o nd e v i c e ，b ya l l s i d e d a n a l y z i n ga n du n d e r s t a n d i n go nt h es y s t e m ，v i aa n a l y z i n gt h ed e m a n d 、d e s i g na n d d e m o n s t r a t i o n ，c a r r i e do nt h eh a r d w a r er e s e a r c hw o r k a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e m e n td e m a n d i n g ，h a r d w a r ec i r c u i t sm a i n l yi n c l u d i n gl o w f r e q u e n c ya i r f l o wm o d u l et ow o r kt h es e n s o r , m e a s u r e m e n tm o d u l ef o rf a i n ts i g n a l s w h i c hc o m ef r o mt h es e n s or m a g n e t i z a t i o na n dm e a s u r e m e n tm o d u l eu s e df o r m a g n e t i z a t i o ne q u i p m e n ta n dt h es t a b l ed cp o w e rw h i c hw o r k st h ew h o l es y s t e m a f t e r t h ep r o c e s so fc i r c u i td e s i g n 、s i m u l a t i o n 、p c bf a c t u r e 、c i r c u i ta s s e m b l a g ea n dd e b u g g i n g ， f i n i s h e dt h eh a r d w a r er e s e a r c hw o r kf i n a l l y a tt h ep r o c e s so fw o r k i n g ，b e s i d e st h eh a r d w a r er e s e a r c h ，f i n i s h e dt h ep ca p p l i c a t i o n u s i n gt h el a b v i e ws o f t w a r e ，t a k e np a r ti nt h eh o l i s t i cs y s t e md e b u g g i n g a f t e rm o r et h a n o n ey e a r sh a r dw o r k ，f i n a l l yr e a l i z e dt h eb a s a lm e a s u r e m e n tf u n c t i o no fc o e r e i v i t y , b u t s t i l ln e e dt oi m p r o v et h ef r o n d o s ep e r f o r m a n c e so ft h es y s t e m k e y w o r d s ：s o f tm a g n e t i cm a t e r i a l sc o e r c i v i t ym e a s u r e m e n t c i r c u i td e s i g n i i 西北大学硕士学位论文 y 8 9 3 7 2 6 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被 查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文 章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：撞型垩指导教师签名：鲑兰堡 加v 占年c 月# - r nf 年f 月佯日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名：崔列乎 。，绰多月# - h 西北大学硕士学位论文 第一章绪论 材料是人类社会发展的物质基础和先导。磁性材料川是国民经济各个领域不可缺 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 也起蓿越来越重要的作用。而软磁材料是其中应用最广泛、种类最多的磁性材料之一。 矫顽力是软磁材料的主要直流磁性参数之一，它表现为磁性材料磁滞回线上的一个 点，反映了磁性材料的磁滞特性。 在当今磁性材料的研究和应用领域，磁性测量作为磁学的一个重要组成部分，已 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。软磁材料的矫顽力测量对评定磁性材料的磁性能具有重要的意 义i2 1 。 目前，根据国家标准或国际标准研制的矫顽力测量仪器主要是针对软磁试样的。 但实际应用中常常会用到各种形状的软磁零件。把用于试样测量的仪器用来对零件进 行测量时会存在一定的测量误差，进而可能引起一些加工、生产厂家在磁性能指标上 的纠纷例。国外的测试设备动辄几十万、上百万，我国作为磁性材料的生产大国，在 材料的开发和生产上对磁测仪器的需求已经非常迫切【4 1 。 1 1 矫顽力测量相关知识及背景 在进行软磁材料矫顽力自动检测系统的研制工作之前，首先需要对软磁材料、磁 性测量等相关知识背景进行深入学习和理解，以便系统研制工作的顺利进行。 1 1 1 软磁材料及相关磁参量 1 、软磁材料 根据用途的不同以及材料所表现的磁性差异，可将磁性材料分为软磁材料、永磁 材料、矩磁材料、旋磁材料和压磁材料五大类2 1 。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。金属软磁合金在磁性 材料中一直占据主导地位【引。 软磁材料的基本特征是易磁化和饱和，反映在磁滞回线和磁化曲线上的特征参数 西北大学硕士学位论文 磁导率高，矫顽力上k 小，高饱和磁感应强度和低的磁滞损耗。当外加磁场较弱时， 磁化强度即可达到较大值；去掉外磁场时，材料保持的剩余磁化强度很小，容易退磁。 所谓的软，是指这些材料容易磁化，在磁性上表现“软”。由于它们容易磁化和退磁， 而且具有很高的导磁率，可以起到很好的聚集磁力线的作用所以软磁材料被广泛用 来作为磁力线的通路，即用作导磁材料，例如变压器、传感器的铁芯，磁屏蔽罩，特 殊磁路的轭铁等。通常希望材料的磁导率“要高、矫顽力h c 和损耗p c 要低【6 】。 2 0 世纪3 0 年代前为金属软磁的一统天下，五六十年代为软磁铁氧体的黄金时代， 9 0 年代以后，非晶与纳米晶金属软磁材料逐渐成为软磁铁氧体的新竞争对手。软磁 材料今后仍将沿着高b s 、高m 低p c 、低h c 和高频化、小型化、薄型化的方向发展， 以满足磁性元件的日益薄膜化和小型化，甚至集成化的趋势【6 j 。 2 、物质的磁性参量 与磁性材料有关的常用物理量有磁场强度、磁化强度、磁感应强度、磁化率和磁 导率等。磁场强度指空间某处磁场的大小，用表示，单位是安米( a m ) 。磁化强 度指材料内部单位体积的磁矩矢量和，用m 表示，单位是安米( a m ) 。用它来掐述 宏观物质的磁性强弱。将磁性材料放入外磁场圩时，材料内的原子磁矩取向并产生 附加磁场，通常把附加磁场与外磁场叠加后的合磁场称为磁感应强度，用b 表示，磁 感应强度也称为磁通密度，单位是特斯拉( t ) 。它与磁场强度的关系为：b = , u h ， 式中口= + 4j rx ，称为物质的磁导率。磁化率是用来描述放入磁场中被磁化的物体， 其中磁化强度与磁场强度的关系为厨= z 疗，它是物质的磁性参量之一。磁导率是基 本磁化曲线上的磁感应强度b 与对应的磁场强度h 的比值，用符号表示，其定义 式为：b = b h 。磁导率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外 部磁场的灵敏程度。 3 、磁性材料的静态磁化及常用性能指标1 2 】1 7 l 在外加磁场的作用下。磁性材料由磁中性状态变成对外显示磁矩状态的过程称为 磁化。在磁化过程中，当外磁场h 从零起逐渐增加时，材料的磁感应强度b 或磁化 强度肘也从退磁状态( b 或m 等于零) 逐渐上升。其值开始变化缓慢，随着磁场进 一步增大，则增加很快；在磁场足够强时，变化又缓慢了，如图1 一l 所示。这样的曲 线称为磁化曲线。在科学实验和生产实际中，磁化曲线用磁化强度和磁场强度关系来 2 西北大学硕士学位论文 表示；而在工程上，磁化曲线用磁感应强度一磁场强度关系来表示。磁化饱和时为饱 和磁感应强度( 或称饱和磁通密度) ，用执表示。饱和磁感应强度是磁性材料的一个 重要指标。依测量方法不同，磁化曲线可分为原始磁化曲线、理想磁化曲线、基本磁 化曲线三种。工程上常用的是基本磁化曲线。磁化曲线上表示的磁导率是软磁材料的 另一个非常重要的指标。 图i - 1 铁磁物质的磁化特性 磁性材料经磁化达到饱和后，如果将磁场强度逐渐减小，由于磁滞后现象( 当外 磁场减小时，磁感的减小比磁场的降低“落后”或者“滞后”的现象，称为磁性材料的磁 滞现象) 的存在，b ( 或m ) 不是沿着磁化取向变化，而是按图1 2 所示的曲线变化。 当磁场变为零时，磁感应不为零，这时的磁感应强度称为剩余磁感应强度，简称剩磁， 用研表示。然后反方向增加磁场，磁感应继续减小，直到零。这时对应的磁场强度 称为矫顽力，用h c 表示。若进一步在反方向增加磁场，磁感应强度则沿着负向增加， 直到饱和。当磁场由负饱和场连续变到正向饱和场时，磁感应强度相对于坐标原点对 称变化，形成一条闭合的回线，称为磁滞回线。 廿暑m 7 乡 矛、 j ， 0 h 。 h 7 、 h 图1 2 铁磁物质的磁滞回线 实际应用中，可以根据磁化曲线和磁滞回线定义一系列磁性参量。如根据基本磁 化曲线定义的磁导率( m ，、脚) 、饱和磁感应强度凰：根据磁滞回线，可求得磁性 材料的剩余磁感应强度耳和矫顽力手0 。 西北大学硕士学位论文 1 1 2 磁性测量 磁性测量一般是指对磁性材料试样的测试，用磁性参数反映材料的磁性能。磁性 测量的主要任务是揭示材料在外磁场作用下所表现出的宏观磁特性。在工业和科研测 试中，磁测量所依据的原理主要有：( 1 ) 磁极间的机械力效应( 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( 法 拉第效应) 、半导体对磁场的敏感效应等。 磁性测量可分为静态磁性测量和动态磁性测量两大类。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场磁化下的磁特性测 量。静态磁性测量能反映磁性材料最基本的物理特性，也是磁性材料最基本的计量标 准f8 1 。 在我国，静态磁性测量装置的发展主要经历了三代【9 j 。冲击法是最古老而又经典 的方法，作为我国第一代磁性测量装置应用于上世纪六、七十年代；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：八十年代以后，用计 算机控制的测磁装置成为第三代磁性测量装置。软磁直流磁性参数主要包括初始磁 导口，、最大磁导率口。、饱和磁感应强度凰、剩余占 和矫顽力胁。测量使用的试样 多是环状试样，但像工业纯铁的肪则采用条状、棒状，用冲击法开路抛移线圈测量 或采用r c 一1 型弱磁场测量仪和磁通门磁强计进行测量。 1 2 矫顽力测量意义、现状及测量方法 1 2 1 矫顽力测量的意义及现状 矫顽力是磁性材料的重要参数之一，是指饱和磁滞回线上磁化强度m ( 或磁感应 强度鳓为零时的外磁场强度，用h c 表示，单位为安每米( a m ) ，表现为磁滞回线上 的一个点，反映了材料的磁滞特性，是生产、科研以及产品抽检中的必检项目i o 1 1 。 电工纯铁的主要磁性能就是矫顽力，其矫顽力性能的优劣，影响着其它磁性参数， 从而影响着电气产品的电磁性能。例如，电磁继电器的释放参数，如果电工纯铁的矫 顽力大，剩磁就多，磁导率则低，导致产品释放电压值减小，继电器断电后不能切断 4 西北大学硕士学位论文 电路，引起被控系统出现故障i n l 。 矫顽力的测量既可以在闭合磁路中进行也可以在开磁路中进行。在闭合磁路测量 矫顽力比较困难，它要克服由磁轭引起的误差等，但它测量的是矫顽力的“真”值b t t c ( 称磁感应矫顽力) 。在开磁路测量矫顽力比较简单并且广泛应用于大量的磁性试验 中但在这种情况下测量的是内禀矫顽力m h c 。不过对于矫顽力小的软磁材料而言， b h c 和m h c 之间的差别是可以忽略的【1 3 l 。 在开磁路状态下测量磁性材料样品及零件的矫顽力，在工业上已得到了广泛应 用。例如仪器仪表、继电器、电磁阀等中使用的软磁材料部件的矫顽力测试；轴承、 金属切削刀具的性能检查；热处理、焊接、研磨等工业过程质量控制；钢铁制品质量 检查以及工具、轴承的硬度控制等。国家标准g b 3 6 5 6 8 3 矛t j 国际电工委员会标准 i e c 4 0 4 7 都制定了在开路中测量磁性材料矫顽力的方法。1 9 8 3 年颁布的国家标准 g b 3 6 5 6 - 8 3 规定的是一种以冲击检流计作为零磁通指示器，采用抛移法测量标准样件 代替零件的检测方法。国际电工委员会标准i e c 4 0 4 7 ，是采用磁通门传感器或采用霍 尔效应传感器作零磁通指示器，以测量标准样件代替零件的检测方法【1 4 】。 1 2 2 矫顽力测量方法概述f 2 】 软磁材料的矫顽力测量通常规定为开磁路测量。测量方法主要有抛移线圈法、磁 通门磁强计法和振动线圈法等。这几种方法都是基于法拉第电磁感应原理的测量。抛 移线圈法是我国标准g b 3 6 5 6 8 3 中采用的方法，磁通门磁强计法是国际标准i e c 4 0 4 7 中采用的方法。振动线圈法是对抛移线圈的改进f 1 6 】。 l 、抛移法原理 电工用纯铁磁性能测量方法( g b 3 6 5 6 8 3 ) 中规定在螺线管中用抛移线圈冲击法测 量矫顽力胁。其原理如图1 - 3 示。 测量电路主要由磁化回路和测量回路两部分组成。磁化回路由电源e 、电流调节 器r 、直流电流表a 、电流换向开关k 2 和螺线管c j 构成；测量回路由测量线圈、检 流计、检流计短路开关、检流计串联电阻和线圈抛移装置构成。测量原理为：给磁化 回路加直流电，电生磁，螺线管将产生对试样进行磁化的磁化场；被磁化的试样产生 微弱磁场，测量线圈在试样产生的弱磁场中做切割磁力线运动产生感应电动势。测量 西北大学硕士学位论文 “ g 一冲壹撞灞计a - 一真邃电滴蠢r _ 一电流调节器e - - 直流电源 c 卜一爨婪簟一 r 一擒滇计丰联史阻 s 试样 舳一测量绌圈 p 丫_ 一撼移装置 k 卜一检流计短路开关k 2 一电源换向开关 。 图i - 3 抛移线圈法测量矫顽力的原理线路 过程为：首先通过磁化回路对试样进行饱和磁化，然后减小磁化电流到零；由于磁滞 后效应，磁场强度为零时，试样的磁化强度m 不为零，这时通过电流换向开关膨 改变磁化电流方向，对试样进行反向磁化，使试样的磁化强度降为零；测量磁化强度 降为零时刻磁化场的大小，根据公式h c = k * i c 即可求出试样的矫顽力。其中为螺 线管常数：七为检流计指零时的反向磁化电流。 用这种方法测量矫顽力时，检流计实际上作为指零仪使用。测量中，当次级回路 灵敏度较高时，准确调整到，c 值有困难。根据磁滞回线的不可逆性，如果所加电流 超过了，c ，再减小电流时，测量结果就要失真。为避免这一困难，通常利用磁滞回线 在h c 附近具有线睦关系的特点，按两点法进行测量。 2 、铁磁探针法( 磁通门磁强计法) 国际电工委员会标准i e c 4 0 4 7 中规定，在开磁路中测量磁性材料矫顽力的方法采 用磁通门传感器或采用霍尔效应传感器作零磁通指示器，以测量标准样件代替零件的 检测方法。用铁磁探针法测量试样的矫顽力原理如图1 4 _ i ! i f i ：示。 铁磁探针( 磁通门磁强计) 是用来测量弱磁场的仪器。图中有两个探头，分别放 在螺线管两侧，用来测量梯度磁场。这样外界均匀磁场的变化对测量就没有影响。仪 器只能检测出试样的磁场。铁磁探针式矫顽力计的优点是，测量装置中没有运动部分。 另外，测量速度也较快。 6 西北大学硕士学位论文 l ，2 - - 探头3 一螺线营d - - 试撵5 一指示仪表 图1 - 4 铁磁探针法测量试样的矫顽力 3 、振动线圈法 用振动线圈法测量试样的矫顽力原理如图t 5 所示。两个完全相同的测量线圈以 定的距离固定在骨架上，其轴线与螺线管轴线一致。线圈之间的距离决定于试样尺 寸：试样愈短，距离愈小。两线圈反向串联后接入测量仪表。未放入试样前，仪表应 当指零。若试样放在其中一个线圈内，振动时将产生感应电动势，测量仪表的示值与 试样的磁化强度对应。 2 1 螺绒管2 一测萋线圈3 _ 一试样4 线圈振动机柯5 - - 瓤t j 量仪表 图1 - 5 振动线圈法测量试样的矮顽力 这种方法的灵敏度高，可以测量十分之一克以上的小试样。在测量小试样时，可 以不用振动线圈，而采用振动试样的方法，这样操作起来更方便些。 1 3 本论文主要工作 本文首先论述矫顽力检测系统的工作原理、组成以及外围设备，包括传感器、磁 化装置等；然后对系统的模拟硬件部分进行相关电路设计和实现。具体设计的内容有： 1 、使传感器正常振动工作的低频气流源模块电路 2 、检测传感器输出的b 信号过零检测模块电路 7 西北丈学硕士学位论文 3 、使磁化装置能够进行磁化、退磁、反向磁化的磁化测量恒流源模块电路 4 、使系统各部分能够正常工作的直流稳压电源电路设计。 此外，还包括具有显示测量结果、保存、打印等功能的上位机应用程序的设计以及系 统的整体装配和综合调试等工作，最终实现一个可用于零件测量的软磁材料矫顽力自 动检测系统。 矫顽力自动检测硬件系统设计的关键环节： a 、如何准确实现b 信号的过零检测。b 信号的过零检测主要包括信号放大、滤 波、检波等。 b 、如何保证低频气流源的频率稳定性。低频气流源的频率稳定性关系到传感器 检测信号是否稳定，直接影响到测量结果的重复性。 西北大学硕士学位论文 第二章矫顽力自动检测系统综述 表征磁性材料磁滞特性的参量矫顽力h c 、剩余磁感应强度& 都是从极限磁滞回 线上确定的1 2 】。在极限磁滞回线上，对应于磁感应强度b ( 或磁化强度m ) 等于零时 的磁场强度，称为磁感应矫顽力a h c ( 或内禀矫顽力m h c ) 。工程上，通常在开磁路 中进行矫顽力的测量，在开磁路中的矫顽力测量属于内禀矫顽力测量。对于矫顽力小 的软磁材料而言，s h c 和m h c 之间的差别可以忽略1 2 j 。 为了实现材料矫顽力的测量，需要磁化装置对材料进行磁化、退磁、反向磁化等 操作。通过各种磁通探测器来判断磁感应强度口的过零时刻，如本系统中采用空气振 动传感器作为曰的过零探测器。在曰的过零时刻，通过单片机测量此时磁化场的磁 化电流( 或电压) ，经过公式计算即可得到材料的矫顽力值。对测量的结果可以直接 在仪器面板上显示，也可以通过编写上位机程序，直接在p c 机上显示，同时使系统 具有保存和打印测量结果等功能。本章首先从系统的功能及指标要求、传感器、需求 分析、系统构成及工作原理等几个方面进行论述。 2 1 系统功能及指标要求 软磁材料矫顽力自动检测系统主要是针对继电器铁心零部件( 主要为电工纯铁、 铁镍合金、低碳钢等) 软磁材料，实现其最重要磁性参数之矫顽力的自动测量 及测量结果的显示、保存、打印等功能。具体指标要求如下： l 、矫顽力测量范围：1 0 - - - 8 0 0 a m 2 、测量准确度：3 o 3 、测量速度：2 3 分钟，次 4 、被测零件尺寸范围：长度l = 1 0 2 0 0 m m直径o = 2 3 0 m m 5 、自动显示、打印( 包括仪器面板上显示，p c 机上显示、保存、打印功能) 2 2 空气振动传感器 空气振动传感器( 振动线圈传感器) 是矫顽力自动检测系统中占信号的感应部件。 它主要依靠振动气流使其内部的测量线圈在磁场中作切割磁力线运动，产生感应电动 9 西北大学硕士学位论文 势。由电磁感应原理知，感应电动势为零时，b 信号也一定过零。采用空气振动传感 器检测系统中的口信号过零时刻，可以提高系统的检测性能。 2 2 1 问题的提出 目前，软磁材料矫顽力自动检测的主要方法为：抛移线圈法( g b 3 6 5 6 8 3 ) 和磁 通门磁强计法( i e c 4 0 4 7 ) 都是针对试样的测试。磁通门磁强计法测量矫顽力的 特点是灵敏度高、测量速度快。它是目前国际上流行的方法。但将其用于继电器软磁 零部件的测量存在一些问题： 1 磁通门磁强计传感器是采用高导磁率软磁材料作为磁场敏感器件，原理是在 高导磁率软磁材料上加以5 k h z 的交流磁场，该传感器在交流磁场的作用下其二次谐 波的幅度与被测量磁场成正比。将此传感器放入螺线管靠近被测量零部件，在 2 4 0 0 0 a m 的磁场中磁化被测量零部件时传感器同时被磁化，影响传感器的工作状态。 因此在开磁路矫顽力测量时，将传感器放在螺线管外侧，如图1 - 4 所示。 2 将磁通门磁强计传感器放在螺线管外侧时，被测零部件的漏磁通与零件到传 感器的距离有关。由于被测零件的形状、尺寸不同，使零件到螺线管外侧传感器的漏 磁通的大小也不同，导致传感器对同一零件不同部位的接收灵敏度不同，无法满足继 电器零部件开磁路矫顽力的测量。 针对采用磁通门磁强计作为零磁通检测存在的问题，借助于原始的抛移线圈法， 让线圈在被测量零部件端头振动起来，由此引入基于空气振动传感器的测量软磁材料 矫顽力的课题研究。 2 2 2 振动线圈传感器3 1 抛移线圈法是使被测量件不动，手动抛移感应线圈，使其瞬间切割磁力线产生感 应电动势，采用冲击检流计或数字磁通表观测零磁通变化以实现矫顽力测量的方法。 振动线圈法是对抛移线圈法的改进，它使线圈在被测样件的端头自动振动。 振动线圈传感器主要由振动线圈、振动簧片、连接杆、活塞板等部件组成，如图 2 一l 所示。其中，振动线圈使用抗磁材料制作，以避免用磁通门磁强计测量矫顽力时 存在的传感器易被磁化问题。由法拉第电磁感应定律知，振动线圈在磁场中做切割磁 o 西北犬学硕士学位论文 力线运动时，会产生感应电动势吐 e ：b ，查s i n 口 d l 式中，口为磁感应强度，f 为线圈的总长，d x d t 为线圈和磁铁间相对运动速度，口为 线圈运动方向与磁场向量间夹角。由式( 2 - 1 ) 可知，在b 为零的时刻，感应电动势 e 也为零，使用振动线圈传感器的目的就是通过电路检测e 的过零时刻，也即b 的过 零时刻。曰过零时刻的准确测量是实现矫顽力测量的关键。 乎廿 口 产 ，d l23 7 ：鹦觜 4 ：疆藕薹棒 56 3 一连揍杆 6 一螺线苗 图2 - 1 振动线圈传感器结构图 采用低频气流源作为振动线圈自动振动的驱动源，使线圈在螺线管内做直线往复 运动。低频气流源产生一定功率的低频正弦振荡信号使扬声器纸盘振动产生低频气 流，然后通过非金属软管将低频气流输送到振动线圈，如图2 2 所示。设计时，低频 振荡信号的频率必须和振动线圈振动簧片的自振频率同步，才能产生共振现象以使 振动线圈有最大的振动位移量。 倒2 - 2 振动线幽振动原理 振动线圈传感器在振动气流的作用下做直线运动，在理想情况下振动线圈的轴向 和螺线管轴向保持一致，即其夹角为零( 参见图2 3 ) ，这样会使传感器信号输出幅度 比较大。但是在实际应用中因机械加工、装配、动线圈自重等原因很难保证夹角为零， 从而使振动线圈的轴向和螺线管轴向形成一定夹角，为实际测量应用带来不便。为解 决此问题，传感器采用双振动线圈串联反接差分输出形式，如图2 3 所示。 西北大学硕士学位论文 图2 - 3 双振动线圈串联反接 振动线圈传感器用于非均匀直流弱磁场测量及非均匀零磁通量的检测和软磁材 料表面剩磁的测量，具有测量灵敏度高、抗干扰性强、使用方便、可靠等特点。在开 磁路继电器软磁零件矫顽力测量中，检测零磁通的变化具有独特性。在均匀变化强磁 场中测量非均匀直流弱磁场强度是其它弱磁场测量仪无法相比的。 2 3 系统需求分析 针对实现软磁零件矫顽力自动检测的需求，根据选定的矫顽力测量方案基于 感应法原理，采用振动线圈法实现矫顽力的测量本检测系统的硬件设计工作主要 从以下几个方面进行考虑： ( 1 ) 对材料进行磁性能测量时，需要用到磁化装置。常用到的磁化装置有螺线 管、磁导计、电磁铁等。用螺线管作磁化装置时，属于开磁路测量。本系统采用长 o 5 米，磁场均匀区o 2 米的螺线管作为磁化装置。要使螺线管能对材料进行磁化、 退磁等操作，需要设计使螺线管能够工作的驱动电路。 ( 2 ) 系统中采用空气振动传感器来检测磁感应强度曰的过零时刻，以进行矫顽 力的测量。为使空气振动传感器能够振动起来，需要设计相应的低频气流源电路。为 了实现曰的过零检测，需要对传感器输出的微弱小信号( 微伏数量级，且动态范围很 宽：几肛几矿) 进行处理，因此需要设计实现占信号过零检测的电路。口过零检测 电路应包括信号的放大、滤波、检波等功能。准确实现四的过零检测是系统实现的关 键环节之一。在电路的设计与实现中应采用相应的措施以保证检测电路的性能。 ( 3 ) 为实现系统的磁化、测量等工作，需要单片机部分实现系统的采集、控制、 运算等操作。主要是通过开关信号k 1 、k 2 ，d a 输出来控制哪个螺线管可以工作， 何时改变磁化或测量螺线管的电流方向；在得到b 过零中断信号时，通过a d 采集 测量螺线管上施加的电压( 或电流) 信号，通过公式计算，求得矫顽力值；通过正反 西北大学硕士学位论文 两次测量取平均值来确定最后的矫顽力值。系统的模拟硬件部分必须与单片机数字控 制部分完美结合，才能实现矫顽力的测量功能。 ( 4 ) 测量结果显示。要求可以通过仪器面板直接显示，也可以在p c 机上控制测 量、显示测量结果，丽时还可以在上位机上方便的保存、打印测量报告。这就需要进 行上位机应用程序的开发。 ( 5 ) 设计系统工作所需的各种电源。包括使螺线管工作的磁化电源，模拟电路 工作电源数字电路工作电源等，主要有6 0 v 3 a ，1 2 v i a ，1 2 v a o 5 a 和5 v 1 a 这几种电源需求。 2 4 系统构成及工作原理 通过以上需求分析，欲研制的软磁材料矫顽力自动检测系统的功能框图如图 2 - 4 所示。本系统主要由模拟硬件平台部分、单片机控制部分、相应的外围装置 和上位p c 机构成。其中，模拟硬件平台部分包括磁化装置驱动电路、低频气流 源电路、口信号检测电路和相应的电源电路；单片机控制部分包括单片机及相应 的外围电路；单片机部分主要通过k 1 、k 2 、d a 、i r q 和a d 信号实现对系统硬 件部分的测量、控制功能，通过串口与上位机进行通信。系统中所需的外围装置 有螺线管磁化装置、传感器、扬声器、非金属软管等。 图2 - 4 软磁材料矫顽力自动检测系统原理框图 西北大学硕士学位论文 对试样的磁化、退磁和反向磁化等操作是通过螺线管磁化装置及其驱动电路进行 的。而何时进行磁化、退磁则是通过单片机发出控制指令来进行。根据电流的磁效应， 螺管线圈通过电流时螺线管内就会产生磁场。首先通过磁化装置对试样进行快速饱和 磁化，然后慢慢减小磁化电流，。由于磁滞效应的存在，使磁化电流，为零时，磁感 应强度口不为零，存在剩磁研。这时改变，方向，通过螺线管装置给试样加反向磁场， 使占继续减小至零。在b 减小为零的时刻，单片机通过a d 转换器采集测量螺线管 上的电压n 通过公式雎= k + 矿计算，求得试样的矫顽力。由于零件形状的不规则性， 通常进行正反两次测量取平均值作为材料最终的矫顽力值。 系统通过振动线圈传感器判断磁感应强度b 信号的过零时刻。试样在磁化装置中 被磁化产生微弱的磁场，振动线圈传感器在磁场中沿螺线管轴线方向自由振动，切割 磁力线产生感应电动势。当口为零时，传感器输出也为零。传感器输出信号经过b 信号检测电路，变为b 过零时刻的中断信号输出到单片机，由此确定单片机何时进行 矫顽力电压信号的采集。传感器是在低频气流源电路的支持f 工作的。 4 西北大学硕士学位论文 第三章矫顽力自动检测系统硬件设计 矫顽力自动检测系统硬件电路设计按照电子产品电路的设计方法和原则，完成了 b 信号检测模块、低频气流源模块、磁化测量恒流源模块和电源模块的电路设计。 3 1 硬件电路设计概述 3 1 1 电子电路设计方法1 7 1 电子电路设计在电子工程应用领域里占有很重要的地位。电子电路设计主要包 括：满足性能指标要求的总体方案的选择、各部分原理电路的设计、参数计算、电路 的实验与调试以及参数的修改、调整等环节，设计流程如图3 一l 所示。由于电路的种 类很多，器件选择的灵活性很大，因此设计流程也会因实际情况不同有所差别。有些 步骤需要交叉进行，甚至多次反复，需根据具体情况，灵活掌握。 若 设 柰 元 参 望诺 电 莞 嚣 数 验鹭 一蛊 _ 建 算 葬 择 计 计 任 务- - - 9 与 要 隶 豳3 1 电子电路设计流程 图3 一l 中的总体设计是针对所提出的任务、要求和条件，用具有一定功能的若干 单元电路构成一个整体，实现系统的各项性能。通常符合要求的总体设计方案不止一 个，需要比较、选择，择优选用。 总体方案确定以后，便可进行单元电路的选择与设计。单元电路的选择与设计主 要包括电路结构形式的选择与设计，元器件的选择和电路参数计算等环节。单元电路 的具体设计过程参考本章第三节。 完成单元电路的设计、参数计算、器件选择之后，还要仔细全面的检查，以确定 出总体电路图。总体电路图是进行装配、调试的依据。电路的设计工作完成之后，便 可进入电路的装配调试阶段。 西北大学硕士学位论文 3 1 2 矫顽力自动检测系统硬件设计 为了实现软磁材料的矫顽力测量，需要进行矫顽力自动检测系统的硬件设计。硬 件电路的设计工作遵循电子电路设计的方法和原则。硬件部分主要是为系统中的螺线 管装置提供驱动电流，为振动线圈传感器提供低频振荡信号，对传感器输出的信号进 行放大、滤波、检波等处理，同时提供系统各部分工作所需要的工作电源。因此，矫 顽力自动检测系统硬件设计主要包括：磁化n 量恒流源模块、低频气流源振荡模块、 传感器b 信号检测模块和电源模块四大部分，如图2 - 4 所示。 3 2 传感器b 信号检测模块 传感器b 信号检测模块的功能是对传感器输出的信号进行放大、滤波、检波等处 理，以检测b 的过零时刻。在b 的过零时刻，输出给单片机一个中断信号，作为单 片机a d 采集的中断请求信号。 b 检测模块中要检测的是传感器输出的微弱交流小信号，输出的是中断用高低电 平信号。对于微弱的交流小信号，检测处理时首先应该将小信号进行交流放大；微伏 级的小信号很容易受到各种干扰，所以检测处理中采用滤波电路以提高抗干扰能力： 要求输出为高低电平信号，采用检波电路可以实现交流转换为直流的功能。滤波后， 信号幅度会有所衰减，加一级比例放大电路改变信号的幅度以适应检波电路的输入要 求；对于检波后输出的直流信号，用直流( d c ) 差分放大器进一步放大，将其一路 送数字表头用作信号的模拟显示，另一路送入过零电压比较器，输出接近电源电压 ( 4 - 1 2 v ) 的中断信号，给单片机作为中断信号使用。由此可知，b 信号检测模块主 要由交流放大器、检波器、比例放大、枪波器、直流放大、比较器这几部分组成，如 图3 - 2 所示。 传感器 蟹 薹 比 检 裂 波 一 放 _ 骧 路 笙分输入 大 嚣 嚣 图3 - 2b 过零检测模块框图 1 6 西北大学硕士学位论文 3 2 1 仪用放大器【”1 f 1 8 1 【1 9 】 1 、设计要求及方案选择 前级放大器的作用是将传感器输出的交流差分小信号进行放大。主要功能要求 为：电路的电压增益1 0 0 0 - 4 0 0 0 倍，要有高的输入阻抗和高的共模抑制比。 设计电路时，可以由差分放大电路或仪用放大器电路实现信号的差分放大功能。 差分放大电路除具有放大能力之外，还可以减小零点漂移，抑制共模信号。但其输入 阻抗很有限，而且对电阻的选配精度和稳定性提出了很高的要求。 仪用放大器电路主要有由三只运放组成的仪用放大器和单片集成仪用放大器两 种形式。三运放仪用放大器通过采用同相输入和两级增益分配的方法解决了差分放大 电路输入电阻不够高和电阻的精密匹配问题。由于传感器输出的有用信号是微弱的交 流小信号，对输入电阻和电路的共模抑制比要求比较高。因此，本次设计采用了由三 只运放组成的仪用放大器结构形式。 2 、三运放仪用放大器电路设计 ( 1 ) 电路结构及工作原理 三运放仪用放大器电路如图3 3 所示。它由两级放大器组成，第一级是将运放a 1 ， a 2 和电阻r 1 、r 2 、r w 组成的同相输入电路并联( 具有非常高的输入阻抗) ，再与运 放a 3 和电阻r 3 、r 4 、r 5 、r 6 组成第二级差分放大电路串联( 具有较高的共模抑制 能力，同时将双端输入变为单端输出，以适应后级电路的要求) 。仪用放大器的这种 电路结构，使其具有很高的共模抑制比，在b 信号检测模块中用作微弱信号的前置 放大器使用。 r w 图3 - 3 仪用放大器 西北大学硕士学位论文 根据虚短、虚断的概念，不难分析a i 、a 2 前置放大电路仅对差模信号有放大作 用，差模放大倍数为( + 2 r , ) 如。样的电路有以下几个优点：1 、a l 、a 2 提高了 差模信号与共模信号之比，即提高了信噪比；2 、决定增益的电阻( r 1 、r 2 、r w ) 对共模抑制比没有影响，因此电阻的容差不是很莺要。电路的另一个特点是对共模输 入信号没有放大作用，共模电压增益接近于零。这个因素不仅与实际的共模输入有关， 而且也与a l 和a 2 的失配电压和漂移有关。此电路中，若运放a 1 和a 2 的差模增益 尽可能高，则运放a 3 的漂移和共模误差就可以忽略，从而降低放大器的要求。当令 r 3 = r 4 ，r 5 = r 6 时，两级的总增益为两个差模增益的乘积，即： 山= c 等等 加舢 ( 2 ) 参数计算及元件选择 在选定电路设计方案后，接下来的工作就是根据具体的指标要求，计算元件参数 和进行元器件的选择。 a 、确定电阻 在确定各电阻元件值之前，必须先确定前后两级的增益分配。假如要求仪用放大 器电路的总增益为4 0 0 0 ，假定增益的分配为第一级4 0 0 倍，第二级1 0 倍，那么由总 增益公式( 3 1 ) 可得： 譬掣= 4 0 0 式( 3 2 ) r 酽 i r 5 ：1 0 式( 3 3 ) 3 选取；l k f l ，由式( 3 一1 ) 可知：r 1 = 1 9 9 5 k f 2 ( 取2 0 0 k q ) ；选取r 3 = 1 0 k f 2 ， 由式( 3 - 2 ) 可知：r 5 = 1 0 0 k q 。所以电阻的选取情况为凡= 1 k q ，r l = r 2 = 2 0 0 k f f 2 ， r 3 = i = 1 0 k q ，r 5 = r 6 = 1 0 0 k q 。 b 、选择集成运算放大器和电阻元件 在选择运放时，应尽可能使a l 、a 2 特性一致，以提高第一级的共模抑制能力， 从而降低对第二级电路中电阻的精度匹配要求。实际选用的为高精度、低漂移运放 o p 0 7 。选用电阻时，应该使用低温度系数的电阻以获得尽可能低的漂移：对电阻r 3 、 西北大学硕士学位论文 r 4 、r 5 、r 6 的选择应尽可能匹配。实际选用o 5 的金属膜电阻。 3 2 2 带通滤波器【1 8 】【伸1 1 2 0 1 1 、带通滤波器功能要求及方案选择 选用带通滤波器的主要目的是突出有用频段的信号，削弱其余频段的干扰和噪 声。在b 信号检测模块中，采用二阶带通滤波器，使传感器过来的2 5 h z 左右的有用 信号通过，同时抑制其余频段的噪声干扰。二阶带通滤波器的性能主要取决于品质因 数q 和中心角频率。b 信号检测模块中带通滤波器的具体要求为：中心频率f o = 2 5 h z 左右，要求中心频率可调，同时对品质因数q 要求较高( q = 5 0 ) 。 常用的二阶带通滤波器有两种形式：压控电压源型和无限增益多路反馈型。其工 作原理如图3 - 4 ( a ) 和图3 - 4 ( b ) 所示，压控电压源滤波电路，是把滤波网络接在集 成运放的同相输入端。优点是所用元器件较少，性能调节比较方便，输出电阻小等； 缺点是电路参数不合适时将产生自激振荡。无限增益多路反馈式滤波电路，是把无源 r c 网络接在集成运放的反向输入端。该滤波器具有很强的负反馈作用，通常不会因 通带电压放大倍数( 指绝对值) 过大而产生自激振荡，所以稳定性较好。但此电路的 q 值不能选得过高( 一般q 1 0 ，最大不得超过2 0 ) ，否则r 2 过低会对输入信号严重 衰减。基于稳定性考虑，本次设计在无限增益多路反馈式滤波电路的基础，进行高q 值二阶带通滤波器设计。 r l 心 图3 - 4 ( a ) 二阶压控电压源带通滤波器图3 - 4 ( b ) 无限增益多路反馈型二阶b p f 2 、高q 值二阶带通滤波器设计 高q 值二阶带通滤波器原理电路如图3 5 所示。它是在二阶无限增益多路反馈式 滤波电路的基础，增加了一级反相放大器a 2 ，经过r 3 引入了适当的正反馈。由资 西北大学硕士学位论文 料可知，该电路的参数与元件之间的关系为： 巧