毕业论文--永磁材料静态磁特性测试仪的软件设计.doc

HUNAN UNIVERSITY毕业设计(论文)设计论文题目：永磁材料静态磁特性测试仪的软件设计学生姓名：学生学号：专业班级：电子信息工程2班学院名称：电气与信息工程学院指导老师：学院院长：2015年5月 日 湖南大学毕业设计(论文) 第 页 湖南大学毕业设计(论文) 第 页摘 要磁性材料是用途广泛的基础功能材料，根据其性能的不同被普遍的应用在不同的生产领域。当今社会发展和信息技术的发展基础是磁性材料，所以对磁性材料测试系统的研究越来越重要了，尤其是磁性参数数据的处理，采集，系统的控制方面，为了实现精度高，高效，稳定性好的数据测量，本文设计了一款磁性参数测试系统，通过测试系统描绘出磁带回线，精确的计算磁性参数。首先，介绍了磁性材料概念和分类以及磁特性参数测量方法，给定的磁性材料参数测试系统带来的作用和价值，分析了我国现有的永磁测试系统的缺陷，提出了本系统的解决方案，并做具体的论述，详细介绍了永磁材料磁特性的测试原理。其次，阐述了永磁材料磁性参数系统下位机软件基本框架，详细分析了各部分的软件设计和开发，实现了系统的调零，校准，磁锻炼完成了磁性参数的计算结果和算法处理。最后，完成了测试系统下位机的样品和通信的试验测试，然后对永磁材料不同款的三个样品进行试验测试，根据测试结果可以引出相应的磁性参数数据和磁滞回线，根据样品标准参考值的对比和磁性参数的结果，验证了系统可靠性和准确性，还有对系统可能引入的误差进行分析。关键词：永磁，剩磁，静态磁特性，辛普森积分Software design of static magnetic properties tester for permanent magnet materialAbstractMagnetic materials is the use of a broad-based functional materials, it is widely used in different production areas depending on their performance. Today the development of basic social development, and information technology is magnetic, so the study of magnetic materials testing system is becoming increasingly important, especially magnetic parameter control data processing, collection system, in order to achieve high precision, high efficiency, stable good data measurement, this paper designed a magnetic parameters of the test system, the test system depicted by the tape loop, accurate calculation of the magnetic parameters.Firstly, the concept and classification of magnetic material and method for measuring the magnetic properties of a given magnetic parameters of the test system brings the role and value analysis of the deficiencies of the existing permanent test systems, proposed solutions of the system program, and to make a specific discussion, detailing the testing principle of permanent magnet material magnetic properties. Secondly, elaborated permanent magnet material magnetic parameters of the system software, the basic framework of the next crew, a detailed analysis of the various parts of the software design and development, implementation of the zero of the system, calibration, magnetic exercise complete results and algorithm processing magnetic parameters.Finally, to complete the test and communication test sample a test system bit machine, and then the three different models of permanent magnet material samples tested test, according to test results can lead to the corresponding parameter data and magnetic hysteresis loop, according to the sample standard The results of the comparison reference value and magnetic parameters, verify the system reliability and accuracy, as well as the possible introduction of the system error analysis.Key Words: Permanent magnet, Remanence, Static magnetic property, Simpson digital integral 湖南大学毕业设计(论文) 第 I 页 湖南大学毕业设计(论文) 第 39 页1 绪论1.1 课题背景与研究意义早在远古时代人类就开始接触磁性材料，早在公元前三世纪，人类认识磁性是从铁磁性开始的，我们的祖先就已经发现天然石可以吸磁铁，随后又成功的利用磁体的指向性能制成罗盘，用在长途旅行和航海事业，这可称上是世界第一个磁测仪器。还有我国的四大发明之一指南针，也是利用磁体的指极性而制成的，对世界文明做出了重大的贡献。永磁材料是指具有可利用磁学性质的一种功能材料。根据其性能的不同被普遍的应用在不同的生产领域。小到儿童玩具，文件夹，大到大到广泛的应用在电力，电子，通讯，汽车，航空航天，人造卫星，宇宙飞船，磁悬浮列车等行业，已成为现代工业的一块基石。使用磁性材料制成的磁性元件主要有传递，转换，存储能源，处理信息，节约资源等功能。目前，磁性材料行业在过去十年得到了快速发展，已经成为公认的磁性力量，产量方面，中国已经位居世界第一。但是在测试系统的精度，相比日本，美国和其他工业化国家的磁性测试系统产品方面还存在一定差距。物美价廉的产品占据了较大的国际市场，但在高档产品上还缺乏竞争力。磁性材料按其应用类型一般可分为永磁材料和软磁材料及特殊磁功能材料。1.2 磁性材料分类磁性材料是具有磁特性的材料，根据功能不同磁性材料分为：永磁材料，软磁材料，磁记录-矩磁材料，旋磁材料和压磁材料等五大类。其中用量最大和用途最广的是永磁材料和软磁材料。(1)永磁材料永磁材料被发现最早，应用程序是第一的强磁性材料，以及当今社会种类多和应用广泛的磁性材料。这类材料经过外加磁场作用下表现出铁磁特性，磁化后再去掉外磁场后能长时间的保持较高的剩余磁性，并能承受不太强的外加磁场和其他环境因素的影响和干扰，也称为硬磁材料。永磁材料具有较高的矫顽力，并能够长期保持剩磁，产生磁场是永磁材料的用途之一。常见的永磁材料有以下特点：高的剩余磁感应强度,内禀矫顽力和高的矫顽力，高的剩余磁通密度，剩余磁化强度，最大磁能积，稳定性，即与外部磁场和温度，冲击和其他环境因素可以变化的稳定性；经常被开发使用的永磁材料有：金属永磁材料，稀土永磁材料和铁氧体永磁材料。铁铬钴(FeCrCo)和金属永磁材料铝镍钴(AlNiCo)比较常用，钕铁硼(NdFeB)是代表性的稀土永磁材料之一，同时，稀土铁氮(REFeN)和新的纳米双相材料有新的发展和应用。 (2) 软磁材料软磁材料指的是磁导率高，矫顽力小，当外加磁场较弱时，磁化强度即可达到大值，去掉外加磁场时，该材料能保持的剩余磁化强度很小，容易磁化。软磁材料的主要特征是易磁化和易饱和，其磁带回线的形状较窄。其磁特性参数磁导率 高，这表示软磁材料的灵敏度高，矫顽力较小且磁带损耗较低。软磁材料的“软”主要是指这些材料容易被磁化，在磁性上表现“软”的特性。由于磁性材料容易被磁化和易退磁，并且具有高的导磁率，可以起到很好的聚焦磁力线的作用，降低了磁化功率和磁滞损耗；高的饱和磁通密度；低的磁损耗；高的稳定性，这要求上述各项对于环境因素和温度和振动等的稳定性高。所以软磁材料作为导磁材料被广泛应用在电力行业和电子行业等关系国民经济发展的行业，其发展及其应用带动了许多相关领域的发展。例如在电机，变压器，继电器，磁轭，录音磁头等。对于软磁材料一般希望材料的矫顽力和损耗要低，磁导率要高。1.3 磁特性参数测量方法磁性材料的种类及因外加磁场不同其磁性测量方法有所不同，磁性材料的磁特性具有静态磁特性和动态磁特性，静态磁特性指的是磁性材料在恒定的直流磁场中所变现出来的特性，所以又称为直流磁特性，永磁材料的磁性参数一般是指静态特性，而动态磁特性是磁性材料在交变磁化场下测得的磁特性。因为磁滞现象存在，以使磁性材料的动态特性跟静态磁特性非常不同。因此，当静态特性使用准静电材料测量，变化的磁场速度是影响测量的重要因素。静态特性磁性参数测试方法主要有：(1) 电磁感应法：电磁感应方法是基于法拉第电磁感应定律的基础上，使用模拟或数字积分器实现对感应线圈的磁通变化感应出电动势对时间的积分。这是一个基本的和经典的方法。这种测试方法，适用的样品测试也最普遍的。(2) 核磁共振发：利用样品在磁场中受迫振动时从而线圈的感应电动势计算样品的磁特性。(3) 磁导计法：磁导方法主要是通过磁导仪所产生的强磁场，实现了在磁场中的样品的静态磁性参数的测量。(4) 冲击检流计法：冲击检流计的核心是实现样品的测试圈，包括基本磁化曲线，测试渗透率曲线和磁滞回线。电流计方法是基于电磁感应定律建立的，用于测量样品内用线圈来测量磁通量变化。动态磁参数的测量方法有：伏安法示波器法，电桥法等。1.4 国内外研究方向和发展现状物质磁性的研究近代物理学的重要领域之一。从微观粒子到宏观物体，以至宇宙天体，都是某种程度的磁性。因此，磁性材料无论是在科学研究，还是在日常生活都是不可缺少的，其在科技，电子信息等技术中也扮演着张要的角色。 磁性产品应用领域的扩大，促进了磁性参数测试系统的发展。为了满足现代社会信息化，自动化，数字化方向发展，磁性材料已成为促进社会发展和高新技术产业的关键材料，磁性材料静态测试的研制显得尤为重要。国外的磁性参数测量技术起步比较早，系统测量频率范围大，可靠性好，测试精度高，技术发展以及对此设备的研究已经成熟，主要生产此种设备的厂家有，美国的LDJ公司，德国的科隆磁物理公司，日本的岩崎通讯株式会社等，国外这些公司在磁性测量系统研制方面一直处于首位。这些公司产品质量良好，性能及测试稳定性好，测量频率带宽，测试精度高。其中，日本的岩崎Sy823由于其优良的性能，已成为磁性材料测量的标准仪器。我们知道，外国磁测量系统已经能够检测磁性材料的三维特征，但尚未在市场上。然而，国外的这些设备高，维修服务不方便等问题的存在，只有大型机构才能有能力买得起这些设备，所以，国外这些设备也垄断了磁性参数测试系统的高端市场。 目前国内外的磁测仪器普遍存在体积大，价格高，操作复杂等问题，虽然我国早是磁性材料生产大国，为了满足国内磁性材料行业的发展要求，国内在20世纪后期段，就开始研究这种类型的设备，并上世纪90年代就已经投入实际生产，虽然我国在这方面进行研究比较晚，生产技术和理论有些落后，但近几年来从国外引入先进的设备使我国磁性测量设备得到了很大的发展。总之，国内磁性参数测试系统的研究数字化，集成化，智能化等方面的研究还不足，磁性测量技术的研究仍然在快速发展和提高的阶段，智能化和数字化以及集成化磁性参数测试进行研究，对测量系统的电路进行改进，运用精度高，可靠性高的新器件，同时提高国内磁性测量产品的测量精度和设备的可靠性，也势在必行。1.5 本文的主要工作与内容架构安排本文重点研究了永磁材料磁性参数测试系统的测试原理和测量方法，设计了系统软件并进行了实验测试。系统的硬件部分属于另一课题内容，本文不作详述。永磁材料磁特性测试系统主要工作的主要过程如下：下位机发出的命令，处理器控制磁化电源产生准静态电流；磁化装置为永磁材料提供磁化场，使样品均匀磁化；线圈采集磁场强度和磁感应强度电压信号，经处理后传送给处理器进行数据处理；处理器通过数据总线将处理结果传给下位机，实现数据储存，实时显示，分析。本文一共分为4章，各章主要内容安排如下：第1章：介绍了磁性材料概念和分类以及磁特性参数测量方法，给定的磁性材料参数测试系统带来的作用和价值。分析测试系统的国内外研究方向和研究现状，目前国内磁特性参数，并了解了先进装备发展状况及趋势。分析了我国现有的永磁测试系统的缺陷，提出了本系统的解决方案，并做具体的论述。第2章：详细介绍了永磁材料磁特性的测试原理。包括磁化曲线和磁滞回线的测试原理、磁场强度的测试原理、数字积分原理和算法、以及磁通量标定原理和测试分析等。第3章：本章介绍了永磁材料磁性参数系统下位机软件设计和实现并开发，测试前的系统初始化和相关判断，充退磁控制子程序，数据采样和子程序，磁性参数计算子程序，增益可调子程序，数据发送子程序，通信子程序，数据处理和数字积分子程序。实现了系统的调零、校准、磁锻炼以及样品增益的调整，完成了磁性参数的计算等。第4章：首先简单介绍了测试系统的下位机，然后永磁材料不同款的三个样品进行试验测试，根据测试结果可以引出相应的磁性参数数据和磁滞回线，根据样品标准参考值的对比和磁性参数的结果，验证了系统可靠性和准确性。最后还有对系统可能引入的误差进行分析，从而为后续的研究提供相应的精确数据和分析依据。2 永磁材料磁性参数的测试原理 2.1磁化曲线和磁滞回线的测试原理如果磁性材料在磁中性状态时，则它本身磁场强和宏观磁感应为零。受外加磁场作用的磁性材料，将会发生畴壁位移或磁畴转动，由于磁畴结构产生变化而形成新的磁畴结构，以至于材料从磁中性状态转换为磁化状态，这个转变过程称为磁化过程。在这里磁感应强度随外部磁场强度变化的曲线称磁化曲线，该函数可以写成形式。永磁材料的静态磁化特性，可以使用磁滞回线和磁化曲线来实现，磁感应强度是随磁场强度的变化而改变的“”曲线，其中“”磁化曲线一共可以分为五个区域，每个区域如图2.1磁化曲线图中所示。图2.1 磁化曲线(1) 起始磁化区域随着外加磁场强度越小，永磁样品磁感应强度增长也越慢，因此磁化曲线基本上是一条直线，磁化的特征在于可逆磁化过程。在这个初始磁化区域内与的大致关系为 (2.1)上式中和分别是初始磁化率和空气磁导率。 (2) 瑞利区域区域外的磁场仍然是弱磁场，在这部分磁感应强随着磁场强度迅速增加，根据多次的实验结果，经验公式(2.2)，其中b称为瑞利常数。 (2.2)(3) 陡峻区域在中级范围的磁场中，磁场变化很小时，磁感应强度明显增加，就有了不可逆磁的磁化过程，因此出现了巴克豪生跳跃，表现出来的是最大磁导率区域。 (4) 趋近饱和磁化区域磁场经过以上的中等范围，磁场继续增加，变化的磁化曲线相对平坦，到最后磁感应度逐渐趋于饱和磁化 (5) 顺磁磁化区域磁场强度增大到很强的值，磁化曲线就会出现顺磁化部分。由温度和热扰动造成的扰动被强磁场加以消除，并进一步增加绝对饱和磁化，但得到磁感应强度增加很小，因此磁化曲线趋于水平。顺磁磁化在实际工程技术上是很难得到的，所以这一磁化过程是一般不考虑的。图2.2 磁滞回线图 使永磁材料周期性地反复磁化，就可得到磁滞回线图，2.2磁带回线所示图。首先，如果磁场强度从0到，再变化到，最后回到时，永磁材料中磁化方向是箭头所示的方向。如果材料磁中性状态时，外磁场慢慢增加，不断增强到，磁性材料达到饱和磁化，此时的磁感应强度就是饱和磁感应强度，也就是a阶段。其次，外磁场缓慢从减小到零，即b阶段，这时样品的磁感应强度为零，停留在处，此时称此为剩余磁感应强度。然后，外磁场开始反向，并逐渐增大，使磁感应强度逐渐变到零，即c阶段，此时内禀矫顽力相当于外磁场强度。最后，假如反向磁场一直增大，达到反向饱和，磁场再回到零，即图中d阶段，此时的磁化强度是反方向的剩磁状态()，再由矫顽力正向点加到饱和，即e阶段完成。这样反复磁化，磁感应强度和外加磁场强度的关系就是一个闭合的回线，这个闭合回线就是磁滞回线。对于永磁铝镍钴和铁氧体的内禀矫顽力小于600kA/m永磁材料，永磁体的磁滞回线的检测来确定静态磁特性参数；将钕铁硼等内禀矫顽力不小于600kA/m永磁材料，对其饱和磁化的实现对一般的磁化装置来说很难，所以先对这类永磁体进行磁化和脉冲饱，然后对其退磁曲线进行测量，用来确定永磁体相对的磁特性参数。常用永磁材料的静态磁特性参数包括有：磁感矫顽力，最大磁能积，剩磁，内禀矫顽力。2.2 磁场强度的测试原理磁性材料静态磁特性参数是通过测量材料的退磁曲线确定的，退磁曲线是通过检测不同磁化场下对应的磁感应强度值所形成的曲线。近几年来，随着磁调制，电磁感应，超导效应和电磁效应等物理现象,物理原理的发现和有效使用，磁场测量技术得到了巨大的发展。现在成熟的磁场测量方法有:电磁感应法，磁光效应法，磁力法，磁饱和法，超导效应法，磁共振法和电磁效应法等。根据这些方法，可以实现很多种不同原理的磁场测量仪器。 目前，永磁材料磁场测量使用两种方法,一个是霍尔效应法测量磁场，霍尔效应是在测量材料的小于或等于600kA/m时使用；另一个是H线圈电磁感应法测量磁场，电磁感应法是在测量材料的高于此值时使用，下面主要对测量方法原理和优点及不足进行了介绍。2.2.1 霍尔效应法霍尔效应指的是在磁场中放一块金属或半导体，当磁场垂直于半导体或金属中流过的恒定电流，在恒定电流和垂直于磁场的方向会产生电动势，这个现象为霍尔效应。早在1879年，霍尔最早在金属材料中发现霍尔效应，但由于金属材料非常弱的霍尔效应尚未得到使用。随着半导体技术的发展，人们发现某些半导体材料的霍尔效应大的，因此霍尔效应被广泛应用于磁场测量、非接触测量领域。霍尔效应在应用技术中十分重要。霍尔效应经常被用来磁性材料表面磁场，检测空间磁场，交变磁场和间隙磁场等恒定磁场。如果通过霍尔片电流为 其方向与磁场相互垂直，垂直于霍尔片相的磁感应强度为，则在与二者垂直方向感应出的电动势为霍尔电动势，可用表示。这三个之间的关系可以表示为如下： (2.3)上式中： 为霍尔系数；为霍尔片的厚度。公式(2.3)可知，如果霍尔片不变则， 为一定值，与垂直于磁场的电流源为恒定，可以知道霍尔片与霍尔电压所处的磁场大小存在线性关系，据此可以测量出磁场的大小。如果采用霍尔元件置于空气中时，采用公式（2.4）可以测量出磁场强度。测量时为了提高灵敏度，一般选择霍尔系数较大，厚度较小的霍尔片，作为霍尔探头。 (2.4)霍尔系数会随着温度和磁场的变化而变化，因此这些会引起非线性关系。当所加磁场为零时霍尔电动势不为零，这是由于产生了不等为霍尔电动势，引入了测量误差 。所以，在使用霍尔效应对磁场进行测量时，需要有辅助补偿电路修正这些影响因素，在一定的范围内会使得霍尔系数稳定，从而扩大线性范围和提高测量精度。在中小强度磁场中，这些因素对霍尔系数影响不大，实现相应的误差补偿电路和线性修正电路简单，因此霍尔效应法常被应用在测量中小强度磁场的场合下。然而，在高磁场下霍尔系数变化较大，对复杂的线性修正电路进行修正非常困难且难以实现，因此通常在高磁场下不用霍尔效应测量。由于在在高场下非线性难以修正而中低场下霍尔线性度好，现在很多永磁测量系统在高场下采用H线圈加磁通计测量磁场，中低场时采用霍尔效应法测量磁场。2.2.2 电磁感应法电磁感应法来确定连续变化的磁场在某一时刻的磁场强度值。电磁感应法测量的基础以法拉第电磁感应定律，通过线圈切割磁力线产生感应电压，而感应电压的大小与线圈匝数，穿过线圈的磁通变化率或者线圈切割磁力线的速度线性关系。这种测量方法依据探测线圈运动方式相对于被测磁感应强度的变化关系，其可分为固定线圈法，旋转线圈法，振动线圈法和抛移线圈法，在本测试系统中采用的是固定线圈法。把一线圈匝数为，横截面积为的探测线圈放在一被测匀强磁场中，磁场的方向与线圈的轴线平行。当磁场的大小改变时，线圈中的磁通量就会发生变化，于是线圈两端产生电动势，由电磁感应定律可知下式成立： (2.5)对上式两端时间积分可以得到： (2.6)磁场的变化量与所测得的磁场的大小有关，因此，只要测出感应电动势对时间的积分，可以发现磁场的大小。如果线圈所处的磁场初始状态为零，磁场缓慢变化时，则有下式成立： (2.7)不同时刻的磁场强度通过(2.7)式测量出来。所测出的是探测线圈内平均磁场，确保测量的准确性，把线圈放在均匀的磁场中。电磁感应法适合用于测量各种均匀变化的磁场，不受磁场，等环境因素的影响，并且灵敏度和线性度比霍尔效应法高，适用于测量各种变化磁场，而霍尔探测器需要外加辅助电路来补偿环境因素变化导致的非线性问题，而线圈法测量磁场就不需要。但是，使用H线圈法测量变化较慢的磁场，在低场时，线圈的电动势很小，所以在信号处理电路中需要加精度高的放大电路。综上所述，本系统为了使用广泛，不管在低磁场还是在高磁场都采用电磁感应法，所以在低磁场检测时硬件部分加入可控放大电路，根据所得的信号来选择放大倍数，适应磁场的变化。2.3 数字积分原理和算法假如提高模拟积分器的信号测量精度，要通过选用电容和高精度的积分电阻以及低零漂的放大器，但是器件的成本高了，并且这些是器件本身所固有的因素，由他们引起的测量误差无法从根本上解决。就算外加补偿电路来减少积分误差，但不能消除这些误差，所以需要研究其他积分方法来解决，数字积分器能够解决由积分器引起的积分误差，能够提高积分精度，这一过程中不会把硬件电路变得复杂化，所以本设计中选用了数字积分器。数字积分器是通过转换芯片来实现模拟量的积分，通过AD采样把变化的模拟量转换为数字量，并把转换来的数字量送到微处理器或者单片机根据一定数值算法进行数字积分运算。解决了模拟器件的时间和温度稳定性问题，数字积分器相位特性灵活，具有稳定的积分性能。由积分算法来决定数字积分器的相位，结构灵活，调节方便。其通常不受环境因素影响，稳定性好，且具有相对高的积分精度，应用范围广泛。2.3.1 数字积分原理分析数学领域里积分计算是个古老的问题，在数值分析中已被广泛应用。但不能像在分析数学中那样在计算机上，用原函数满足的函数就是函数的原函数计算积分。引起这样是因为在实际问题中，往往是用列表数据或曲线给出函数关系的。就算函数的表达式知道了，求原函数并不是简单问题。不是所有函数都可以轻易用初等函数表示出来，比如，等函数。在计算机中，利用函数的若干个离散值，用代数运算近似计算积分值，这种近似计算法被称为数值积分法。 (2.8)公式(2.8)为数值求积公式的一般形式，式中，为求积系数，不依赖被积函数。同时公式(2.8)可以简化为： (2.9)上式(2.9)是矩形积分式。如果公式(2.9)对于为任何不高于的多项式而言都精确成立，但是应用到为某个次多项式时不能精确成立，那么就是说它具有次代数精度。图2.3 数字积分函数图数字积分函数图如图2.3所示，设函数的给定区间为，计算积分的近似方法需要被简历起来。利用简单又便于积分的函数逼近是数值积分的基本要求，并以此来计算积分。当轴上的各个结点等距，且有。分割步长，公式(2.8) 又称为Newton-Cotes求积公式。当n=1时，Newton-Cotes求积公式为： (2.10)公式(2.10)称为梯形积分公式，其具有二次精度。当n=2时，Newton-Cotes求积公式为公式(2.11)，也被称为辛普森积分公式： (2.11)2.3.2 数字积分算法的选择使用传输功能。这部分比较方法选择来讨论相应的数值积分算法。本节数字积分算法是通过传递函数比较的方法选择的。数字积分器矩形积分公式是利用无限冲激响应(IIR)法得出的，辛普森积分公式和梯形积分公式的传递函数，分别为： (2.12) (2.13) (2.14)在公式(2.12)-(2.14)中，为采样时间间隔。理想积分器的传递函数为： (2.15)假如把模拟信号的数字域角频率记为和角频率记为，其它们之间线性关系的表达式为式(2.16)所示，其中为模拟信号频率，称为取样频率，称为归一化频率，其单位为弧度。 (2.16)利用公式(2.16)，以及的关系可以得到以下一组公式： (2.17) (2.18) (2.19) (2.20)因此公式(2.17)-(2.20)对应的幅度或者模可以表示为公式(2.21)-(2.24)： (2.21) (2.22) (2.23) (2.24)公式(2.21)-(2.24)中均含有，为便于比较，令=1，经过仿真可以得到如图2.4，图2.5和图2.6所示的幅度响应特性图。图2.4 理想积分和矩形积分的幅度特性图 2.5理想积分和梯形积分的幅度特性是幅度响应特性图横轴，是以为单位频率，纵轴是幅度值。同时也有公式(2.17)-(2.20)对应的相位表达式可以表示为公式(2.25)-(2.28)： (2.25) (2.26) (2.27) (2.28)图2.7理想积分，辛普森积分，矩形积分和梯形积分的相位响应特性图采样点数在单位周期内时考虑，相位响应和幅度响应特性，结合精度要求，本节使用了辛普森积分公式。为了积分器的稳定性和收敛性的保证，一般积分区间被分成了若干等分子区间，而且把辛普森求积公式用在每个子区间上，这叫求积分法称为复化辛普森求积法，假如记，则有： (2.29)(2.29)式为复化的辛普森求积公式，式中精度与求积余项有关。永磁材料磁性参数测试时，当探测线圈和样品在磁化场中时，磁通量在线圈中的变化值从0到的时间内为： (2.30)将积分时间分为n等份，假设每个区间的步长为h=2T，T为A/D采样时间的间隔，同时，。则当在A/D采集的过程中时，每个A/D采集两个感生电动势，的值就增加1。由构造的复化辛普森求积公式，可以求出磁通变化量： (2.31)根据公式(2.31)可以求出两极头之间某一时刻的磁场强度值： (2.32)同时可求出在某一时刻的永磁材料磁感应强度的值： (2.33)根据公式(2.32)和公式(2.33)的计算过程，对感生电动势的积分运算使用软件来实现，最后求出磁感应强度和磁场强度的值。2.3.3 采样频率的确定单位周期内采样点数与数字频率之间的数学表达： (2.34)上式中，为采样频率，为模拟信号频率，为周期内采样点数。如果量化误差不作考虑，结合幅度相位特性图和公式(2.17)-(2.20)就能计算出最小，从而数字积分器所需的最小采样率确定下来。当本文用辛普森积分算法时，从图2.6辛普森积分和理想积分的幅频特性可以看的出来，数字频率为时，近似度比较高的是理想积分和辛普森积分。在永磁材料磁性参数实际的测试系统中，静态磁特性是主要被关注的，因为磁感应的信号基本上为准直流信号，根据充退磁软件控制变化频率，可知信号的最大频率为Hz。根据实际需要采样点数，采样频率取20Hz即可。2.4 磁通量的标定选择好的积分器的算法和类型如何来标定，本设计中重要的内容，积分器的精度是受标定结果的影响。通常有“伏秒”定标法和标准互感器标定方法和。因为互感器本身有校准问题，且一般都在kHz频率下测得互感量，不适合直接在准静态下测得的，本设计中对积分器采用标准的“伏秒”定标法来进行定标，磁通量定标方法是“伏秒”定标法，标定器的本身校准只与时间量和准确的电压有关，磁通量的精度可以快速方便的标定，因此它广泛的应用在磁性参数测试领域中。2.4.1 磁通量标定原理当积分器的输入端受到脉冲电压的作用时，选用适合的时间值和电压值，也就是积分器输出的电压值，积分时间常数，以及“伏秒”数，就能把积分器的精度表现出来。伏秒发生器输出电压幅值为mV，时间脉宽0ms，积分常数ms时，则有：(VS)=(Max) (2.35)根据积分器输出电压与输入电压的关系，可以得出输出电压和变化磁通值的关系为： (2.36)由公式(2.36)变形可得：(V) (2.37)在积分器的输入端一个标准时间脉宽T=lms和标准幅值为100mV被输出时，理论上积分器应当输出V电压，之后把输出电压值使用示波器观测，如果显示值为V时，则可以测出该积分器检测磁通的相对误差： (2.38)2.4.2 磁通量标定测试和分析在上述数字积分器中我们使用了数字积分器，运用了复化梯形积分算法，为了保证测试结果的准确性，需要对测试的结果值进行标定。本系统采用MTC-1伏秒发生器对磁通值进行了校准，该伏秒发生器自带有11个通道脉冲输出，输入范围可以从(VS)-(VS),对应于(Max)-(Max)，精度优于，相对于磁通即0.0001wb-10wb，系统的标定环境温度为，标定 在测量 系统加电分钟后开始，设置积分器理论 磁通常数Wb/V。表3.1 Vi=0.01V时积分器的标定数据 档次数 积分输出 (mV)积分输出电压均值(mV)档积分输出(mV)积分输出 档 积分输出电压均值 积分输出 电压均值(mV) (mV) (mV)1 9.9799.8996.52 9.9899.7995.43 9.9799.7995.84 9.9999.9995.55 9.979.98 99.799.75993.8 996.216 9.9999.7997.77 9.9899.8997.98 9.979 9.9810 9.9899.899.799.7996.8995.7996.4由表3.1数据可以得出，当标准伏秒发生器档位选择Wb时，实际积分器输出电压为9.98mV，则产生的相对误差为： (2.39)当档位选择Wb时，实际积分器输出电压均值为99.758mV，则产生的相对误差为： (2.40)当发生器档位选择Wb时，则产生的相对误差为：(2.41)2.5 本章小结首先，本章详细介绍了永磁材料磁特性的测试原理。包括磁化曲线的五个特征区域，同时具体阐述了磁滞回线和磁性参数具体特征和实际意义。其次，介绍了磁场强度测试的两种方法，霍尔效应法和电磁感应法，对两种测试方法的原理和实际应用场合进行了详细的介绍，以及磁通量标定原理和测试分析等。主要分析了数字积分器的原理，通过对数字积分定义和构造，同时对梯形积分，辛普森积分和矩形积分的频率特性进行分析和仿真，分别对三种积分的相频特性和理想数字积分与幅频特性和进行对比，最后根据积分精度选用了辛普森积分。然后使用复化辛普森积分得出磁场强度，磁通变化量以及磁感应强度的基本算法式，做了算法理论准备实现了高精度的数字积分，提出存在的问题并给与意见，为后续研究提高数据支持，最后采用MTC-1伏秒发生器，对数字积分器的磁通值进行校准，伏秒发生器不同档位时磁通值产生的相对误差，测出了由此通过实际验证本系统选用的复化辛普森算法对提高积分器的精度有很好的效果，提出存在的问题，提高了数据精度的支持。3 永磁材料磁特性测试系统的软件设计本章介绍了永磁材料磁性参数系统下位机软件设计和实现并开发，测试前的系统初始化和相关判断，充退磁控制子程序，数据采样和子程序，磁性参数计算子程序，增益可调子程序，数据发送子程序，通信子程序，数据处理和数字积分子程序。实现了系统的调零，校准，磁锻炼以及样品增益的调整，完成了磁性参数的计算结果和算法处理。 本文测试系统软件是下位机软件。下位机软件主要完成对装置的控制、数据的采集以及相关特征量的提取工作，相关特征量包括有磁感应强度信号电压值、磁场强度信号电压值、磁感应强度信号数字积分值等，先计算出相应的矫顽力，剩磁，最大磁能积，内禀矫顽力的磁性参数。将把所测数据通过RS-485通信总线传到上位机，磁滞.回线的描绘出来，方便观测.永磁材料的测试参数和磁滞回线。3.1 系统主程序设计 图3.1所示的是下位机主程序流程图。主程序由许多小模块组成，即包括：测试前的相关判断和系统初始化，充退磁控制子程序，数据采样和子程序，磁性参数计算子程序，增益可调子程序，数据发送子程序，数据处理和数字积分子程序，通信子程序。执行主程序的过程为：当系统复位或上电后，必须对每个外设进行初始化和CPU内部运行。初始化主要是对系统时钟进行配置，对I/O口和A/D转换接口.进行配置，关系到的管理器的初始化.配置，配置定时器中断，对各个变量赋初始值以及串口通信的配置。本系统所用的是晶振为20MHz的DSP，经过SCSR寄存器的设置，时钟的频率为100MHz，内部的时钟为5倍频。这些初始化完成后，控制器可以.进入判断上位机.开始测试握手信号是否成功，如果握手成功，则开始程序调用和下面状态的判断。系统由控制充退磁子程序，完成磁化装置的充退磁过程。在样品测试前需要将样品磁化到饱和点进行磁锻炼，此时再判断磁锻炼是否完成，以保持试样磁状态的稳定。可以通过调用增益可调子程序来控制放大倍数。然后，重启充退磁过程，同时完成磁感应强度线圈和磁场强度线圈感应的模拟电压信号采样和转换，每次数据调零后进行AD采样。接着，进行数据处理工作，包括复化辛普森数字积分和相关数据处理转换。到最后，又进行磁性.参数的计算，把测试结果和测试出来的数据发送到上位机。图3.1 系统主程序流图3.2 充退磁控制程序设计 (1) 当执行a阶段时，此时样品被充磁到磁饱和，此过程不需要采集信号，所以可以快速充磁，本系统这个阶段把V电压分为段输出，也就是从V依次增加V，直到最大值V电压，磁化装置电流也增至最大+5A，V间隔正向充磁流程图如图3.4所示。(2) 当系统执行b阶段时，此时磁化装置电流从最大值+5A，降至最小值0A。此阶段系统开始采集磁感应和磁化 强度变 化信号，因为存在磁滞现象，此阶段电压变化不能太快，也不能太慢，不然会使磁滞回线的偏差比较大，数据处理不太方便。因此这阶段把5V-0V电压细分成段，各个电压的输出间隔为0.1V，直到从.最大值5V降低到0V电压。V间隔正向退磁.流程图.如图3.5所示。 (3) 当系统.执行d阶段时，执行的具体过程类似于(2)，d阶段磁化装置上的电流相反与b阶段的状态。(4) 当系统.执行e阶段时，执行过程前面的(3)差不多，磁化装置上的电流与c阶段状态是相反的。(5) 前面的个过程完成了之后，再执行f阶段将电流降至最小，一次样品测试完成，这个阶段不采集信号值。充退磁电压是采用DAC芯片TLC5615控制的，如图3.3所示DAC控制流程图。首先初始化TLC5615的时钟端CLK和片选端CS，当片选端CS为低电平时，串行输入数据才能被移入到16位寄存器，供DAC电路进行转换输出。 图3.2 充退磁控制子程序流程图 图3.3 DAC控制子程序流程图 图3.4 1V间隔电压正向充磁流程图 图3.5 0.1V间隔电压正向退磁流程图3.3 数据采集和调零程序设计首先，在主程序初始化后，采样子程序先对A/D转换模块的寄存器进行设置，最大转换通道数寄存器ADCMAXCONV=0x0002。然后设置采样通道和采样频率，开始对输入信号进行采样。当测试样品磁锻炼预热完成后，由于存在剩磁现象，所以在完成数据采样后，需要对磁化电流为零时的磁感应强度线圈和磁场强度线圈零点值进行软件补偿。采样周期主要是根据复化辛普森求积公式的步长来设置的。在样品磁锻炼预热完成后，增加磁化电流，使样品磁化达到饱和点。整个过程大约耗时40s，所以将积分步长设为s，采样周期为s。在完成一个阶段的两路电压信号采样后，则立即将采样数据由A/D转换结果寄存器中读取并存入到环形缓冲区中，提供给数据处理子程序使用。这样一个阶段需要个采样点，个充磁和个退磁阶段采样个点即可。EVA中的通用定时器T2是本系统采样触发源，图3.6为数据采集和调零子程序的流程图。图3.6 数据采集和调零子程序流程图3.4 数据处理和数字积分程序设计采集后的数据经过数据处理函数，转换真实值后就能进行参数计算。数据的处理包括除去放大器的放大倍数，减去加法平移的参考电压值。先把数字量转换为对应模拟量的数值。最后，根据实际样品的横截面积，线圈匝数乘以线圈系数，尺寸，再根据线圈补偿原理，把残匝系数计算出来，由此计算出磁感应强度信号的值。处理上述数据后还原测量出线圈的感应电压值。同时采样磁场强度两路电压值和磁感应强度值，保证了时间上的统一性，这使两者所测得的数据为一致。实现复化辛普森求积程序主要是把每个小区间内辛普森求积公式作为一个独立的功能函数来编译，对采集后数据进行积分时，就能直接调用其函数。数据处理和数字积分功能函数的程序设计流程图是，如图3.7所示的。图中k为中间变量，步长h每增加一个则k也加一。如果kh=t时，t为测试时间，采用复化辛普森累加的数值为测量线圈的时间积分。假如测量线圈的初始状态是零，那么所求出的积分值是在t时刻对应的.磁感应强度或磁场的值。图3.7 数据处理和数字积分子程序流程图3.5 磁性参数计算程序设计通过数字积分子程序和数据处理采集到的电压值后，就能得到材料的磁场强度和磁感应强度的真实值，永磁材料的参数根据