计算机论文模板计算机应用论文模板计算机数值积分技术在磁滞回线

1、 计算机论文模板计算机应用论文模板：计算机数值积分技术在磁滞回线测量中的应用【摘 要】基于传统瓦特计和计算机数值积分技术制作了一个超导材料磁滞回线测量设备,介绍了测试原理和制作过程,完成了Bi2223/Ag带材磁滞回线测试,表明采用传统瓦特计法和计算机数值积分测试超导材料磁滞回线的方法简单实用。【关键词】数值积分技术,磁滞回线,超导,瓦特计 测试磁滞回线的一个较常用的方法是使用振动样品磁强计,但该设备比较昂贵,且安装空间比较大。本文结合传统的瓦特计技术和计算机控制技术以及计算机数值积分技术,完成了一个磁滞回线测试设备。1 测试原理瓦特计法是测试背景场损耗的一个重要方法,其主要来源于坡印廷矢量。

2、坡印廷矢量电磁场中的能流密度国际单位制描述公式为1:=EH (1)表示进入或者退出空间某点单位面积的能流瞬时速率,将该矢量对于空间的表面积积分,将获得流入或者流出该体积的能量瞬时速率:P(t)=SdS (2)如果表示的能流瞬时速率在空间是均匀的或者是近似均匀的,那么通过在一个周期内积分可以获得单位表面积每个循环的损耗,除以时间将获得平均功率,如式(3):Q=T0dt (3)如果磁场强度(H)和电场强度(E)在空间是均匀的,那么就可以保证坡印廷矢量在空间均匀,这样就可以忽略空间的差异,用坡印廷矢量对于一个循环的积分来获得单位表面积的损耗,瓦特计测试背景场损耗就是基于此原理。那么在实际运行时候如何

3、获得H和E,H通过设计一个空间均匀的磁体来实现,将超导样品放在磁体的均匀区中,如果忽略超导样品的退磁效应,就可以用空间均匀的磁场来近似超导样品表面的磁场强度H,这样一来只要再准确获得样品表面电场强度E,就可以通过在一个周期中积分坡印廷矢量来获得单位表面积每个循环的损耗。磁场强度的均匀可以通过设计均匀的磁场来获得,通过测量磁体线圈中的电流,结合结构因子就可以计算磁场:H=KI (4)其中K是磁场常数,由磁体结构确定,I为磁体中通过的电流。由电磁感应定律,超导带材表面的电场强度为:Edl=-ddt (5)只要获得超导带材与磁场垂直的横截面的磁通变化(穿透电压)就可以获得超导带材表面的电场强度,理想

4、情况下只要把线圈缠绕在超导样品的表面即可,但是考虑到实际的样品更换等问题,必须将线圈做得大一点,这就难免会产生杂散电压, 实际测试时为了除去杂散电压,采用两个线圈串联反接来实现电场强度的获取2, 3。探测线圈和超导样品的关系。假设两个线圈匝数和截面积完全相等,匝数为N,截面积为S,并且假设超导样品的截面积为Ss,假设外磁场为:H=Hmsint (6)通过推导计算,可以获得样品表面的电场强度为:Edl=0dMdtSs (7)在式(7)中等号右边一项乘以探测线圈的匝数(N)就是线圈上的探测电压,即超导样品上的穿透电压2,表示为Vp,假设样品表面的电场强度是均匀的,则式(7)中电场强度对表面闭合曲线

5、的积分为EL(L为和磁场垂直面的带材周长),有:E=VpNL (8)Vp=N0dMdtSs (9)至此磁场强度H和电场强度E都已经获得了,只要对这两个量在一个周期内进行积分就可以获得单位表面积每个循环的损耗。式(8)和式(9)两个公式适用于线圈串联反接探测电场强度和直接将线圈缠绕在样品表面获得电场强度两种方法,但是这里有一点必须加以澄清,这两种方法测得的穿透电压是有区别的:直接缠绕时获得的穿透电压值为: Vp=N0d(M+H)dtSs (10)这里穿透电压由两个部分组成,一部分为超导带材磁化强度变化所引起的电压Vm,具有磁滞特点,另一部分为外磁场变化所引起的电压Vh,如果测试时采用正弦驱动信号

6、,则Vh和磁场具有90的相差,在一个周期中积分坡印廷矢量时,Vh的贡献为零。因此串联反接的探测方法是可行的,但是这种可行是有条件的:要求测试系统的正弦信号畸变小;要求电子线路引起的相移能够准确补偿。超导材料的磁化强度变化产生感应电压VP,因此对于VP进行积分就可以获得M,因此通过瓦特计法和数值积分就可以获得磁滞回线。2 设备实现根据瓦特计法测试磁滞回线的原理,设计出测试系统,测试系统的功能。系统的实现思路:整个系统的测试过程通过计算机自动完成。正弦交流信号由锁相放大器的信号发生器(SINC OUT)提供,幅值和频率由计算机通过串口控制锁相放大器来实现,为了防止系统的地线之间的串扰和防止共模电压

7、,正弦交变信号首先通过隔离变压器来进行隔离和阻抗匹配4, 5,再进入功率放大器。因为磁体线圈电感太大,约0.5H,采用电容谐振,谐振电容的采用,还有效地抑制了系统的谐波2。电流通过电流传感器获得,探测线圈上的穿透电压进入微伏放大器,这两路信号再通过放大板放大,通过数据电缆进入计算机,由计算机控制数据采集卡来实现数据采集。电流传感器、探测线圈、微伏放大器和信号放大板产生的相移通过计算机软件来校正,磁滞回线的计算通过对于穿透电压的数值积分完成。3 测试结果以及曲线分析为了避免50周的交流干扰,在45Hz下测试了Bi2223/Ag19芯带材的磁滞回线,带材尺寸是4.32mm0.3mm,超导芯厚度是3

8、4m,银超比是31,Jc是30.4 A/mm2。可以获得Bi2223/Ag超导带材在外磁场下的磁场响应特性和磁通变化情况,以及确认测试曲线是正确的。下面对于一个周期中超导体中的磁通变化情况进行分析,分析结果如下:当磁场从负的最大值开始一个周期的变化时,在磁场最大值附近穿透电压存在着的一个峰值,这是由于在磁场最大值附近磁化强度变化比较快。随着磁场的降低,穿透电压逐渐降低,穿透电压出现了一个极小值,这是由于在这一过程中磁化强度存在一个水平段。当磁场降低到负的Hc1以下时,没有出现明显的磁通屏蔽现象,这与大块超导体的穿透电压在磁场处于-Hc1到+Hc1之间出现的磁通屏蔽现象完全不同。这可能是在大块超

9、导材料中当外磁场变化到-Hc1到+Hc1时,大块超导材料起作用的是整体屏蔽效果,磁通首先接触的就是超导材料,里层的材料受到外层的屏蔽作用,因此磁化强度变化很小;但是多芯带材中,超导芯的尺寸很小,穿透磁场很小(为6 Gs),超导芯分散在银基体中,磁通首先进入银基体中,起屏蔽作用的超导芯很小,所以整体屏蔽效果很差,未能探测到明显的磁通屏蔽现象。当磁场反向增加到正的Hc1附近时,穿透电压出现了的一个很大的峰值,这可能是由于当正方向的磁场升高到Hc1附近时,由于磁滞作用,在超导芯的深处存在着反方向的磁通,在外层是正方向的磁通,这样正反方向的磁通发生了抵消,导致了磁化强度变化很大,所以产生穿透电压的峰值

10、。当磁场继续增加时,穿透电压逐渐降低,这可能是由于磁场增加时,磁通进入超导芯变得相对容易,磁化强度的变化率降低所致。在磁场强度峰值附近存在穿透电压的极大值。当磁场从正的最大值降低到负的最大值时,穿透电压和磁场关系与上述情况类似。4 结 论实际测试结果表明,通过瓦特计法结合数值积分获得磁滞回线和超导材料在磁场中的变化特性是一致的,因此这种基于瓦特计法的磁滞回线测试设备是可靠的。该方法不但可以测试超导材料,而且可以测试任何磁性材料。参考文献1 J A埃德米尼斯特尔著.雷银照,吴 静等译.工程电磁场基础M.北京:科学出版社,2002.2 Zhang G M,Lin L Z,Xiao L Y et al.The AngularDependence of AC Losses in BSCCO/Ag Tapes UnderAC Magneti