專利名稱：基于數(shù)字積分的磁滯回線測量方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字積分的磁滯回線測量方法與裝置。
背景技術(shù)：
磁性物質(zhì)是一種性能特異、用途廣泛的材料，物質(zhì)磁特性研究是材料物理學(xué)的重要領(lǐng)域之一。人們研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁性材料沿磁化曲線oab到達(dá)b點(diǎn)后，繼續(xù)加大外加磁場H也不能使磁性材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度B繼續(xù)增加，此時(shí)對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為該磁性材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm。之后，磁性材料內(nèi)部的磁場B會(huì)跟著外加磁場H的減小而減小，但不是沿著磁化曲線oab的軌跡下降。當(dāng)外加磁場H退到O時(shí),磁性材料內(nèi)部仍然保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B=Br,此值稱為磁性材料的剩磁。如果繼續(xù)逐漸加大反向磁場H，磁性材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度B將會(huì)減，當(dāng)反向外加磁場強(qiáng)度H=增加到-He時(shí)(圖I上的He點(diǎn))，磁性材料內(nèi)部磁感應(yīng)·強(qiáng)度B降為0，至此推此過程結(jié)束，對(duì)應(yīng)外加磁場值He稱為磁性材料的矯頑力。如繼續(xù)加大反向磁場，鐵磁材料的磁化會(huì)達(dá)到飽和h點(diǎn)后不再變化。減小反向磁場到ο點(diǎn)后沿正向加大磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度將通過e點(diǎn)到達(dá)b點(diǎn)。由點(diǎn)b->Br->Hc->h->d->e->f->b構(gòu)成的閉合曲線該磁性材料的磁滯回線?？梢钥闯?，磁性材料的磁滯回線具有飽和性、滯后性、不可逆性和中心對(duì)稱性。磁性材料分為硬磁材料和軟磁材料兩類,區(qū)分兩類材料的依據(jù)是測量磁性材料的剩磁Br和嬌頑力He值，硬磁材料的剩磁Br和嬌頑力He值大，軟磁材料的剩磁Br和嬌頑力He值小。物質(zhì)磁特性研究是材料物理學(xué)的重要領(lǐng)域之一，在大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)中，通常安排動(dòng)態(tài)和靜態(tài)磁滯回線測定實(shí)驗(yàn)。通過測量磁場強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B對(duì)應(yīng)關(guān)系，描繪出磁性樣品的磁滯回線圖，并從該圖中得到磁性材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、矯頑力He等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中磁場強(qiáng)度H由通過線圈的激勵(lì)電流產(chǎn)生，測量后可換算成H值；磁場強(qiáng)度B通常用有源積分方法磁通量進(jìn)行換算得到。一般采用運(yùn)算放大器和阻容網(wǎng)絡(luò)組成的積分電路，對(duì)磁通變化產(chǎn)生的感應(yīng)電勢進(jìn)行時(shí)間積分。然而由于積分電容的漏電等因素的存在，將導(dǎo)致測量系統(tǒng)漂移問題。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，一般會(huì)安排靜態(tài)磁滯回線測量和動(dòng)態(tài)(50赫茲交變外加磁場H)磁滯回線測量。靜態(tài)測量方法主要有沖擊檢流計(jì)法、霍爾效應(yīng)法、核磁共振法和磁通測量法。如CN201681149U —種螺線管軸線磁感應(yīng)強(qiáng)度測量儀，通過霍爾傳感器(6)進(jìn)行測量?，F(xiàn)有的數(shù)字測量方法是，磁場強(qiáng)度H由通過線圈的激勵(lì)電流產(chǎn)生，測量后可換算成H值；采用R-C有源積分器的磁通測量法測量磁感應(yīng)強(qiáng)度B.根據(jù)法拉第定律，開環(huán)線圈內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時(shí)，其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓ei(t)=-dC>/dt ... (I)如果線圈截面積S、阻數(shù)N為定值,貝IjEi (t) =-NSdB (t) /dt ... (2)對(duì)應(yīng)感應(yīng)電壓積分/ Ei (t) dt=-NSB (t)... (3)
有B(t)=-(l/NS) / Ei(t)dt ... (4) 感應(yīng)電壓ei，磁通量Φ。Ei為感應(yīng)電壓一段時(shí)間的累加。采用R-C有源積分器測量電路，積分電路的輸出是通過電容C來實(shí)現(xiàn)時(shí)間積分的。一方面，由于實(shí)際使用的運(yùn)算放大器并不是理想的放大器，其反向輸入端的輸入阻抗不可能是無窮大，偏置電流會(huì)使積分電容C上的電荷逐漸積累，造成輸出端電壓不斷上升或變化。另一方面，由于電容存在一定的漏電電阻(并非無窮大)，積分器輸出端會(huì)隨時(shí)間推移而逐漸下降。由于上述原因，綜合表現(xiàn)為R-C模擬積分器存在著的所謂零點(diǎn)漂移。對(duì)磁滯回線測量結(jié)果的影響是測出的磁滯回線的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)往往不能重合(閉合)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種采用改進(jìn)的方法數(shù)字積分測量磁場強(qiáng)度B，并對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行數(shù)字化采集，通過數(shù)據(jù)傳輸給電腦，由電腦描繪出樣品的磁滯回線圖。尤其是克服現(xiàn)有積分電容的漏電等因素的存在，將導(dǎo)致測量系統(tǒng)漂移問題本發(fā)明的技術(shù)方案是，基于數(shù)字積分的磁滯回線測量方法，采用R-C有源積分器測量電路測量磁性材料的磁滯回線，R-C有源電路經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換濾波并累加得到與φ成正比例關(guān)系的積分的感應(yīng)電壓Ei ;其步驟如下，磁性材料的外加磁場H導(dǎo)致磁性材料體內(nèi)磁通測量變化產(chǎn)生感應(yīng)電勢ei=_d(p /dt； ei經(jīng)自穩(wěn)零放大器放大后,輸出一段時(shí)間積分的感應(yīng)電壓Ei ；對(duì)Ei采用高速A/D模數(shù)變換模塊，將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，在設(shè)定的定時(shí)器Λ t內(nèi)，進(jìn)行N次A/D變換并累加Σ Ei ；為消除Ei可能包含有噪聲和干擾信號(hào)，采用基于拉依達(dá)準(zhǔn)則的奇異數(shù)據(jù)濾波法，通過計(jì)算得到Ei ；做Ei和At乘法運(yùn)算，可得到Λ t時(shí)間內(nèi)的磁通量值為φ I=Ei X Δ t;將測量周期內(nèi)的所有φ i做算術(shù)運(yùn)算，即可得出被測樣品對(duì)應(yīng)外加磁場H的磁通量Φ=Σφ i;計(jì)算并保存數(shù)據(jù)Β=Φ/NS。磁性材料外加磁場H通過三角波的外加電流提供給繞制在磁性材料的線圈。本發(fā)明的有益效果是，通過對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行數(shù)字化采集，通過數(shù)據(jù)傳輸給電腦，由電腦描繪出樣品的磁滯回線圖?？朔F(xiàn)有積分電容的漏電等因素的導(dǎo)致測量系統(tǒng)漂移問題。通過采用改進(jìn)的方法數(shù)字積分測量磁場強(qiáng)度B，實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度B，得到的磁性材料樣品的磁滯回線圖具有良好的重現(xiàn)性和閉合性，收到預(yù)期效果?？朔-C模擬積分器零點(diǎn)漂移。不會(huì)對(duì)磁滯回線測量結(jié)果有所影響。
四

圖I為磁滯回線測量的基本原理圖；圖2為R-C有源積分器基本電路；圖3為數(shù)字積分器實(shí)現(xiàn)原理和線路示意圖；圖4為本發(fā)明方法的步驟圖；圖5為本發(fā)明提供磁場強(qiáng)度的電流圖6為本發(fā)明控制測量的流程圖；圖7為本發(fā)明實(shí)測得到的磁性材料樣品的磁滯回線圖。
五具體實(shí)施例方式R-C有源積分器基本電路組成如下(參見圖2):圖2為R-C有源積分器圖中R為積分電阻，C為積分電容，V0為積分輸出。輸出輸入關(guān)系為V0=-1/RCX / eidt=-<j5/RC ... (5)
(5)式中的ei即為磁通變化而成生的感應(yīng)電壓，Vtl為R-C有源積分器輸出電壓。通過校正得到磁通量Φ值，進(jìn)而得到B=(t/NS數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過嵌入式微處理器和軟件技術(shù)，設(shè)計(jì)出數(shù)字積分器，原理如下(I)式可轉(zhuǎn)化為Φ=- Σ ejAt (At 很小)…(6)即Φ=- Ce1 Δ t+e2 Δ t+***+enA t+···) ... (7)數(shù)字積分器實(shí)現(xiàn)原理可用圖3表示本發(fā)明利用拉依達(dá)準(zhǔn)則，拉依達(dá)準(zhǔn)則處理奇異數(shù)據(jù)濾波器的參數(shù)拉依達(dá)準(zhǔn)則用于剔除嚴(yán)重失真的奇異數(shù)據(jù)。第一步計(jì)算N次測量的算術(shù)平均值(本測量裝置N取8，可以在4-20的范圍)，然后計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)差σ，并將大于3σ的數(shù)據(jù)剔除，在求出本測量期內(nèi)的平均值。本測里裝置設(shè)定的采樣期At為10us。另外，B=(t/NS式中的N為測量線圈的匝數(shù)，S為測量線圈面積。具體測量的實(shí)施例(圖7):永磁材料樣品C308，外徑24臟，內(nèi)徑16mm，厚度IOmm ;測量線圈N=40，自穩(wěn)零放大器7650，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD574，系統(tǒng)控制處理器ADUC812，電腦數(shù)據(jù)接口 USB。積分器工作過程如下參見本發(fā)明圖2-6的測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用數(shù)字積分測量磁通量來實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度B，得到的磁性材料樣品的磁滯回線圖具有良好的重現(xiàn)性和閉合性，收到預(yù)期效果。
權(quán)利要求
1.基于數(shù)字積分的磁滯回線測量方法，其特征是采用R-C有源積分器測量電路測量磁性材料的磁滯回線，R-C有源電路經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換濾波并累加得到與φ成正比例關(guān)系的積分的感應(yīng)電壓Ei ;其步驟如下，磁性材料的外加磁場H導(dǎo)致磁性材料體內(nèi)磁通測量變化產(chǎn)生感應(yīng)電勢ei=_d(p /dt.;ej5自穩(wěn)零放大器放大后，輸出一段時(shí)間積分的感應(yīng)電壓Ei JfEi采用高速A/D模數(shù)變換模塊，將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，在設(shè)定的定時(shí)器△ t內(nèi)，進(jìn)行N次A/D變換并累加Σ Ei ； 為消除Ei可能包含有噪聲和干擾信號(hào)，采用基于拉依達(dá)準(zhǔn)則的奇異數(shù)據(jù)濾波法，通過計(jì)算得到Ei 和At乘法運(yùn)算，得到At時(shí)間內(nèi)的磁通量值為φ i =EiXAt5 將測量周期內(nèi)的所有φ i做算術(shù)運(yùn)算，即可得出被測樣品對(duì)應(yīng)外加磁場H的磁通量Φ=Σφ h計(jì)算并保存數(shù)據(jù)B= Φ/NS。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于數(shù)字積分的磁滯回線測量方法，其特征是磁性材料外加磁場H通過三角波的外加電流提供給繞制在磁性材料的線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于數(shù)字積分的磁滯回線測量方法，其特征是拉依達(dá)準(zhǔn)則處理奇異數(shù)據(jù)濾波器的參數(shù)第一步計(jì)算N次測量的算術(shù)平均值，N取8，然后計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)差O，并將大于3σ的數(shù)據(jù)剔除，在求出本測量期內(nèi)的平均值；設(shè)定的采樣期At為lOus。
全文摘要
基于數(shù)字積分的磁滯回線測量方法，采用R-C有源積分器測量電路測量磁性材料的磁滯回線，R-C有源電路經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換濾波并累加得到與成正比例關(guān)系的積分的感應(yīng)電壓Ei；其步驟如下，磁性材料的外加磁場H導(dǎo)致磁性材料體內(nèi)磁通測量變化產(chǎn)生感應(yīng)電勢ei經(jīng)自穩(wěn)零放大器放大后，輸出一段時(shí)間積分的感應(yīng)電壓Ei；對(duì)Ei采用高速A/D模數(shù)變換模塊，將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，在設(shè)定的定時(shí)器Δt內(nèi)，進(jìn)行N次A/D變換并累加∑Ei；得到Δt時(shí)間內(nèi)的磁通量值為將測量周期內(nèi)的所有做算術(shù)運(yùn)算,即可得出被測樣品對(duì)應(yīng)外加磁場H的磁通量本發(fā)明得到的磁性材料樣品的磁滯回線圖具有良好的重現(xiàn)性和閉合性。
文檔編號(hào)G01R33/14GK102879751SQ20121038063
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月9日
發(fā)明者徐順利 申請(qǐng)人:南京大學(xué)