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磁参数的测试

发布日期:2017-12-15 14:29:51 【关闭】
摘要:本文着重分析几种常用的磁参数测量方法的原理,然后论述永磁材料的磁特性测试原理和试样交流磁特性的测试方法。

   本文着重分析几种常用的磁参数测量方法的原理,然后论述永磁材料的磁特性测试原理和试样交流磁特性的测试方法。

  一、探测线圈测磁法

  探测线圈是电气系统磁场测试中最常用的磁敏探头。其原理是:将一个合适的空心线圈放在被测磁场中,当磁感应强度变化时,线圈中就产生瞬时感应电势:

 

gooxian-感应电势

   式中 N ——— 线圈的匝数;

          S ——— 线圈的平均截面积;

           ψ ——— 线圈匝链的磁链;

           B ——— 磁感应强度;

          t ——— 磁场变化的时间。

   将式(6.25)对时间积分,可得

  

gooxian-磁参考的测试

   可见,如能测出线圈感应电势对时间的积分值,便可得到t0 -t1 时间间隔内,探测线圈所处位置的磁感应强度变化的比值 ΔB,探测线圈既可用于测恒定磁场,又可用于测交变磁场。

  当测量交变磁场时,根据式(6.25)由线圈的感应电势,可求得磁感应强度。设交变磁场的强度按正弦规律变化,即

 

gooxian-测量磁场

   由上所述可见,探测线圈测磁法的原理比较简单,使用它测量磁场时需与反映感应电势积分值的仪表或设备相连。为提高准确度,探测线圈在应用中需注意以下实际问题。

   (1)对于一个已绕制好的线圈来说,N 和S 是已知的,一般用比例常数 K 表示:

  

gooxian-比例常数K

   通常值由高准确度的仪表或专门的装置来测定,也可以采用分析法确定。

   分析法主要分析线圈的平均截面积S,为此设线圈的内圆半径为r1,外圆半径为r2,高为h,如图6.19所示。半径r处线圈所包围的磁通Φ =πrB,在厚度为dr的圆柱层中线圈匝数为

gooxian-通常值

  (2)应用探测线圈测得的磁感应强度,实际上是探测线圈以内的平均值,当用它测定空间磁场的分布时,线圈的尺寸应小于被测磁场的均匀范围。

  

gooxian-探测线圈

   (3)布置探测线圈时,必须使线圈的轴线与磁场的轴线一致,否则会造成测量误差。但是在实际安装中,线圈轴线与磁场轴线总存在一定的安装误差角α,如图6.20所示。此时可将线圈中的感应电势分解为Bx 产生的分量Ex 和By 产生的分量Ey。设Bx 和By 都按正弦规律变化,且初相位相同,即

  

gooxian-探测线圈1

   此式表明,由于存在安装误差角α,感应电势出现幅值相对误差ΔEy/Ey= Bxm/Bymtanα。若Bxm =Bym ,当α存在3°的偏差时,造成的幅值相对误差可达5%,可见,在测量准确度要求较高的情况下,不可忽视安装误差的影响。

 (4)当安装探测线圈时,应使其与被测系统的机壳、铁芯有可靠的绝缘。每个线圈的引线应有良好的绝缘,并应将两根引线绞合在一起,以免外磁场在引线中感应附加电势引起误差。

   二、磁通计测磁法

   磁通计是一种测量恒定磁场磁通量的仪表,使用时需加探测线圈作为它的传感器,按照磁通计的原理结构不同,有磁电式和数字式之分。

  1.磁电式磁通计原理

  图6.21是磁电式磁通计原理示意图,它由永磁机构、可动线圈、悬丝及指针等基本部分组成。它的特点是采用扭力系数非常小的悬丝悬挂可动线圈。可动线圈在永久磁铁的磁场中偏转,同时带动指针产生偏转角。

gooxian-磁电式磁通计原理示意图

  由于可动线圈转动时,悬丝恢复力矩极微,可近似为零。因此指针可在任意位置静止,而后以极慢的速度返回。为使读数方便起见,有的磁通计装有使指针返回零点的附加装置。

gooxian-磁通计测磁原理图

 

  图6.22为磁通计测量磁通时与探测线圈连接的电路图。当探测线圈中的磁通发生变化时,便在线圈中产生感应电势ex,使探测线圈和可动线圈所构成的回路中产生电流i,该电流致使可动线圈受到电磁力作用发生偏转。与此同时,可动线圈在永久磁铁的磁场中运动又产生感应电势eF,并引起电流iF。由于电流iF 与上述电流i的方向相反,因此产生阻止可动线圈转动的反作用力。当作用力矩和反作用力矩达到平衡时,可动线圈已转过的偏转角 Δα和被测磁通变化量ΔΦx 成正比,由Δα可得ΔΦx。对此关系可分析证明如下:设磁通计可动线圈匝数为NF,每边有效长度为lF,宽度为bF,磁通计工作气隙中的磁感应强度为BF,可动线圈偏转的角位移为α,探测线圈和可动线圈闭合回路中总电阻为R,电感为L。在此回路中,电压平衡方程为

gooxian-电压平衡方程

gooxian-电压平衡方程1

   在上述证明推导过程中,认为磁通计的电阻很小,电磁转矩只使可动线圈产生角加速度,空气的阻力极小,可忽略不计。实际上,在一定程度上它还是与测量回路的电阻有关。如果测量回路的电阻很大,电磁转矩就会明显地减小,空气的阻力作用也就不可忽略,这样会使 ΔΦx 与 Δα不是线性关系。因此只有测量回路的电阻很小时,才能使ΔΦx/Δα为常数。为此,有些磁通计为了限制外接探测线圈的允许电阻值,标出了额定外接电阻值的数据,一般电阻值上限为20~40Ω。应用磁通计测量磁通量比较大的磁场时,采用减少探测线圈的匝数及附加分流器的办法,扩大磁通计的量程。图6.23(a)是分流器的接线图。设探测线圈的感应电势为ex,电阻为R,分流器电阻为 Rs,图6.23(b)为等效电路,根据戴维南定理,此时等值电势为原来的Rs/R+Rs倍,因此磁通计的读数乘以R+Rs/Rs倍,才是实际的磁通量。

 

gooxian-磁通计

   根据磁通计的测量原理,探测线圈中必须有磁通量变化才能使指针偏转。通常在测量过程中采用以下两种方式获得变化的磁通量:

   (1)探测线圈安装好后,迅速改变磁场的方向或大小。例如,将激磁电流切断或接通,以改变磁场大小;改变激磁电流方向,以改变直流磁场的方向。

   (2)磁场不变,迅速改变探测线圈和磁场的相对位置。如将探测线圈迅速离开磁场,或将探测线圈平面由垂直于磁场轴的姿态变换成平行的姿态。或者将探测线圈绕磁场轴转180°,使线圈内的磁通由 +Φx 变到 -Φx,则 ΔΦx =2Φx。

   2.数字式磁通计原理

   图6.24是一种数字式磁通计原理图。它由探测线圈、电压 频率(U F)变换器、积分器和计数显示器组成。若探测线圈中有 ΔΦx 的磁通变化,产生的感应电势为ex,则有

 

gooxian-磁通计原理

  

gooxian-磁通计原理1

   最后经过 Δm 计数,由显示部分直接显示磁通变化量的数值。显然,这种数字式仪表比磁电式磁通计结构简单、准确度高。一般测量准确度达到 ±10-3~±10-4 数量级。

  这种数字式磁通计只能用来测量静态磁场,可作连续测量,或作不连续测量。在上述分析中,ΔΦx 可以是两个稳态之间的磁通差值,也可以是连续变化过程中任意两个测量点之间的差值。

   3.电子积分器磁性自动测量仪

   利用电子积分器对探测线圈的感应电势ex 进行积分运算,以实现磁场测量的方法得到了广泛应用,为提高积分精度,常采用运算放大器作积分运算。图 6.25 是电子积分器原理线路图。

   把放大器的输入端与探测线圈相连接,运算放大器输出电压便是积分值gooxian-积分值,由此可求得被测磁通或磁感应强度。如果运算放大器的开环放大倍数为 K0,积分运算的相对误差大约是简单RC 电路的1/K0,犹如RC 时间常数增大了K0 倍。由于运算放大器的 K0 极大,误差被显著地减小了,因而它还可以用于变化过程缓慢的磁性测量系统中。

gooxian-积分运算放大器的测磁线路

   如果将运算放大器构成的积分器与函数记录仪配合使用,还可实现磁化曲线的自动测量。其原理电路如图6.26所示。其中圆环是试样,通过调节电源电压以改变磁化线圈N1 中流过的电流,于是试样中的磁通也随之改变,探测线圈中就产生了感应电势e,将它通过积分器后得到输出电压gooxian-输出电压1,将uy 与正比于磁化电流的信号电压ux 分别接到记录仪的Y 输入端和 X 输入端。当缓慢调节磁化电流时,即可由函数记录仪绘出磁性材料试样的起始磁化曲线或静态磁滞回线。现在国内已生产这种应用电子积分器的静态磁性自动测量仪。

  三、霍尔元件测磁法

  霍尔元件是一种半导体器件,把它放在磁场中并输入控制电流后,会产生霍尔电势UH。霍尔电势的大小分别与控制电流IC 及垂直于控制电流方向的磁感应强度B 成正比,即

  UH = KHICB

   物理学中把这种现象称为霍尔效应。关于霍尔元件的详细论述见传感器部分。

  利用霍尔元件测磁的原理非常简单,把霍尔元件作为传感器放在被测磁场中,使其输入控制电流Ic,并保持电流为常值,此时霍尔电势与磁感应强度成正比。测量霍尔电势大小即可反映磁场的变化。

  应用霍尔元件既可以测直流磁场,也可以测交流磁场。测量直流磁场时,往往采用交流电源产生控制电流,这样获得同频率的交流电势。由于交流电压易于放大,因此采用交流供电可以得到较高的测量准确度。测量交变磁场时,采用直流控制电流,则可得到与交变磁场相同变化规律的交变霍尔电势。

  目前应用霍尔元件测量磁场已相当普遍,国内有多种类型的霍尔效应高斯计,如 CT-3型交直流高斯计、CST-1数字式高斯计等。图6.27是 CT-3型高斯计的原理图。

 

 

gooxian-CT-3型高斯计原理图

   四、永磁材料磁特性的测试

  永磁材料在电气工程上的应用是很广泛的。由于它的种类较多,各类材料性能的差异又很大,因此其磁特性的测试方法与测试设备也各不相同。

  永磁材料的磁特性是通过测试磁滞回线的退磁曲线部分得到的,它们是:剩磁感应强度Br,矫顽力 HC 及最大磁能积(BH)max。

  测试永磁材料的磁特性时,通常要使用强磁场磁导仪或用电磁铁与被测材料的试样构成闭合磁路。退磁曲线的磁感应强度B 由绕在试样上的探测线圈测量,试样的内部磁场强度 H可采用磁位计测量。

  所谓磁位计就是放在试样表面的一扁平线圈,如图6.28所示。根据有限介质中磁场的边界条件,试样表面磁场的切线分量与内磁场相等。当试样均匀磁化后,将扁平线圈紧贴试样表面,然后突然改变试样里的磁场强度,测量此时试样表面磁场强度的切线分量,就等于试样内的磁场强度,通常为了使扁平线圈里的磁场变化,可采用将试样里磁场强度突然改变方向的电流换向法,也可以采用把线圈从磁场中迅速取出的抛掷线圈法。图6.29是一种双轭磁导仪。它的两个磁化线圈分别安装在两组磁极上,磁极中各安装一个 T 型极头(用工业纯铁做成,两块磁轭用硅钢片制成)。被测试样的端面由T 型极头紧紧夹住,尽可能做到没有任何气隙,否则,将有不小的一部分磁势降在气隙中,使被测磁钢不易饱和。

gooxian-测量磁场强度的磁位计

   磁感应强度B的探测线圈绕在试样的中部,内部磁场强度的测量采用扁平线圈。测量永磁材料磁性能的磁化绕组采用匝数少而电流大的低压供电方式,以获得大的磁场强度。例如,双轭磁导仪的最大磁化电流为12A(110V),两极间距离为20mm 时,得到的磁场强度不小于6×10 A/m;当极间距离为50mm 时,产生的磁场强度不小于3×10 A/m,可以测量 HC 在120kA/m 以下的永磁材料。

 

gooxian-永磁材料磁特性

   图6.30是永磁材料磁特性冲击法测量原理电路。图中 NJ 为磁化绕组,NB 是磁感应强度探测线圈,NH 是磁位计扁平线圈,G 是冲击检流计,S2 是冲击检流计与 NH 或 NB 连接的转换开关,S1 是突然改变磁化电流方向的转换开关。

  测量永磁材料的退磁曲线和测定试样的磁滞回线一样,开始时必须使试样磁中性化,测量过程中应注意试样的磁状态与“磁性经历”有关,只要有一个步骤测试不正确,就必须从头开始。图6.31是一个实际的冲击法测量线路,它比图6.30所示原理电路复杂,其中M 是互感器,它是为测冲击检流计的冲击常数而设的;磁化绕组的两端并联一个放电电阻 R5,这是因为磁化线圈的电感很大,即使选用灭弧开关S1 作为转换开关使用仍有可能产生电弧,因此设置了此放电电阻。

  

gooxian-永磁材料的冲击特性

  五、交流磁特性的测试

  磁性物质在交变磁场中所表现出来的磁特性称为交流磁特性,也称为动态磁特性。磁性材料在交变磁场中按一定的振幅和频率被周期地反复磁化,其磁状态沿着一个对称的磁滞回线变化,它反映了磁感应强度B 和磁场强度H 之间的瞬时变化关系,称之为动态磁滞回线。

  动态磁滞回线可以用示波器直接显示其瞬时变化形状,也可以用相敏检波原理和采样原理间接测量B 和H 的瞬时值,实现自动测量和记录。

  相敏检波原理就是利用两个信号之间的相位关系进行检波。当这两个信号频率相同时,检波之后的输出,在两信号相位相同时最大,在两信号相位差为π/2时为零,这样就相当于一个受移相器控制的,时而导通时而截止的开关。在交流磁滞回线测量中,最早是利用机械装置控制的整流器作相敏整流,它们的特点是设备简单、工作可靠、测量准确度在5% 左右,最大缺点在于工作频率太低,只能在工频范围内使用,这是由于机械结构的惯性所限。

  利用线性传输电子开关来实现半波控制整流,则可将工作频率提高到10kHz。图6.34是由4个二极管组成的桥式电路。C1 和C2 是相敏控制端,Ui为输入电压,Uo为输出电压。C1端加正方波控制信号,C2 端加负方波控制信号,它们由移相器提供,控制信号周期与输入交流电压相同,而且它的相位相对于输入电压可在0~2π间变化。当C1 端施加正半周方波时,4个二极管受到正向偏置而导通,输入信号可以通过桥路输出。当C1 端为负半周方波时,二极管受到反向偏置,输入信号不能通过,输出为零。这就实现了半周导通、半周截止的开关功能。

gooxian-相敏检波电子开关电路

   利用电子开关作相敏检波器的最大特点是在导通期间,输出波形是输入波形的真实形状。控制信号一般选用方波信号,而且方波的宽度应准确地等于输入信号的半周期。

 

 

 

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