確定磁芯B-H回路特性的虛擬儀器

在設計含磁芯材料的電感元件時(shí)，工程師必須準確測出該材料的特性。磁芯的動(dòng)態(tài)磁滯回路（或B-H曲線(xiàn)）包含了有關(guān)磁芯損耗和其它磁參數的有價(jià)值信息。不幸的是，商用的磁回路分析儀都很昂貴，不適合小規模研究實(shí)驗室和制造商使用。本設計實(shí)例描述了一個(gè)虛擬儀器，它采用一臺臺式或筆記本計算機，結合一個(gè)模擬數據采集卡和National Instruments（www.ni.com）的LabView軟件（7.1版以上）。使用時(shí)，軟件提取B-H回路信息、磁芯損耗以及其它磁性參數，測量費用可以接受。

　　圖1顯示的是一個(gè)磁芯器件的測試裝備。器件T₁包括一個(gè)磁芯材料樣品和兩個(gè)匝數相等的繞組。一只精密電流檢測電阻器R₁用作激勵電流的采樣，該電流在磁芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)。R₁上的電壓降與激勵電流和磁場(chǎng)H成正比。由電阻器R₂和電容器C₁組成的網(wǎng)絡(luò )對二次繞組中產(chǎn)生的電壓作積分。C₁上電壓與磁芯中的磁通密度B成正比。實(shí)際上，R₂的值應比工作頻率下電容器C₁的阻抗大得多。（根據教科書(shū)對電路的說(shuō)明，建議兩者的比率為100:1。）

　　元件的公差和特性都會(huì )影響測量的精度。R₁要使用無(wú)感、額定功率合適、1%公差的1Ω電阻；C₁要選用低泄漏、低介質(zhì)吸收、聚酯或聚丙烯薄膜電容，公差要嚴格。數據的獲取和查看使用由National Instruments 的PCI-6024E數據采集卡和LabView構成的專(zhuān)用虛擬儀器。軟件使用了NI公司的Express VI（虛擬儀器）技術(shù)，極大地簡(jiǎn)化了用戶(hù)設計數據的采集與處理工作。該應用程序只使用兩個(gè)數據采集模擬輸入通道：Channel 0采集磁場(chǎng)讀數（H），并以每米安匝的單位顯示在x-y圖的x軸上，而Channel 1則捕捉磁通密度B，以特斯拉(tesla)單位顯示在y軸上。

　　在低頻下，磁芯的磁滯損耗占主要地位，而在較高頻率下，渦流損耗則更加明顯。用瓦特表型算法可以計算出磁芯損耗，但也可將自己的算術(shù)表達式寫(xiě)入VI塊圖的公式結點(diǎn)作替換。LabView還可以保存數據，并將結果輸出成微軟Excel數據表格式，或輸出到其它程序中作進(jìn)一步分析。

　　你可以用數據采集卡的八個(gè)差分模擬輸入通道的其它部分判定電感值。此時(shí)，要測量器件初級繞組上的電壓，并計算它的均方根值。電壓與通過(guò)R₁測得的均方根電流的比值就確定了繞組標量阻抗值X_L的大小。然后，可以用下列公式計算出電感量：L=X_L/2πf，其中，f表示所施加激勵電壓的頻率。

　　圖2是一個(gè)3B7混合型鐵氧體磁芯的磁滯曲線(xiàn)，初、次級繞組均為100匝，測量頻率為60 Hz。為了作比較，圖3顯示了一個(gè)繞在由顆粒取向硅鋼片構成的環(huán)形磁芯上的100W電源變壓器的60 Hz磁滯曲線(xiàn)。環(huán)形磁芯較寬的回路表示更強的磁滯作用，這是飽和磁芯電源變換器要使用的特性。為了施加60 Hz激勵，可以用一個(gè)降壓（絕緣）變壓器驅動(dòng)器件的初級繞組，該降壓變壓器可用一個(gè)可調輸出自耦變壓器供電，如GenRad（www.ietlabs.com）的Variac。在獲得B-H曲線(xiàn)顯示時(shí)，逐漸增加初級電壓，直到磁滯回路的上、下部分平坦為止，此時(shí)表示進(jìn)入磁芯飽和。如果使用準確的話(huà)，不需要作校正。但在評估磁芯材料時(shí)，可能需要用不同匝數作試驗，從中獲得繞組的最佳安匝值。

　　在60Hz測試時(shí)，積分網(wǎng)絡(luò )中的 R₂使用267kΩ公差1%的電阻器，C₁使用1mF聚酯介質(zhì)電容器。根據匝數以及獲得有用輸出電壓所需電流，數伏的交流激勵電壓通常就足以完成測試。在較高頻率的磁芯測量中，將一個(gè)信號發(fā)生器連接到功率放大器上，并改變RC積分器中各元件的值，使之能在所需頻率下正常工作。雖然設備并未采用數據采集卡的模擬輸出，但這個(gè)輸出可以作為功率放大器的一個(gè)正弦信號源。

　　請檢查你準備使用采集卡的電氣規格，避免超出該卡的峰/峰差分電壓與共模輸入電壓。如果激勵電壓接近或超過(guò)卡的標稱(chēng)值，則要增加一個(gè)10:1的分壓器進(jìn)行限壓，并在軟件中增加一個(gè)因數為10的增益乘法器，以補償衰減器的損耗。