專利名稱：鐵磁材料磁滯回線的測量裝置及其應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了鐵磁材料磁滯回線的測量裝置及其應(yīng)用方法，屬于磁滯回線測量的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
“鐵磁材料磁化特性研究”是物理實(shí)驗中一個經(jīng)典的實(shí)驗項目，通過該實(shí)驗可了解到鐵磁質(zhì)在磁場中磁化原理與磁化規(guī)律，并可測定樣品的磁滯回線，確定其矯頑力、剩磁感應(yīng)強(qiáng)度、最大磁場、最大磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁滯損耗等重要的物理參數(shù)，認(rèn)識到鐵磁材料在制造永久磁鐵、電機(jī)、變壓器、電磁鐵等方面存在的重要實(shí)用價值?，F(xiàn)階段各高校實(shí)驗室使用的陳舊不變的實(shí)驗儀器存在數(shù)據(jù)單一、功能不足、老化損壞等種種缺陷，其手動或者半自動的方式已經(jīng)略顯繁瑣，自動化的程度很低，已經(jīng)滿足不了技術(shù)發(fā)展的要求。以南京航空航天大學(xué)物理實(shí)驗中心為例，在“鐵磁材料磁化特性研究實(shí)驗”中使用的磁滯回線測試儀是由杭州天皇電器設(shè)備廠生產(chǎn)的TH-MHC型磁滯回線實(shí)驗儀，該實(shí)驗儀采用機(jī)械旋鈕操作檔位的選擇，長時間使用后旋鈕會發(fā)生松動，可靠性很差，且機(jī)械旋鈕的檔位十分有限，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)單一、功能不足，無法得到精確的磁滯回線，且該儀器自投入使用至今已經(jīng)面臨老化損壞、更新?lián)Q代的局面。已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法適應(yīng)科技潮流和大學(xué)生實(shí)驗教學(xué)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述背景技術(shù)的不足，提供了鐵磁材料磁滯回線的測量裝置及其應(yīng)用方法。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案
鐵磁材料磁滯回線的測量裝置，包括勵磁電路、控制電路、
積分電路、采樣電阻電路、液晶顯示電路、按鍵檢測電路、示波器；其中
所述控制電路的輸入端與按鍵檢測電路的輸出端連接，第一輸出端與勵磁電路的第一輸入端連接，第二輸出端與采樣電阻電路的第一輸入端連接，第三輸出端與液晶顯示電路連接；
所述勵磁電路的第二輸入端接市電信號，輸出端與鐵磁材料初級線圈的一端連接；所述采樣電阻電路的第二輸入端與鐵磁材料初級線圈的另一端連接，輸出端與示波器的第一信號通道連接；
所述積分電路的正相輸入端、負(fù)相輸入端分別與鐵磁材料次級線圈的兩端連接，輸出端與示波器的第二信號通道連接。所述鐵磁材料磁滯回線的測量裝置中，勵磁電路包括變壓器、有源低通濾波器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路；其中所述變壓器與有源低通濾波器依次連接，所述有源低通濾波器的輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出端與功率放大電路的輸入端連接。
所述鐵磁材料磁滯回線的測量裝置中，按鍵檢測電路包括勵磁電壓增大按鍵、勵磁電壓減小按鍵、采樣電阻增大按鍵、采樣電阻減小按鍵、自動手動切換按鍵。所述鐵磁材料磁滯回線的測量裝置中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器選用了 DAC0832芯片，控制電路為AT89S52單片機(jī)及其外圍電路。所述鐵磁材料磁滯回線的測量裝置中，控制電路通過通信電路與上位機(jī)連接，所述控制電路將當(dāng)前時刻勵磁電壓數(shù)據(jù)、采樣電阻數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。所述鐵磁材料磁滯回線測量裝置的應(yīng)用方法，具體實(shí)施如下
步驟1，根據(jù)測量精度對控制電路的芯片編程設(shè)置勵磁電壓步進(jìn)值、采樣電阻步進(jìn)值，使得控制電路在按鍵檢測電路有按鍵按下時勵磁電壓、采樣電阻按照步進(jìn)值逐步增大或者減??；、 步驟2，將待測鐵磁材料初級線圈的兩端分別與功率放大電路的輸出端、采 樣電阻電路的輸入端連接，將待測鐵磁材料次級線圈與積分電路的輸入端連接；
步驟3，按下自動手動切換按鍵選擇測量方式當(dāng)選擇自動測量方式時，鐵磁材料磁滯回線測量裝置自動測量磁滯回線；當(dāng)選擇手動測量方式時，鐵磁材料磁滯回線測量裝置根據(jù)按鍵操作逐步生成磁滯回線；
步驟4，上位機(jī)通過通信模塊獲取勵磁電壓數(shù)據(jù)、勵磁電阻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對鐵磁材料的矯頑力、剩磁感應(yīng)強(qiáng)度、最大磁場、最大磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁滯損耗測量和分析。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果以程控方式代替原有的機(jī)械 式開關(guān)和手動旋鈕式開關(guān)控制方式，解決了旋鈕開關(guān)觸點(diǎn)容易接觸不良、檔位容易松
動等缺點(diǎn)，使用該發(fā)明研制的實(shí)驗儀器可提升實(shí)驗設(shè)備的可靠性與使用壽命；程控的方式使勵磁電壓的步進(jìn)值小，勵磁電壓檔位多，測量精度更高，實(shí)用性與準(zhǔn)確性更好。


圖I為鐵磁材料磁滯回線測量裝置的模塊圖。圖2為有源低通濾波器的電路圖。圖3為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的電路圖。圖4為功率放大電路的電路圖。圖5為采樣電阻電路的電路圖。圖6為鐵磁材料磁滯回線測量裝置的工作流程示意圖。圖中標(biāo)號說明R1至R31為第一至第三^^一電阻，Cl至C6為第一至第六電容，U1、U2、U4均為LM741運(yùn)算放大器，U3為DAC0832芯片，U5、U6均為CD4051芯片，Dl、D2為第
一、二二極管，Ql至Q9為第一至第九三極管，Tl為變壓器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明
鐵磁材料磁滯回線的測量裝置如圖I所示，包括勵磁電路、控制電路、積分電路、采樣電阻電路、液晶顯示電路、按鍵檢測電路?？刂齐娐返妮斎攵伺c按鍵檢測電路的輸出端連接，第一輸出端與勵磁電路的第一輸入端連接，第二輸出端與米樣電阻電路的第一輸入端連接，第三輸出端與液晶顯示電路連接；勵磁電路的第二輸入端接市電信號，輸出端與鐵磁材料初級線圈的一端連接；采樣電阻電路的第二輸入端與鐵磁材料初級線圈的另一端連接，輸出端與示波器的第一信號通道連接；積分電路的正相輸入端、負(fù)相輸入端分別與鐵磁材料次級線圈的兩端連接，輸出端與示波器的第二信號通道連接。勵磁電路包括變壓器、有源低通濾波器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路。變壓器與有源低通濾波器依次連接，有源低通濾波器的輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出端與功率放大電路的輸入端連接。有源低通濾波器的電路圖如圖2所示，電阻1 1、1 2、1 3、1 4和電容02、03以及運(yùn)算放大器Ul組成低通濾波電路，220V、50Hz的交流電經(jīng)過降壓變壓器Tl后經(jīng)過該低通濾波器，濾除波形中的高次諧波，獲得電壓幅值為5V左右的純凈的正弦波。C1、C4為分壓電容。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的電路圖如圖3所示，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832，電阻R6、R7、R8和運(yùn)算放大器U2組成了數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，DAC0832采用直通的接法，即控制腳CS、XFER、WR1、WR2接低電平，ILE接高電平。運(yùn)放UA741起到將DAC0832電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出的作用。數(shù) 據(jù)線DO D7接AT89S52單片機(jī)的Pl 口，通過改變單片機(jī)Pl 口的輸出的八位數(shù)字量，就可以改變輸出電壓幅值的大小，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)化。功率放大電路的電路圖如圖4所示，U4的輸入端與U3的輸出端連接，三極管構(gòu)建的功率放大電路采用三級結(jié)構(gòu)，由R9、R10、R11、R12、D1、D2、Q1、Q5組成的第一級采用了可消除交越失真的OCL (無輸出電容功率放大電路)電路，當(dāng)電路處于靜態(tài)時，D1，D2的導(dǎo)通壓降略大于Ql和Q5發(fā)射結(jié)開啟電壓之和，從而使兩只管子處于微導(dǎo)通狀態(tài)，都有一個極小的基極電流，這樣，即使輸入電壓很小，總能保證至少一只晶體管導(dǎo)通，從而消除了交越失真。后兩級均采用基本的OCL電路，其中最后一級由兩組并聯(lián)分流。采樣電阻電路的電路圖如圖5所示，U5、U6公共端相連，控制線A、B、C相連后分別接單片機(jī)P2. 0、P2. 1、P2. 2 口，U5的INH端接P2. 3 口，再經(jīng)過一個三極管Q9構(gòu)成的反向器接到U6的INH端。通過控制P2. 0 - P2. 3 口的輸出量可以控制采樣電阻的大小，芯片供電VCC = +5V,GND = 0,VEE = -12V，則0 5V的數(shù)字信號可控制-12V 5V的模擬信號。采樣電阻電路中通過電子模擬開關(guān)的動作接入的電阻即為勵磁電阻。控制電路選用了 AT89S52單片機(jī)，單片機(jī)的晶振端口接晶振電路，復(fù)位端口接復(fù)位電路，PO 口與液晶顯示電路的輸入端連接，Pl 口接數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸入端，P2. O、P2. I、P2. 2、P2. 3分別與采樣電阻電路的控制線連接，P2. 4、P2. 5、P2. 6分別與液晶顯示電路的工作模式控制端連接?？刂齐娐返墓ぷ髁鞒倘鐖D6所示，當(dāng)有按鍵按下時，單片機(jī)首先會檢測按鍵值，判斷是自動/手動切換鍵按下還是電壓或者電阻的大小控制鍵被按下。如果檢測得到電壓大小控制鍵被按下，那么與DAC0832數(shù)字量輸入端相連的Pl 口，將輸出相應(yīng)的數(shù)字量，從而控制DAC0832轉(zhuǎn)換得到的模擬量，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電壓的增大或者減小。如果檢測得到電阻大小的控制鍵被按下，那么與模擬電子開關(guān)相連的P2. 0 P2. 3 口，將輸出相應(yīng)的數(shù)字量，從而控制模擬開關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)采樣電阻的增大或減小。如果檢測得到的是自動/手動按鍵被按下，那么系統(tǒng)將在單片機(jī)的控制下進(jìn)行電阻和電壓依次循環(huán)變化的自動演示過程，直至有鍵被按下為止。通信接口部分主要由MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片和四個電容組成，實(shí)現(xiàn)232串行通信中電平邏輯與TTL電平的兼容和通信數(shù)據(jù)的傳輸。可以與上位機(jī)和其它相關(guān)設(shè)備聯(lián)機(jī)測試，實(shí)現(xiàn)對鐵磁材料的矯頑力、剩磁感應(yīng)強(qiáng)度、最大磁場、最大磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁滯損耗等重要的物理參數(shù)的自動測量。通過以上電路組成的鐵磁材料磁滯回線測量裝置(以下簡稱測量裝置)，借助示波器、上位機(jī)等設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)一種鐵磁材料磁滯回線的測量方法，包括如下步驟
步驟1，根據(jù)測量精度對AT89S52編程設(shè)置勵磁電壓步進(jìn)值、采樣電阻步進(jìn)值，使得控制電路在按鍵檢測電路有按鍵按下時勵磁電壓、采樣電阻按照步進(jìn)值逐步增大或者減小。設(shè)置手動測量方式下勵磁電壓的步進(jìn)值為0. IV，采樣電阻的步進(jìn)值為
0.5Q。設(shè)置自動測量方式下勵磁電壓的步進(jìn)值為0. 02V，采樣電阻的步進(jìn)值為0. 5Q。步驟2，按照附圖I所示，將包含待測量的鐵磁材料樣品的測量裝置的樣品初級電壓信號&和樣品次級電壓信號Ub分別接入雙蹤示波器的X和Y輸入端，示波器選擇在X-Y工作方式，打開示波器，后打開測量裝置的電源開關(guān)。 接通電源后，示波器上就會顯示顯示鐵磁性材料的磁滯回線。整套裝置在初始化時默認(rèn)的工作方式為手動測量，默認(rèn)的勵磁電壓為2. 5V、采樣電阻為2. 5Q。此時通過調(diào)節(jié)測量裝置上按鍵可以調(diào)節(jié)測量裝置電路中采樣電阻和勵磁電壓的大小，相應(yīng)地，示波器上顯示的磁滯回線也會相應(yīng)的變大或變小。在勵磁電阻不變的條件下按勵磁電壓值增大按鍵，手動測量待測鐵磁材料的磁滯回線；當(dāng)勵磁電壓達(dá)到最大值后再按勵磁電壓值減小按鍵繼續(xù)測量待測鐵磁材料的磁滯回線。在勵磁電路不變的條件下按采樣電阻值增大按鍵，手動測量待測鐵磁材料的磁滯回線；當(dāng)采樣電阻達(dá)到最大值后再按采樣電阻值減小按鍵繼續(xù)測量待測鐵磁材料的磁滯回線。步驟3，按下測量裝置上的手動/自動切換鍵，此時測量裝置將進(jìn)入自動測量狀態(tài)，自動測量的過程是一個循環(huán)變化的形式，變化時，從初始化位置開始，按照勵磁電阻不變、勵磁電壓以0. 02V的步進(jìn)值先增加到5. OV再減小到OV再增加到2. 5V，然后再按照勵磁電壓不變，勵磁電阻以每0.5 Q步進(jìn)值先增加到5. OQ后減小到OQ在增加到5. OQ的方式對磁滯回線進(jìn)行循環(huán)測量，直到自動/手動鍵被按下。步驟4，通過測量裝置的聯(lián)機(jī)通信功能，實(shí)現(xiàn)對鐵磁材料樣品的物理參數(shù)的測量與分析。將測量裝置與上位機(jī)通過RS232串口相連接，實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)測試，測量裝置將采樣電阻和勵磁電壓等數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，可以實(shí)現(xiàn)對鐵磁材料的矯頑力、剩磁感應(yīng)強(qiáng)度、最大磁場、最大磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁滯損耗等重要的物理參數(shù)的測量和分析。綜上所述整個測量過程以程序和按鍵控制的方式代替了原有測量裝置的旋鈕式開關(guān)來調(diào)節(jié)電壓和電阻的大小，解決了旋鈕開關(guān)觸點(diǎn)容易接觸不良、檔位容易松動等缺點(diǎn)，測量裝置的可靠性與使用壽命得到大大提高；程序控制的方式使勵磁電壓的電壓檔位大大提高，從原有的IV或0. 5V提高到0. 02V,測量精度更高，實(shí)用性與準(zhǔn)確性更好，整個測量過程有液晶顯示器清晰實(shí)時地顯示儀器當(dāng)前的勵磁電壓和采樣電阻的值，具有良好的人機(jī)交互功能。
權(quán)利要求
1.鐵磁材料磁滯回線的測量裝置，其特征在于包括勵磁電路、控制電路、 積分電路、采樣電阻電路、液晶顯示電路、按鍵檢測電路、示波器；其中 所述控制電路的輸入端與按鍵檢測電路的輸出端連接，第一輸出端與勵磁電路的第一輸入端連接，第二輸出端與采樣電阻電路的第一輸入端連接，第三輸出端與液晶顯示電路連接； 所述勵磁電路的第二輸入端接市電信號，輸出端與鐵磁材料初級線圈的一端連接；所述采樣電阻電路的第二輸入端與鐵磁材料初級線圈的另一端連接，輸出端與示波器的第一信號通道連接； 所述積分電路的正相輸入端、負(fù)相輸入端分別與鐵磁材料次級線圈的兩端連接，輸出端與示波器的第二信號通道連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鐵磁材料磁滯回線的測量裝置，其特征在于所述勵磁電路包括變壓器、有源低通濾波器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路；其中所述變壓器與有源低通濾波器依次連接，所述有源低通濾波器的輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出端與功率放大電路的輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鐵磁材料磁滯回線的測量裝置，其特征在于所述按鍵檢測電路包括勵磁電壓增大按鍵、勵磁電壓減小按鍵、采樣電阻增大按鍵、采樣電阻減小按鍵、自動手動切換按鍵。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鐵磁材料磁滯回線的測量裝置，其特征在于所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器選用了 DAC0832芯片，控制電路為AT89S52單片機(jī)及其外圍電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鐵磁材料磁滯回線的測量裝置，其特征在于所述控制電路通過通信電路與上位機(jī)連接，所述控制電路將當(dāng)前時刻勵磁電壓數(shù)據(jù)、采樣電阻數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。
6.如權(quán)利要求I所述的鐵磁材料磁滯回線測量裝置的應(yīng)用方法，其特征在于具體實(shí)施如下 步驟1，根據(jù)測量精度對控制電路的芯片編程設(shè)置勵磁電壓步進(jìn)值、采樣電阻步進(jìn)值，使得控制電路在按鍵檢測電路有按鍵按下時勵磁電壓、采樣電阻按照步進(jìn)值逐步增大或者減??； 步驟2，將待測鐵磁材料初級線圈的兩端分別與功率放大電路的輸出端、采 樣電阻電路的輸入端連接，將待測鐵磁材料次級線圈與積分電路的輸入端連接； 步驟3，按下自動手動切換按鍵選擇測量方式當(dāng)選擇自動測量方式時，鐵磁材料磁滯回線測量裝置自動測量磁滯回線；當(dāng)選擇手動測量方式時，鐵磁材料磁滯回線測量裝置根據(jù)按鍵操作逐步生成磁滯回線； 步驟4，上位機(jī)通過通信模塊獲取勵磁電壓數(shù)據(jù)、勵磁電阻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對鐵磁材料的矯頑力、剩磁感應(yīng)強(qiáng)度、最大磁場、最大磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁滯損耗測量和分析。
全文摘要
本發(fā)明公開了鐵磁材料磁滯回線的測量裝置及其應(yīng)用方法。所述鐵磁材料磁滯回線的測量裝置包括勵磁電路、控制電路、積分電路、采樣電阻電路、液晶顯示電路、按鍵檢測電路、示波器。所述方法中，通過單片機(jī)編程設(shè)置勵磁電壓、勵磁電阻的步進(jìn)值，示波器顯示測量的磁滯回線，上位機(jī)根據(jù)磁滯回線測量分析鐵磁材料的矯頑力、剩磁感應(yīng)強(qiáng)度、最大磁場、最大磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁滯損耗。本發(fā)明以程控方式代替原有的機(jī)械式開關(guān)和手動旋鈕式開關(guān)控制方式，解決了旋鈕開關(guān)觸點(diǎn)容易接觸不良、檔位容易松動等缺點(diǎn)，使用該發(fā)明研制的實(shí)驗儀器可提升實(shí)驗設(shè)備的可靠性與使用壽命；程控的方式使勵磁電壓的步進(jìn)值小，勵磁電壓檔位多，測量精度更高，實(shí)用性與準(zhǔn)確性好。
文檔編號G01R33/14GK102721939SQ20121021175
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月26日
發(fā)明者孫立, 曾慶化, 朱彥菘, 趙繼 申請人:南京航空航天大學(xué)