确定磁芯B-H回路特性的虚拟仪器

    在设计含磁芯材料的电感元件时,工程师必须准确测出该材料的特性。磁芯的动态磁滞回路（或B-H曲线）包含了有关磁芯损耗和其它磁参数的有价值信息。不幸的是,商用的磁回路分析仪都很昂贵,不适合小规模研究实验室和制造商使用。本设计实例描述了一个虚拟仪器,它采用一台台式或笔记本计算机,结合一个模拟数据采集卡和National Instruments（www.ni.com）的LabView软件（7.1版以上）。

　　在设计含磁芯材料的电感元件时,工程师必须准确测出该材料的特性。磁芯的动态磁滞回路（或B-H曲线）包含了有关磁芯损耗和其它磁参数的有价值信息。不幸的是,商用的磁回路分析仪都很昂贵,不适合小规模研究实验室和制造商使用。本设计实例描述了一个虚拟仪器,它采用一台台式或笔记本计算机,结合一个模拟数据采集卡和National Instruments（www.ni.com）的LabView软件（7.1版以上）。使用时,软件提取B-H回路信息、磁芯损耗以及其它磁性参数,测量费用可以接受。

　　图1显示的是一个磁芯器件的测试装备。器件T₁包括一个磁芯材料样品和两个匝数相等的绕组。一只精密电流检测电阻器R₁用作激励电流的采样,该电流在磁芯中产生磁场。R₁上的电压降与激励电流和磁场H成正比。由电阻器R₂和电容器C₁组成的网络对二次绕组中产生的电压作积分。C₁上电压与磁芯中的磁通密度B成正比。实际上,R₂的值应比工作频率下电容器C₁的阻抗大得多。（根据教科书对电路的说明,建议两者的比率为100:1。）

　　元件的公差和特性都会影响测量的精度。R₁要使用无感、额定功率合适、1%公差的1Ω电阻;C₁要选用低泄漏、低介质吸收、聚酯或聚丙烯薄膜电容,公差要严格。数据的获取和查看使用由National Instruments 的PCI-6024E数据采集卡和LabView构成的专用虚拟仪器。软件使用了NI公司的Express VI（虚拟仪器）技术,极大地简化了用户设计数据的采集与处理工作。该应用程序只使用两个数据采集模拟输入通道：Channel 0采集磁场读数（H）,并以每米安匝的单位显示在x-y图的x轴上,而Channel 1则捕捉磁通密度B,以特斯拉(tesla)单位显示在y轴上。

　　在低频下,磁芯的磁滞损耗占主要地位,而在较高频率下,涡流损耗则更加明显。用瓦特表型算法可以计算出磁芯损耗,但也可将自己的算术表达式写入VI块图的公式结点作替换。LabView还可以保存数据,并将结果输出成微软Excel数据表格式,或输出到其它程序中作进一步分析。

　　你可以用数据采集卡的八个差分模拟输入通道的其它部分判定电感值。此时,要测量器件初级绕组上的电压,并计算它的均方根值。电压与通过R₁测得的均方根电流的比值就确定了绕组标量阻抗值X_L的大小。然后,可以用下列公式计算出电感量：L=X_L/2πf,其中,f表示所施加激励电压的频率。

　　图2是一个3B7混合型铁氧体磁芯的磁滞曲线,初、次级绕组均为100匝,测量频率为60 Hz。为了作比较,图3显示了一个绕在由颗粒取向硅钢片构成的环形磁芯上的100W电源变压器的60 Hz磁滞曲线。环形磁芯较宽的回路表示更强的磁滞作用,这是饱和磁芯电源变换器要使用的特性。为了施加60 Hz激励,可以用一个降压（绝缘）变压器驱动器件的初级绕组,该降压变压器可用一个可调输出自耦变压器供电,如GenRad（www.ietlabs.com）的Variac。在获得B-H曲线显示时,逐渐增加初级电压,直到磁滞回路的上、下部分平坦为止,此时表示进入磁芯饱和。如果使用准确的话,不需要作校正。但在评估磁芯材料时,可能需要用不同匝数作试验,从中获得绕组的最佳安匝值。

　　在60Hz测试时,积分网络中的 R₂使用267kΩ公差1%的电阻器,C₁使用1mF聚酯介质电容器。根据匝数以及获得有用输出电压所需电流,数伏的交流激励电压通常就足以完成测试。在较高频率的磁芯测量中,将一个信号发生器连接到功率放大器上,并改变RC积分器中各元件的值,使之能在所需频率下正常工作。虽然设备并未采用数据采集卡的模拟输出,但这个输出可以作为功率放大器的一个正弦信号源。

　　请检查你准备使用采集卡的电气规格,避免超出该卡的峰/峰差分电压与共模输入电压。如果激励电压接近或超过卡的标称值,则要增加一个10:1的分压器进行限压,并在软件中增加一个因数为10的增益乘法器,以补偿衰减器的损耗。