软磁材料交流磁特性自动测试系统的设计

实验题目：软磁材料交流磁特性自动测试系统的设计

课程简要信息

课程名称：电工学开放实验

课程学时：32学时

适用专业：电气工程专业

学生年级：本科生三、四年年级

实验内容与任务（限500字）

实验内容: 根据图1所示的系统框图，设计利用LabVIEW软件和硬件电路设计相结合的办法，设计并制作一套完整的软磁材料交流磁特性自动测试系统，完成至少一个测试案例的讨论与分析。

图1测试系统原理框图

基本任务：

1. 仿真分析：为了便于设计单匝励磁回路的结构，学习并掌握Ansoft Maxwell软件的使用方法，用Ansoft Maxwell软件对电压电流变换器转换出的励磁电流进行分析仿真和计算；

2. 硬件设计与制作：

• 装置与试样设计：

  • 根据仿真计算出的励磁电流，设计制作与功率匹配的电压电流变换器、励磁电流回路和无感取样电阻；

  • 选择被测软磁材料试样，测量尺寸并绕制测试线圈；

  • 设计装置的安装结构，加工各部分零件。

• 原理图和PCB制作：学习并掌握Altium Designer软件的使用方法，利用Altium Designer软件设计调理电路原理图和绘制PCB图；

• 硬件制作：根据设计好的PCB图印制电路板，并焊接好元件，与其他部件组装完成硬件实物的制作，完成的硬件结构如图2所示。

  1. 软件编程设计：学习并掌握LabVIEW软件的使用方法，利用LabVIEW软件设计编写系统测试软件，选取至少一种软磁材料构成测试系统，实现其交流磁特性和相关磁参数的测量；

图2 测试系统硬件结构图

2. 测试案例分析：在软磁材料交流磁特性自动测试系统设计制作完成的基础上，分析测试数据得出结论，形成测试报告。同时对整个实验过程中涉及的内容，撰写实验设计报告，制作PPT，进行总结答辩。

拓展任务：

1. 根据教师提供的程控电源，编写LabVIEW控制程序，构建自动测试系统；

2. 编程对采集的波形进行FFT变换，分析B和H路波形的谐波分量；

3. 通过软件计算，测量出软磁材料的铁损耗，获得材料的比铁损曲线。

实验过程及要求（限300字）

1. 根据教师提供的学习资料以及自己查找文献资料，自学Ansoft Maxwell软件仿真方法、Altium Designer软件的使用方法；

2. 通过查找文献了解工程背景，做好综述调研工作，熟悉实验原理，制定实验计划，进行开题汇报，向老师论证计划的可执行性；

3. 利用AnsoftMaxwell软件仿真分析电压电流变换器转换的励磁电流情况；

4. 利用Altium Designer软件设计调理电路原理图，绘制PCB图，完成布线和仿真；

5. 制作电流变换器，选取试样绕制测试线圈，设计加工安装零件，印制电路板，焊接元器件，组装磁特性测量测试系统的硬件部分；

6. 通过查找资料，自学LabVIEW设计测量软件的程序编写方法；

7. 利用LabVIEW软件设计磁特性测量测试系统软件；

8. 将软硬件结合，组合成软磁材料交流磁特性自动测试系统，选择一种材料进行测试，输出测试报告并进行分析；

9. 根据所有实验结果，按格式要求撰写实验报告，制作答辩展示PPT，参加演示答辩。

本实验因材施教，对普通本科生侧重基础任务的完成，针对能力较强本科生增加难度和要求予以考评。

相关知识及背景（限150字）

软磁材料例如各种交流电机、变压器、互感器、磁放大器等的铁芯，其交流磁特性的测量历来受到科研和工程人员的重视。这是一个将电工理论与工程应用软磁材料的磁特性测试相联系的典型案例，需要综合应用电工理论、工程仿真、测量技术、程序设计及误差处理等相关知识与技术方法。通过该实验项目，既检验了学生安培环路和电磁感应定理这些知识点的扎实程度，又使学生了解铁芯材料应用的背景知识，并涉及电气专业多项基础技能，使学生掌握了软磁材料交流磁特性，以及其比铁损特性的测试方法，有助于学生综合能力的提升。

5.教学目标与目的（限100字） {#教学目标与目的限100字}

通过软磁材料交流磁特性测试系统的设计，引导学生了解相关工程领域的问题，掌握Ansoft Maxwell软件、Altium Designer软件的使用方法，学会利用LabVIEW软件设计测量系统的编程方法，以及掌握电气专业实验基础操作技能。整个实验内容设置系统全面，可以锻炼学生的检索与查找文献资料的能力，提高学生分析解决问题和自主学习的能力，培养本科生对科学研究的兴趣，以及进行专题深入研究的能力。

6.教学设计与引导 {#教学设计与引导}

本实验设计是由具体的工程应用问题映射到实验教学环节中的一个项目，不仅要考虑两者之间转换的具体细节设计，还应尽量考虑本科生理论水平和实际能力，提供适当的资料和答疑帮助。整个实验过程历经资料检索、方案设计、硬件制作、软件设计、案例测试等环节，教师在掌握项目进展情况的同时，重点在对理论知识点映射工程应用、装置结构设计、调理电路原理图设计、PCB图绘制、硬件组装、测试案例等环节给予重点关注和引导，及时地答疑解惑。实验中指导具体应在以下几个方面体现：

1. 提供学习资料。教师介绍Ansoft Maxwell软件、Altium Designer软件，提供关于它们的学习资料，并引导学生自己查找资料和与实验题目相关的文献，完成背景调查和开题研究。

2. 软件设计指导。提供LabVIEW软件设计方法及在线学习视频资源，介绍软件设计和改进思路，对学生的创新设计进行及时考评予以反馈。

3. 硬件制作方面的指导。在电路板印制、焊接组装等环节指导和帮助学生，保证制作的成功率。

4. 案例测试指导。指导学生选择合适而且典型的材料进行测试分析。

5. 实验完成后，要求学生提交实验报告，并用PPT进行答辩汇报，锻炼学生撰写报告和演讲的能力。

在编写自动测试程序是，提醒学生注意程序的可读性和通用性，应考虑交互式界面设计的曲线显示形式和试样参数输入的形式，使得界面操作简单明了。另外，教师实验项目的自主拓展研究及时指导，评估可行性和测试效果。

7.实验原理及方案 {#实验原理及方案}

软磁材料交流磁特性自动测试系统的设计主要包括硬件和软件两个部分的设计，下面从这两个方面介绍实验原理及项目过程中遇到的关键问题。

7.1 测试系统原理

7.1.1 理论概述

动态磁性能测试的对象是矫顽力Hc低于120 A/m的软磁材料。在动态磁性能测量中，必须考虑频率、磁化时的波形、样品的规格尺寸、测量仪器和方法、测量顺序等对测量结果的影响。磁化条件下的动态磁参数几乎都是通过测量电学量和电参数由计算得到，其中很大一部分内容是交流磁参数，它们的定义最为明确。

在交流磁化条件下，由于磁场强度周期对称变化，所以磁感应强度B也随之反对称地变化，两者变化一周所构成的曲线称为交流磁滞回线，即B ~ H曲线。随着交流幅值磁场强度Hm变化，可以得到一簇大小不同的交流磁滞回线，这些磁滞回线顶点构成的轨迹就是交流磁化曲线，简称为Bm ~ Hm曲线。交流幅值磁场强度增大到饱和磁场强度Hs，磁滞回线面积不再增加，此时的回线称为极限磁滞回线。极限磁滞回线的退磁曲线与纵轴和横轴的交点值分别表示剩磁Br和矫顽力Hc。幅值磁导率可按公式（1）求得，由和Hm构成磁导率曲线，记为曲线。

（1）

7.1.2 测试原理

交流磁特性测试实验系统的原理框图如图2所示。图中磁化回路由程控低频交流电源、磁化线圈N1和无感取样电阻R组成，其中低频交流电源为闭合磁化线圈N1提供磁化电流，该电流经取样电阻转换为电压经放大后，进入数据采集卡的A/D端；测试线圈N2感应出的电压信号经积分、相移、放大后，同样送入采集卡A/D口。计算机系统对上述两路送入A/D口的信号进行采集、分析最终实现磁特性曲线及磁参数的测试和显示。以下对系统各部分的工作原理作详细介绍。

软磁材料样品中的磁场信号是通过系统中线圈N1、N2两路取出的。在磁化线圈N1中产生的磁场强度H为

（2）

式中：——测试样品的等效磁路长度(m)；——磁化线圈中的磁化电流(A)；N1——磁化线圈的匝数。

由式(2)可知，当样品的N1和不变时，磁化电流的大小与磁场强度H成正比。由于磁化线圈中串入取样电阻R，因此R两端的电压经放大后为：

（3）

式中：——H路的放大倍数。

由式(3)可知，与磁场强度H成正比关系。同理根据电磁感应定理，测试线圈N2两端感应到的电压为

（4）

式中：N2——测试线圈的匝数；S——试样的横截面积(m^2^)。

电压经积分、相位补偿和放大后为

（5）

式中：R1、C1——积分电路的电阻电容参数值；——B路的放大倍数。

由式（5）可知，与磁感应强度B成正比。因此，磁场强度H和磁感应强度B两路磁参量的测量，总的来说可归结为和信号的获取，将两路信号进行采集并分析处理，最终得到被测软磁材料的交流磁特性和相关磁参数。

计算机通过采集卡获取一个磁化周期内的H、B两路电压信号，即可得到一条磁滞回线B ~ H。从小到大改变交流电源信号的幅度，就可获得一簇磁滞回线，由各个磁滞回线的顶点Bm、Hm值，可得到交流磁化曲线Bm ~ Hm。当磁性材料达到饱和时，从饱和的磁滞回线上可以求出饱和磁感应强度Bs、饱和磁场强度Hs等常用磁参数。由磁化曲线及磁导率的定义可画出交流磁导率曲线，在该曲线上可求出初始磁导率和最大磁导率。

对于剩磁Br和矫顽力Hc的准确计算，可采用简单的线性插值法。从(Hm，Bm)点处沿着退磁曲线，找出H =0处相邻的两点坐标，即和且满足；同理，在B =0处找出相邻的两点坐标，即和且满足。根据公式（6）计算出剩磁Br和矫顽力Hc。

（6）

7.1.3 测量中应注意的问题

测量动态磁参数要特别注意测量条件的影响，下面讨论测量中试样尺寸要求和磁滞回线失真的问题。

1. 试样的尺寸要求

为了减少退磁场的影响，软磁材料磁特性测试中所用的样品一般采用闭合磁路，且截面为矩形的环状结构，如图3所示。其截面为矩形，外径为，内径为，环高为。为了保证圆环宽度上各处磁化场强度均匀，要求环形样品的尺寸应符合下式：

（7）

图3 软磁材料试样结构图

满足该条件时，圆环的平均直径取其内外径的平均值。如果不满足公式（7），则应该采用谐和直径Dh来代替平均直径以减小误差。谐和直径Dh的计算公式为

（8）

此时样品等效平均磁路长度为，可近似认为环形样品内存在着大小为B =μH的均匀磁场。

2. 讨论磁滞回线失真问题

测试系统中的积分器会带来相位误差，导致如图4所示的磁滞回线失真。如果B路信号相位滞后，则会出现图(a)所示的麻花状回线；如果B路信号相位超前，则会出现图(b)所示的圆滑尖部回线；图(c)所示是正常情况的磁滞回线。本测试系统在积分器输出端加一个阻容电路，通过调节电位器便可改善输出的磁滞回线形状。

图4 三种典型磁滞回线示意图

另外，较多的初级线圈也会增加匝间层间分布电容，使磁滞回线变形，因此要求测量时磁化线圈匝数尽量少，测试线圈绕制时最好使用漆包细线单层均匀紧密绕线。

7.2 测试系统硬件设计

完成设计后的实验硬件装置如图5所示，其结构包含电压电流变换器、样品线圈、取样电阻和调理放大电路四个部分，而低频交流功率源、数采卡和计算机外接。其中硬件装置的设计特点：

图5 测试系统硬件装置图

1. 电压电流变换器利用220V／1kW的调压器改装；

2. 被测的环形样品可以灵活地从磁化回路中取出，便于更换；

3. 调理放大电路和积分电路，可根据实际需要随时调整；

4. 串入磁化线圈中的大功率无感取样电阻（也称限流电阻）可以接插更换，其中取样电阻的选取应注意：

①其阻值大小决定了软磁材料样品能否达到饱和；

②电阻必须采用无感的非导磁材料。这里采用大功率可拆卸的水泥电阻代替了易发热的镍铬铝合金电阻；

③电阻接入电路的方式应采用四端接线法，以减小接线电阻和引线电阻的误差。

7.3 测试系统软件设计

软件部分采用虚拟仪器设计工具LabVIEW，根据硬件电路处理信号的原理将采集卡获取的电压信号还原为和，然后计算相关的交流磁参数并显示磁滞回线、磁化曲线和磁导率曲线。

为检验所设计的测试系统性能，我们选择某种环形软磁材料试样，绕制测试线圈进行了测试实验。案例选程控低频交流功率源作信号源，所取试样工作在低频环境中，选取H为正弦形。图6给出了学生设计的测试系统软件部分前面板，基于这些曲线即可获得各种磁参数。图7为不同频率下磁滞回线的测试结果。

图6 测试系统软件部分前面板

图7不同频率下的磁滞回线比较

另外，为了较好的实现电源电压连续调节，设计了手动/自动的切换模式，可在自动模式下均匀调节励磁大小，图8给出的是程控电源激励的自动控制程序框图。

图8 程控电源激励的自动控制程序框图

8.教学实施进程 {#教学实施进程}

实验教学安排进度如表1所示。

表1教学安排进度表

9.实验报告要求 {#实验报告要求}

结合本实验设计的实际情况，根据科技论文格式要求，设计报告应包含以下内容：

1. 摘要；

2. 绪论；

3. 测试系统设计要求；

4. 需求分析及系统设计方案；

5. 硬件电路设计；

6. 软件设计；

7. 测试案例分析；

8. 总结和展望；

9. 成本核算；

10. 参考文献。

报告中字体、图、表、参考文献等写作规范应参照西安交通大学本科生论文写作规范（范文模板由指导老师提供）。

10.考核要求与方法（限300字） {#考核要求与方法限300字}

为确保学生最终能够取得良好的实验结果，本实验共进行3次考核，贯穿于整个实验进行的过程之中。详细要求如下：

项目前期：

1. 开设例会提出项目要求；

2. 学生提交项目总体设计方案，进行开题答辩；

3. 考核项目方案的可行性、合理性、硬件及软件部分的正确性。

项目实施中：

1. 掌握进度，考核系统功能模块的完成程度，模块分调效果评价；

2. 过程分析与解决问题相结合，针对自主拓展部分内容进行单独考核。

项目完成后：

1. 考核验收系统中各模块的功能完整度，评价案例测试效果；

2. 检查论文是否符合格式要求，内容是否充实；

3. 答辩展示是否清楚。

11.项目特色或创新（可空缺，限150字） {#项目特色或创新可空缺限150字}

本实验教学项目具有如下特色：

1. 以工程为背景：以工程上使用的软磁材料交流磁特性测试，作为工程背景设计实验题目，有利于培养学生的工程思维。

2. 综合性：综合应用理论知识、工程仿真、测量技术及程序设计知识，展开了基础性和拓展性研究；

3. 系统性：本实验设计从项目的调研、论证、软硬件设计、案例测试全过程，涉及理论知识和动手操作十分广泛，培养了学生测试系统的构建和研发能力。

4. 开放性：针对本科生有不同层次要求，提升学生分步解决问题和模块化思维过程，激发了学生自主实践、自主设计和自主拓展的积极性。

5. PBL问题式实验教学：培养学生自我学习能力、独立工作能力及自主创新能力。

12.附录 {#附录}

关于本实验教学项目的效果说明：

1. 对于本科生，设立了与电磁场或电工学课程配套的开放实验项目，以兴趣为主导，有效地帮助学有余力且兴趣浓厚的学生，尽早参与到实验室的科研活动中。

2. 对于有深入研究目的学生，以开发远程测控实验室为目标，提高了编程要求，重在拓展部分的创新设计；经过一年左右的实践，95%的学生都在规定时间内完成了不同材料的特性比较，部分同学进入到更深入的专题研究。

3. 基于本实验项目，本科生完成一篇论文，已经被电气电子教学学报录用。

参考文献：

1. 周世昌.软磁铁氧体磁性测量技术及其发展[J]. 绵阳：磁性材料及器件. 1998(06): 20-23.

2. 孙晓华，任稳柱.基于虚拟仪器技术的磁特性自动测试仪的研制[J].西安：高压电器.2004(02): 101-103.

[2] 孙晓华，骆一萍，杨敏.虚拟交流磁测量实验的设计[J]. 北京.实验技术与管理. 2005(06): 70-73.

[3] 梅文余.动态磁性测量[M].机械工业出版社，北京：1985.

实验案例信息表