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數(shù)字示波器和寬帶功率放大器構(gòu)成的磁化曲線 BH 分析儀
閱讀：1780 發(fā)布時間：2020-4-131 軟磁材料的測量
磁性元件變壓器和電感在開關(guān)電源和其他的電子設備里面大量使用。磁性元件主要由采用軟磁材料的磁芯和線圈構(gòu)成。軟磁材料的性能決定了變壓器和電感的性能。目前常用的電 橋只能測量在小信號下的磁性元件的性能：電感量和 Q 值，不能直接反映磁性元件所用的 磁性材料的真實性能。
目前能夠測試磁性材料的全面參數(shù)的儀器只有磁化曲線BH 分析儀。
BH 分析儀可以測試軟磁材料在磁化過程中磁感強度B 與磁場強度H 之間關(guān)系的一系列BH 曲線。通過分析這些曲線，可以得到磁性材料在不同的激勵頻率下的磁參數(shù)Bm,Hm,Br,Hc, 初始磁導率 ，磁芯損耗Pc，如下圖
圖 1 BH 曲線
BH 分析儀是一種昂貴的精密儀器，價格高達數(shù)十萬元人民幣。一般的企業(yè)、大學和研 究機構(gòu)很少擁有BH 分析儀。儀器的缺乏使得這些單位對磁性元件的研究和教學工作停留在 書本上的知識，或者用電橋進行簡單的測試。
因此本文介紹的一種低成本的BH 分析儀具有很大的實用價值。
2 數(shù)字示波器和寬帶功率放大器構(gòu)成的磁化曲線 BH 分析儀
BH 分析儀是由激勵信號源，寬帶功率功率放大器，被測磁性元件的電壓和電流信號處 理電路，對應的 AD 采樣和軟件處理模塊構(gòu)成。
由于目前數(shù)字示波器的功能和價格已經(jīng)非常*，我們不但可以利用它來實現(xiàn)AD 采樣， 而且也可以使用數(shù)字示波器內(nèi)部帶有的信號源作為激勵信號源。這樣構(gòu)成一套 BH 分析儀變得很簡單，只有外加一臺寬帶功率放大器，被測磁性元件的電壓和電流信號處理電路和軟件處理用PC 即可。如圖2 所示的框圖
圖 2 BH 分析儀框圖
圖3 BH 分析儀實物構(gòu)成圖
圖 3 是實物圖中，兩通道數(shù)字示波器我們選擇了美國是德(KEYSIGHT)公司的 DSOX1102G，這是一款入門級的示波器，面板上還有一個輸出口可以產(chǎn)生20M 的正弦波信號，正好作為激勵信號源。
由于BH 分析儀測試磁化曲線時，磁性元件需要用高頻大電流進行激勵才能達到真實的工作條件，所以對寬帶功率放大器的功率帶寬和輸出電壓電流能力要求很高。寬帶功率放大器我們選擇了知用(CYBERTEK)公司的PA3018 功率放大器。它的*輸出能力是260VA，功率帶寬高達1M，非常適合用來推動磁性元件的測試。
被測的磁性元件一般做成一個環(huán)形磁芯試樣。在磁芯上我們繞兩組線圈，分別是原邊和付邊。兩個線圈連接到測試工裝的4 個接線柱上。被測磁性元件的原邊電流 I 和付邊電壓信號U 使用差分放大后輸出到兩通道數(shù)字示波器。
參考示波器廠家提供的編程手冊,編寫程序通過 USB 接口從示波器讀取波形數(shù)據(jù)。然后根據(jù)數(shù)學公式，輸入被測磁環(huán)的物理參數(shù)，轉(zhuǎn)換成BH 曲線。
工作的時候，只要調(diào)整信號源的頻率和幅值，就可以控制曲線的B 和H 的*值，并進一步計算磁環(huán)的損耗等指標。
3 BH 曲線的計算公式
我們設被測磁環(huán)的原邊匝數(shù) N1,電流 i1，付邊匝數(shù)N2，電流i2
那么H= N1*i1*/L，其中 N1 是輸入線圈的匝數(shù);i1 是輸入線圈的電流，單位是 A;L 是被測磁環(huán)的平均磁路長度，單位是 m;H 的單位是A/m。
其中 S 是被測磁環(huán)的截面積，單位是m2;N2 是輸出線圈的匝數(shù);U2 是輸出線圈兩端的電壓，單位是V;B 的單位是T。
Bm是*磁通密度，單位是T;Hm 是*磁場強度，單位是 A/m。
其中μ0是真空磁導率, μ0= 4πx10-7 亨利/米。μa 是初始磁導率。
其中Pc是磁芯損耗，單位是W。
其中 是i1RMS的i1有效值， U2RMS是U2的有效值，VA 是視在功率，單位是 VA
其中θ是相位角，單位是度。
4 測試結(jié)果
為了驗證本設計的測試精度，我們采用相同的試樣和測試條件，對比本設計和日本IWATSU SY-8232 型BH 分析儀的測試結(jié)果。
5 方案的優(yōu)缺點：
(1)性價比很高，也能夠達到一定測試精度。
(2)示波器采樣數(shù)據(jù)是8 位的。在沒有標定的前提下，*終數(shù)據(jù)的誤差大約是5%以內(nèi)，對于一般的應用應該足夠了。
(3)受限于硬件條件，相位精度不夠高。當頻率比較高的時候(比如超過200KHz)，或者磁環(huán)的相位角θ接近 90 度的時候，用這種方法計算的損耗誤差相對比較大。