一种磁滞回线数据自动采集的实验方法

樊慧敏， 陈建军， 段颖妮， 刘雅楠

（新疆医科大学医学工程技术学院，乌鲁木齐830011）

0 引 言

磁滞回线是描绘铁磁性材料磁化性质的重要曲线［1-2］，也是制造选择铁磁材料的重要依据，在工程领域有着重要的应用［3-4］。在实验中通常采用两种方法来采集磁滞回线的数据，一种方法是采用智能磁滞回线测试仪［5］，另外一种就是示波器方法［6-7］。智能磁滞回线测试仪可以逐点测量磁滞回线的数据，然后通过软件绘制出相应的磁滞回线；示波器可以将外加磁场信号（H）和磁感应强度信号（B）分别采集到示波器中，通过利萨如图形合成的方法来绘制磁滞回线。［8］智能磁滞回线测试仪的优点是能够准确地了解磁化特性中的细节，但是测量起来比较费时，需要逐点采集数据，只有在数据测量完成绘制成图形后才能确定铁磁材料的基本性质［5，9］；而示波器可以直观地观测磁滞回线［10］，也可以比较方便地观测多种参数下磁化曲线的变化，但是数据的细节不能通过示波器显示出来［11］。示波器的出现和发展使得磁滞回线数据的快速测量变成了现实。本文基于磁滞回线测量的基本原理，采用示波器的方法，利用LabVIEW程序和USB 接口技术，实现磁滞回线数据在PC 机上的自动采集和处理。

1 实验原理及装置

如图1（a）所示，实验装置主要由四通道数据存储示波器（TDS-2004B）、磁滞回线实验仪（TH-MHC）和PC机组成。磁滞回线实验仪通过两个同轴电缆将信号传输给示波器，示波器与PC 机可以用USB 和LabVIEW程序实现数据交互。实验操作简单易行，数据准确，而且可系统地研究磁滞回线特性。示波器测量B-H曲线的实验线路如图1（b）所示。本实验研究的铁磁物质为环型矽钢片，N1为励磁绕组的匝数，N2为用来测量磁感应强度B 而设置的绕组的匝数，称为测量绕组，R1为励磁电流取样电阻。设通过N1的交流励磁电流为i1，根据安培环路定律［12-13］：

式中：L 为样品的平均磁路长度。N1、R1均为已知常数，所以由取样电阻R1上电压u1可确定磁场强度H的值。

根据法拉第电磁感应定律，由于样品中的磁通φ的变化，在测量线圈中产生的感生电动势的大小为：

式中：S为样品磁路（铁芯）的截面积；i2为感生电流；u2为电容C2两端电压。因C2、R2、N2和S 均为已知常数。故可以通过测量电容两端电压u2确定磁感应强度B。因此如图1（b）中的u1（uH）和u2（uB）分别接到示波器的“CH1 X”和“CH2 Y”便可观察样品的动态磁滞回线。

2 程序设计

2.1 示波器与PC机交互技术

实验中，四通道示波器可以通过前面板USB 端口与PC机无缝连接，从而实现实验测量数据的交互和存储。示波器与PC 机的交互主要靠LabVIEW 中LC9420波形读取编译模块实现的，该模块能够实现从示波器上读取数据的功能，并将其编译成字符串数据。在图2 中，VISA resource name 模块代表的就是实验中的数据源（示波器的信号），LC9420 模块就是将示波器信号转化为字符串数据。程序设计中可以选择信号源的传输通道和采集数据点的总量。同时数据的读取还需要在程序中设置示波器的读取源代码，这些源代码由示波器制造商提供，虽然这些代码是按国际标准制定的，但是不同的厂家给出的代码稍有不同。

图1 磁滞回线实验测量装置实物图和原理图

2.2 数据分析和编译

事实上，通过LC9420 模块读取的字符串数据不能在虚拟的波形显示模块上显示，必须将其转化为二进制或者十进制的数字才能显示。因此首先必须对这些字符串数据进行编译。这是LC9420 模块的另一个功能。字符串数据要写入PC 机的缓存中，然后根据需要读取一定数量的数据，再通过扫描字符串子模块将字符串转化为二进制或十进制数据。为了节省PC机的内存，程序还将这些数据压缩成簇［14］，整个过程如图3 所示。

实验中另一个目标是测量结果的可视化和实时性，程序前面板能够显示出与示波器信号一致的图样，这就要求对数据进行实时显示。簇数据不能直接由虚拟波形显示器显示出来，必须通过一个波形分析子模块实现此转换。另外簇数据转换时要有原来的字符串数据作为参考，并且在存储单元中形成一一对应关系。在波形分析时需要再次从信号源中读出一组字符串数据与之对应，如图4 所示。图中用红色方框标记的就是波形分析子模块。经过该模块的处理，簇数据变成了十进制的信号数据，这样数据就能在程序的虚拟波形显示器上显示，最终达到实时监控信号的目标。

图2 示波器数据交互模块

图3 LC9420数字转换模块

图4 LC9420波形编译模块

2.3 数据处理和保存

数据处理过程就是去除噪声，优化显示图形的质量，提高测量精度。数据处理分为两步。首先用滤波器对采集到的信号进行滤波处理，采用的是带通滤波方式［15］。由于信号源的频率为50 Hz，将带通频率设置为40 ～60 Hz。通过带通滤波可以将其他波段的噪声全部滤除。滤波后将信号分别传输给图像显示模块的X-Y通道，这样图像显示模块就能将两路信号进行合成利萨如图形，即B-H磁滞回线。但是信号只通过滤波器处理，噪声信号依然较大，图像质量并不理想。

为了进一步提高图像质量，本实验选用一种简单有效的方法——多次采集数据相加再取平均值。实验中通常是100 次数据采集的平均值，但本实验不是直接将数据采集100 次进行平均，这样会等待较长时间后才能看到测量结果。如果测量结果不理想，这段时间就被浪费。因此，数据测量过程中，采用的方法是先取2 次测量平均值，然后再进行累加，这样的话如果出现外界信号干扰，就可以及时停止数据采集。方法是将实时数据存入一个数组中，用一个For 循环对数据进行累加，实时数据是通过数组的局部变量传输的，这样平均的次数会以2 为等差数列进行累加，最终获得的信号是100 多次的平均值。噪声信号的随机性使得这种信号处理方法非常有用。图5 所示为数据处理模块。

LabVIEW程序平台还提供较为直观方便的数据保存模块［16］。本实验首先利用局部变量将两路数据传输给一个二维数组，二维数组直接与一个电子表格文件模块相连，电子表格模块可以设置数据的bit 数，并且可以根据需求对其命名。电子表格模块还可以设置存储路径，使用极其方便快捷。另外，数据采集操作非常简单，程序的前面板如图6 所示。数据采集时，只要用鼠标单击一下运行箭头（红色方框标记），数据采集完成单击一下“STOP”按钮，并根据需要给数据文件命名即可完成测量。

图5 磁滞回线数据处理模块

3 实验数据测量和分析

本文主要做了3 个方面的测量，即R1的选择对铁磁物质磁滞回线特性的影响、磁化和退磁过程中磁滞回线的特征和异同。

3.1 R1 的选择对铁磁物质磁滞回线特性的影响

该实验测量过程外加电压设置为2.2 V，对应R1的选择分别为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 和5 Ω，相应的实验结果如图7 所示。

图7 磁滞回线图像随取样电阻R1 的变化

从图7 可获得以下信息：

（1）由图可见，所有的磁滞回线交于两点，分别对应于剩磁Br和-Br，说明剩磁是材料的固有属性，不随着取样电阻的变化而变化；

（2）发生磁饱和现象时，饱和磁感应强度Bm的值趋于一个确定的值，这一点也显示出磁饱和时，磁感应强度是一个与铁磁材料自身特性有关的物理量；

（3）取样电阻越小，磁性物质越容易达到磁饱和状态；

（4）取样电阻越小，磁体的磁能密度越小，因此在交变磁场中，取样电阻越大励磁和去磁消耗的能量越大；

（5）取样电阻越小，磁导率μ ＝B／H变化越快。

3.2 励磁和退磁过程

在励磁和退磁过程中，取样电阻R1的值均设置为2.5 Ω，电压分别为0.5、1.0、1.2、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8 和3.0 V。由图8 可知，励磁和退磁虽然是互逆的过程，但是磁滞回线既有相同点，也有不同之处。

图8 励磁和退磁过程中磁滞回线

（1）不管是励磁过程还是退磁过程，磁滞回线的变化都是随外加电压的增大而变大；

（2）磁滞回线所围成的面积随外加电压增大而增大，最终趋于一个最大值。这说明磁性材料能够存储的能量是由材料的自身性质决定的；

（3）退磁过程中磁场强度和磁感应强度的值变化都要高于励磁过程中相应的值；

（4）在电压为2.0 V以下时，磁滞回线的变化非常小，退磁和励磁的测量结果几乎相同，可以断定退磁和励磁过程中，磁性曲线的变化对励磁和退磁的特性有重要影响。

4 结 语

鉴于磁滞回线在工程实践过程中的重要性，一种快速、有效、精确地测量磁滞回线实验数据的方法具有很好的实用价值。根据所测的磁滞回线可以很快了解磁性材料的特征，并由此辨别软磁材料、硬磁材料以及矩磁材料，这些将成为设计电磁机构和仪表的重要依据之一。