1 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(shè)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(shí)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(qiáng)度B 與磁場強(qiáng)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(lì)頻率下的磁參數(shù)Bm,Hm,Br,Hc, 初始磁導(dǎo)率 ，磁芯損耗Pc，如下圖1

圖 1 BH 曲線

       BH 分析儀是一種昂貴的精密儀器，價(jià)格高達(dá)數(shù)十萬元人民幣。一般的企業(yè)、大學(xué)和研 究機(jī)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(xué)工作停留在 書本上的知識，或者用電橋進(jìn)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(shí)用價(jià)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(lì)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(yīng)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(jià)格已經(jīng)非常出色，我們不但可以利用它來實(shí)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(lì)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(shí)物構(gòu)成圖

      圖 3 是實(shí)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(gè)輸出口可以產(chǎn)生20M 的正弦波信號，正好作為激勵(lì)信號源。

      由于BH 分析儀測試磁化曲線時(shí)，磁性元件需要用高頻大電流進(jìn)行激勵(lì)才能達(dá)到真實(shí)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。它的大輸出能力是260VA，功率帶寬高達(dá)1M，非常適合用來推動(dòng)磁性元件的測試。

      被測的磁性元件一般做成一個(gè)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(gè)線圈連接到測試工裝的4 個(gè)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(xué)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(shí)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 的大值，并進(jìn)一步計(jì)算磁環(huán)的損耗等指標(biāo)。

3 BH 曲線的計(jì)算公式

    我們設(shè)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是大磁通密度，單位是T；Hm 是大磁場強(qiáng)度，單位是 A/m。

     其中μ0是真空磁導(dǎo)率, μ0= 4πx10-7 亨利/米。μa 是初始磁導(dǎo)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(yàn)證本設(shè)計(jì)的測試精度，我們采用相同的試樣和測試條件，對比本設(shè)計(jì)和日本IWATSU SY-8232 型BH 分析儀的測試結(jié)果。

5 本方法的優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）性價(jià)比很高，也能夠達(dá)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(biāo)定的前提下，數(shù)據(jù)的誤差大約是5%以內(nèi)，對于一般的應(yīng)用應(yīng)該足夠了。

（3）受限于硬件條件，相位精度不夠高。當(dāng)頻率比較高的時(shí)候(比如超過200KHz)，或者磁環(huán)的相位角θ接近 90 度的時(shí)候，用這種方法計(jì)算的損耗誤差相對比較大。