磁化曲线和磁滞回线测量

时间：2022-02-13 理论教育版权反馈

【摘要】：测量磁滞回线的方法有多种，本实验采用电子积分法和示波器法测磁滞回线。这样便经历了一个循环过程，B随H变化而形成一闭合曲线，称为磁性材料的磁滞回线。磁样品测试板主要作用有二个，一是固定测试样品（环状），以免损坏；二是通过测试板上的交流采样电路实现交流磁化曲线的测量和交流磁滞回线的示波器观测。恒流源是保证测不同磁材料的静态磁滞回线时磁化电流恒定和磁场稳定。

实验35　磁化曲线和磁滞回线测量

磁滞回线是铁磁材料的基本属性之一，是变压器等电气产品和电力设备设计和选材的重要依据。磁滞回线是磁场强度（H）—磁感应强度（B）平面上的一条闭合曲线，如图5-35-3所示，它的存在使H和B失去单值对应关系，B的大小不仅与H的即时值有关，而且与H的变化历程和历史有关。

测量磁滞回线的方法有多种，本实验采用电子积分法和示波器法测磁滞回线。电子积分器法是根据电磁感应原理将探测线圈测得的感生电势通过电子积分器积分来测量磁感应强度的方法；通常用直流产生稳定磁场，通过定量增加或减小励磁电流来改变磁场，逐点测量磁滞回线，称为静态磁滞回线。电子积分法物理过程清晰，测量较准确。示波器法用交流（一般用50Hz）产生交变磁场，用示波器显示磁滞回线，称为动态磁滞回线。示波器法直观、简便，便于定性理解。

【实验目的】

（1）了解电子积分器的工作原理和使用方法；

（2）掌握用电子积分器测量磁场的方法；

（3）学习用电子积分器测量软磁材料的磁化曲线和磁滞回线。

【实验仪器】

磁测试板；磁滞回线测试仪。

【实验原理】

1.电子积分器测磁场的工作原理

由电磁感应原理可知，在磁感应强度为B的磁场中放入匝数为N₂、有效磁通面积为S₂的探测线圈，则磁通量Φ＝BN₂S₂。探测线圈产生的感生电势为：

图5-35-1　有源积分电路

感生电势e经图5-35-1所示的有源RC积分器进行积分，输出电压U_i与e的积分成正比，即

（1）电流步进法测磁场。一般测量磁滞回线的磁场由磁化线圈产生，磁场强度可根据磁化电流大小由相应公式求出。当磁化电流从I_i-1突变到I_i时，磁感应强度变化为ΔB_i＝B_i-B_i-1，对应的积分电压峰值为U_im，则

式（5-35-4）就是电子积分测磁场和磁滞回线的基本公式，式中U_im包含正负号。

如果采用磁化电流步进法测量，测量前先对磁性材料消磁，即当磁化电流I₀＝0时，B₀＝0，然后电流依次递变为I₁、I₂，则B₁＝B₀＋ΔB₁＝U_{1 m}，B₂＝B₁＋ΔB₂＝B₁＋U_{2 m}，依此类推，逐点测量磁滞回线。

（2）恒流换向法测磁场。如果采用电流换向法测量，设励磁电流为-I_i时，磁感应强度为-B_i，当电流换向变为I_i时，磁感应强度变为B_i，则由（5-35-4）式可知，

2.铁磁材料的磁化规律

（1）初始磁化曲线。如图5-35-2所示，当磁性材料从磁场强度H为零开始磁化时，磁感应强度B将随H增大，开始B增加缓慢（OA段），然后增加较快（AB段），然后缓慢下来（BS段），当H增加到某一定值H_S时，B不再明显增加而趋于定值B_S，这时材料的磁化已达到饱和，H_S称为饱和磁场强度，B_S称为饱和磁感应强度。从未磁化到饱和磁化的这段磁化曲线OS，称为磁性材料的初始磁化曲线。

图5-35-2　初始磁化曲线

图5-35-3　磁滞回线

（2）磁滞回线。如图5-35-3所示，当磁性材料的磁化达到饱和B_S之后，将H减小，B也随之减小，但滞后于H的减小；当H＝0时，B并不为零，而是B_r（与B轴的交点），B_r叫剩余磁感应强度，简称剩磁。欲使B＝0，必须加反向磁场，当H＝-H_C（与H轴的交点）时，B＝0，磁性材料完全退磁，称H_C为该材料的矫顽力。如果反向磁场继续增大，磁性材料将反向磁化，当H＝-H_S时，磁化达到反向饱和，B＝-B_S。此后若减小反向磁场使H＝0，则B＝-B_r，当H＝H_C时，B＝0，至H＝H_S时，B＝B_S，回到正向饱和状态。这样便经历了一个循环过程，B随H变化而形成一闭合曲线，称为磁性材料的磁滞回线。

H_S、B_S、B_r、H_C是磁滞回线的特征参数。剩磁B_r反映介质记忆能力的大小，矫顽力H_C反映铁磁材料是硬磁还是软磁，H_C大于10 000A/m的为硬磁材料，小于1A/m的为软磁材料。磁性材料的磁化特性不仅与材料自身的性质有关，还与材料形状、磁化场频率及波形有关。

【仪器简介】

1.磁样品测试板

磁样品测试板主要作用有二个，一是固定测试样品（环状），以免损坏；二是通过测试板上的交流采样电路实现交流磁化曲线的测量和交流磁滞回线的示波器观测。

磁样品测试板的线路结构如图5-35-4所示。样品为螺绕环，内层为探测线圈，匝数为N₂，有效磁通面积（环的横截面积）为S；外层为励磁线圈，匝数为N₁，N₁线圈的内、外半径分别为r₁和r₂。图中a、b为直流电流或交流电流输入端，X₁，X₂为示波器X通道采样电压输入端，Y₁，Y₂为示波器Y通道采样电压输入端，c，d为直流探测信号输出端（输入到积分电路）。S为直流和交流测试切换开关，当a，b输入直流电流，从c，d端输出探测信号时，S断开（OFF）；当a，b输入交流电流，从Y₁，Y₂端输出探测信号到示波器时，S闭合（ON）。

2.磁滞回线测试仪

（1）电路组成及工作原理。如图5-35-5所示。本测试仪由50Hz交流电源、恒流源、有源积分、电位平移比例放大、电压A/D转换、电流A/D转换、89C51单片机、LCD显示和按键等电路组成。

图5-35-4　磁测试板

图5-35-5　数字电子积分磁参数测试仪电路原理图

恒流源是保证测不同磁材料的静态磁滞回线时磁化电流恒定和磁场稳定。通过按键切换，有连续输出和步进输出两种工作方式。在连续输出方式中，通过恒流“连续调节”旋钮输出0～1A恒流，用于换向法测磁滞回线。在步进输出方式中，通过恒流“升/降”键步进输出0～1A恒流，用于步进法测磁滞回线。

50Hz交流电压由电位器从0A到最大值进行连续调节，可用于磁性材料交流消磁和通过磁样品的交流积分采样电路用示波器观测动态磁滞回线。磁性材料交流消磁方法为：根据消磁原理，先将50Hz交流电压调到最大输出，使磁性材料饱和磁化，然后缓慢调小交流电压，利用逐渐衰减的交变电流对磁材料反复磁化，最后电流调为零，重复2～3次即可消磁。

（2）按键使用方法。步进/连续键：恒流步进输出方式与连续输出方式切换键。刚开电源默认为恒流步进输出方式，LCD左上角显示字母S（Single），通过调“步进升/降”键步进输出0～1A恒流，适合电流步进法测磁滞回线。按一次“步进/连续”键，切换为恒流连续输出方式，LCD左上角显示字母C（Continue），通过“连续调节”旋钮输出0～1A恒流，适合恒流换向法测磁场。再按一次“步进/连续”键，又切为恒流步进输出方式。

步进升/降键：在恒流步进方式下，每按一次“步进升/降”键，恒流按0A，0.05A，0.10A，0.25A，0.40A，0.55A，0.70A，0.85A，1.00A单调增加，或按1.00A，0.85A，…，0A，-0.05A，…，-1.00A单调减小。在恒流连续输出方式下，“步进升/降”键不响应。

电流正/负键：改变励磁线圈的电流方向，用于测磁滞回线的不同象限曲线。每按一次“电流正/负”键，LCD显示的电流改变＋/-号。电流正/负键在恒流连续输出方式下，才起作用，而在恒流步进方式下，不响应。

恒流换向键：在连续输出方式下，通过继电器使励磁线圈的电流从I变到-I（或从-I变到I），以改变磁通量Φ使探测线圈产生感生电动势测量磁场；然后继电器又使励磁线圈的电流从-I变到＋I（或从I变到-I），恢复原状。在恒流步进方式下，“恒流换向”键不响应。

【实验内容】

1.示波器观测软磁材料的磁化曲线和磁滞回线

（1）准备：将面板上的“交流调节”旋钮逆时针旋到底，使交流输出电压为零。将面板上的“连续调节”旋钮逆时针旋到底，使输出恒流为零。

（2）连线：关闭磁滞回线测试仪电源。用测试线将磁滞回线测试仪的“交流输出”端与测试板上的“交直流输入端”a、b相连；示波器X通道与测试板上的电阻R₁两端X₁、X₂相连；示波器Y通道与测试板上的积分电容C₂两端Y₁、Y₂相连；将R₂上部的开关S置“ON”。

（3）测量：合上磁滞回线测试仪电源，调节面板上的“交流调节”旋钮，从小到大缓慢增大交流电压。示波器调到X-Y工作方式，调节示波器的X通道和Y通道的增益，即可以在示波器上看到一条大小合适的闭合曲线。由于测试板上R₁＝1Ω，所以X通道（R₁上的电压）即认为是励磁电流值，对应H；Y通道（积分电容C₂上的电压）对应B，因此示波器上看到的X-Y闭合曲线就是H-B交流磁滞回线。

从小到大不断改变交流电压，将看到从小到大改变的一系列磁滞回线，这一系列磁滞回线在第一象限内的端点（小亮点）的连线即为铁磁材料的起始磁化曲线。

（4）用坐标纸描绘在示波器屏上出现的5条不同交流电压（含饱和情况下）下的铁磁材料的磁滞回线图形。

如果用数字万用表测电压对示波器的X、Y增益进行标定，就可以从磁滞回线上求出B_S，B_r和H_C。

2.恒流步进法测软磁材料的初始磁化曲线

（1）连线：将磁滞回线测试仪的“恒流输出端”与测试板的“交直流输入端”相连，积分输入端与测试板的“积分输出端”c、d相连，将R₂上部的开关S置“OFF”。注意连线的正负。

（2）消磁：由于磁性材料的磁化状态与磁化历史有关，磁滞回线又与其起始端点的磁化状态有关，因此测磁滞回线之前必须消去剩磁，使H＝0时，B＝0。

消磁方法：a.按一次“单步/连续”键，将恒流输出方式切换为连续方式；b.顺时针调节“连续调节”旋钮使恒流输出最大（使磁材料饱和磁化，所用样品饱和磁化电流0.5～0.6A），然后缓慢调节“连续调节”旋钮（如电流为1.0A，0.8A，0.6A，0.4A，0.2A，0.1A，0.08A，0.06A，0.05A，0.04A，0.03A，0.02A，0.01A，0.005A），在每个电流时按“恒流换向”键3～4次。

（3）测量：按一次“单步/连续”键，将恒流输出方式切换为单步方式，此时软磁材料励磁电流I₀＝0时，H₀＝0，B₀＝0（因为软磁材料已消磁）。每隔10秒，按一次“步进升/降”键，励磁电流依次按0A，0.05A，…，单调增加，直到0.9A，同时液晶屏上显示电流跳变对应的感生电势的积分电压U_im。

当励磁电流为I_i时，螺绕环样品内对应的磁场强度为：

其中N₁为励磁线圈匝数，r₁和r₂分别为励磁线圈内外半径。

将电流和电压依次记录到表5-35-1中，由（5-35-4）和（5-35-6）式计算得到初始磁化曲线。注意：表5-35-1中U_im包含正负号。

表5-35-1　恒流步进法测初始磁化曲线

3.恒流步进法测软磁材料的磁滞回线

保持上述测初始磁化曲线的仪器状态不变，继续按“步进升/降”键，励磁电流从0.90A，0.75A，…，0A，-0.05A，…，-0.90A依次单调减小（最后达到负向饱和），然后从-0.90A，-0.75A，…，0A，0.05A，…，依次单调增大，直到0.90A（又达到正向饱和），记下液晶屏上显示的积分电压U_im，将电流和电压依次记录到仿照表5-35-1自拟的数据表中。并请注意：a.每测一个点，要等10秒，以使积分电容放电完毕，测量才准确。b.由于铁磁材料的磁化状态与磁化历史有关，磁滞回线又与其起始端点的磁化状态有关。因此，在测同一条磁滞回线时，励磁电流必须沿同一个方向单调增大或减小，不允许突然改变增减方向。

【数据处理】

（1）在示波器屏上用坐标纸描绘出5条不同交流电压（含饱和情况）软磁材料的动态磁滞回线，并将每条磁滞回线的第一象限的顶点连起来，得到初始磁化曲线。

（2）根据初始磁化曲线数据表5-35-1，画出恒流步进法测得的初始磁化线。

（3）根据磁滞回线数据表5-35-2，在与初始磁化线同一坐标纸上画出恒流步进法测出的磁滞回线，并从曲线上确定饱和磁感应强度B_S、剩余磁感应强度B_r和矫顽力H_C。

（4）定性比较示波器测出的动态磁滞回线和恒流步进法测出的静态磁滞回线的相似与相异之处。