吴国玮，徐 磊，汪向华

(南京林业大学 信息科学技术学院,江苏 南京 210037)

0 引言

现如今时代在发展，科技在进步，生产制造水平不断提高，在人们的生活生产中铁磁性材料的产品发挥着重要的作用,尤其是在工业生产和社会主义现代化建设等领域，铁磁性材料的产品种类繁多，同时也因其所表现的自身性能不同，把不同的产品应用于不同的领域，才能使其在该领域最大化的发挥作用[1,2]。因此，研究每一种铁磁性材料本身的磁性特点及其变化具有重要意义，磁化曲线和磁滞回线是反应铁磁材料磁性特定的重要参数，目前市场上极少有类似的测量仪器。本文设计的磁滞回线测试仪，以单片机为主控制器，可以测量出常用电压器的磁滞回线图、剩磁、矫顽磁力等参数，通过对参数的分析计算可以将被测期间的磁滞回线显示在LCD12864上，供被测人员观察。该磁滞回线测试仪具有结构紧凑、体积小、重量轻、可靠性高，测量时间范围宽、精度高等优点。同时利用具有良好的人机接口和控制运算的功能，LCD显示的磁滞回线可显示出各电磁场强度、磁感应强度、剩磁、矫顽力等参数，具有功能强、成本低、操作简单的特点。

1 总体方案设计

系统过变压器将220V交流电变为5V、50 Hz交流信号，将输出的交流信号作为励磁电流输送到待测样品变压器原边，从而产生待测样品的励磁，通过改变励磁电压的大小，可以改变待测样品的励磁大小，从而改变样品磁滞回线的形状[3]。电压采集电路采集产生的励磁电压UH、磁场电压UB，经过精密整流滤波后，将采集的电压值转换为0～5 V的电压信号送给单片机进行采集。单片机通过内部A/D转换模块采集电压信号，再经过相应的参数运算，计算出待测样品的剩磁Br、矫顽磁力Hr等参数，将磁感应强度B作为所显示磁滞回线的纵坐标，磁场强度H作为横坐标，所得B-H曲线即为待测样品磁滞回线。通过参数与LCD12864像素点的匹配将磁滞回线逐点显示在LCD屏上。同时可以实时显示所测得的待测样品的剩磁Br、矫顽磁力Hr等参数，并可以通过按键对所显示页面信息进行控制，当被测电压超出测量范围时，会发声光报警，系统总体原理框图如图1所示。

图1 总体原理框图

2 硬件电路设计

2.1 励磁电路设计

系统信号输入采用220V转5V变压器，其输出电压频率为50 Hz，待测样品采用变比为150：50变压器，其电路原理如图2所示。将样品制成闭合的环形，然后均匀地绕以磁化线圈及副线圈，即所谓的罗兰环。5V、50Hz交流电压加在磁化线圈上，串联多个5Ω取样电阻R1，其两端的电压为UH即励磁电压。副边线圈n与电阻R2和电容串联成一回路。电容C2两端的电压为UB即磁场电压[4]。

图2 励磁电路原理图

励磁电压UH与磁场强度H成正比，若样品平均磁场长度为L，磁化线圈的匝数为N，若磁化电流瞬时值为I，根据安培环路定理，有HL=NI，而UH=R1I，所以：

(1)

在(1)式中，R1、L和N皆为常数，因此，该式清楚地表明LCD屏上像素点水平偏转的大小ΔH与待测样品中的电压变化ΔUH成正比，由励磁电压UH可以确定磁化场磁场强度H：

(2)

当待测铁磁样品在磁路中的横截面积为S时，根据法拉第电磁感应定律，在铁磁样品所在变压器的副边线圈中，其感应电动势E为：

(3)

同时，根据待测铁磁样品副边线圈回路中的电流i以及电容C2上的电量q也可以求得线圈中的感应电动势E：

(4)

在RC积分电路中，当R2、C2足够大时，电容C2上的电压降uc=q/c比起电阻上的电压降R2i足够小，因此可以忽略不计，故(4)式可以近似为：

E=R2i.

(5)

(6)

将(3)式(6)式两边积分，整理可得：

(7)

因此，当R2、C2足够大时，在(7)式中n、S、R2和C2皆为常数，因此，该式清楚地表明LCD屏上像素点竖直方向偏转的大小ΔB与待测样品中的电压变化ΔUB成正比，且由磁场电压UB可以确定磁化场磁场强度B：

(8)

2.2 精密整流滤波电路设计

图3 全波精密整流滤波电路

经过调理后的电压信号为正弦波信号，但是采用的STM32单片机只能对正电压进行采集，不能对负电压进行采集，因此设计全波精密整流电路，如图3所示。

在全波精密整流电路中，利用瞬时极性法判断：当Ui>0时，第一个TL081的输出脚(6脚)瞬间输出为-2Ui，二极管D1截止，D2导通，Uo1近似输出-2Ui，此时，R25和R24分别与R27构成反向加法器，输出Uo=-(-2Ui+Ui)=Ui；当Ui<0时，第一个TL081的输出脚(6脚)瞬间输出为2Ui，此时二极管D1就会导通，D2截止，相当于开路，由于反馈电阻R24的作用，Uo1的输出与TL081的反向输入端的电位，根据运算放大器“虚短虚断”原理，可以认为TL081的反相输入端电位与同相输入端电位相等，约等于0，故此时Uo1=0，R25与R27构成反向等比例放大，输出Uo=-Ui。

图4 正弦波整流输出波形

综上可知：当Ui>0时，Uo1=-2Ui，

Uo=-(-2Ui+Ui)=Ui；

当Ui<0时，U01=0，Uo=-Ui。

所以此图也称为绝对值电路,当输入电压为正弦波时，电路输出波形分别如图4所示。

3 系统软件流程图设计

当系统上电后，系统先进行初始化，之后启动励磁电流，检测系统是否运行正常，如果运行正常，则计算,输出UB和UH并进行信号放大，最后在LCD上显示波形[5]；若系统不正常，则重复系统初始化步骤直至正常，整个系统流程图如图5所示。

图5 系统流程图

4 实验数据

本文采用的是单片机内部10位A/D转换，所以系统精度不是很高。在实验室的条件下，对整个系统进行测试。其中一组采样结果及其打点结果如表1所示。

4.1 测试数据如表1所示

表1 单片机取样值

4.2 磁滞回线显示图

其中一组打点结果如图6所示。

图6 LCD波形显示

5 结论

本文设计的磁滞回线测试仪，以单片机控制技术为核心，利用此设备，可以测量出常用变压器的磁滞回线图、剩磁、矫顽磁力等参数，通过对参数的分析计算可以将被测期间的磁滞回线以逐点显示在LCD12864显示屏上，供被测人员观察。该磁滞回线测试仪的特点是单片机控制灵活，使本系统具有结构紧凑、体积小、重量轻、可靠性高，测量时间范围宽、精度高等优点。