1 軟磁材料的測(cè)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(cè)量在小信號(hào)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(cè)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(cè)試軟磁材料在磁化過(guò)程中磁感強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間關(guān)系的一系列BH曲線。通過(guò)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(wàn)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(duì)磁性元件的研究和教學(xué)工作停留在書本上的知識(shí)，或者用電橋進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)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，替代BH分析儀。

　　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(hào)源，寬帶功率功率放大器，被測(cè)磁性元件的電壓和電流信號(hào)處 理電路，對(duì)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)格比較實(shí)惠，我們不但可以利用它來(lái)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(hào)源作為激勵(lì)信號(hào)源。這樣構(gòu)成一套 BH 分析儀變得很簡(jiǎn)單，只有外加一臺(tái)寬帶功率放大器，被測(cè)磁性元件的電壓和電流信號(hào)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(guó)是德(KEYSIGHT)公司的 DSOX1102G，這是一款入門級(jí)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(hào)，正好作為激勵(lì)信號(hào)源。

　　由于BH 分析儀測(cè)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(duì)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。它的輸出能力可達(dá)260VA，功率帶寬高達(dá)1M，非常適合用來(lái)推動(dòng)磁性元件的測(cè)試。

　　被測(cè)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，分別是原邊和副邊。兩個(gè)線圈連接到測(cè)試工裝的4個(gè)接線柱上。被測(cè)磁性元件的原邊電流 I 和付邊電壓信號(hào)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(cè),編寫程序通過(guò) 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(cè)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(hào)源的頻率和幅值，就可以控制曲線的B 和H 的值，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?cè)O(shè)被測(cè)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(cè)磁環(huán)的平均磁路長(zhǎng)度，單位是 m;H 的單位是A/m。

　　其中 S 是被測(cè)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(chǎng)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(cè)試結(jié)果

　　為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的測(cè)試精度，我們采用相同的試樣和測(cè)試條件，對(duì)比本設(shè)計(jì)和日本IWATSU SY-8232 型BH 分析儀的測(cè)試結(jié)果。

       5 磁化曲線 BH 分析儀的優(yōu)缺點(diǎn)：

　　(1)性價(jià)比很高，也能夠達(dá)到一定測(cè)試精度，替代BH分析儀。

　　(2)示波器采樣數(shù)據(jù)是8 位的。在沒(méi)有標(biāo)定的前提下，數(shù)據(jù)的誤差大約是5%以內(nèi)，對(duì)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(guò)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(duì)比較大。