磁性材料B‑H特征曲线宽频测试装置的制作方法

本发明涉及一种磁性材料的磁滞回线测试装置，涉及磁性材料技术领域。

背景技术：

磁性材料在社会的生产实践中有着广泛的应用，目前主要应用于工程、电力、信息、交通等领域。因此人们必须了解磁性材料的内部结构及各个方面的物理特性，才能更好地将其应用于生产科研中。测定B-H特征曲线（即磁滞回线）可以得到磁性材料特性的几个重要的参数其中包括：饱和磁感应强度、剩磁、矫顽力、磁导率、磁化曲线等参数。测量磁性材料的B-H特征曲线是电磁学实验中的一个重要实验，是研究磁性材料特性的最有效的方法之一。目前，国内常用的磁性材料B-H特征曲线测试装置有电子积分法和示波器法，并且随着计算机的快速发展，各种与科学实验相关的专业数据分析及科学绘图软件也相应诞生，例如在软件上对所测的数据进行线性拟合绘制出B-H特征曲线。目前测量B-H特征曲线的测试装置还存在许多缺点，比如测量范围窄，励磁电流小，励磁频率较低，测量精确度不高，体积大，价格昂贵等。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术的不足，提供一种针对励磁信号发生源的新方案，从而有效地提高了磁性材料的测量范围和B-H特征曲线精确度以及稳定性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种磁性材料B-H特征曲线宽频测试装置，其特征在于：由励磁信号发生电路、磁性材料测试电路、显示电路、电源模块及MCU构成，所述励磁信号发生电路由DDS模块、信号调理模块、锯齿波发生电路、脉宽调制电路、全桥驱动电路、逆变电路及LC滤波电路构成；所述磁性材料测试电路由磁性材料、电流采样电路、RC积分转换、高速AD采集电路构成；所述MCU控制所述DDS模块产生正弦信号；所述电源模块对所述MCU与逆变电路进行供电，所述励磁信号发生电路产生的励磁信号作用于所述磁性材料测试电路中磁性材料的初级线圈上，磁性材料的次级线圈与初级线圈耦合获得感应电压，通过所述高速AD采集电路连续采集磁场强度H的电压信号以及磁感应强度B的电压信号。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述电源模块由BUCK降压电路、反激电路与数控调节电路构成，所述反激电路将交流的220V电流转化为+15V-30V的可调电压Vin输出，采用两路所述BUCK降压电路将Vin分别降压为+12V和+5V输出，同时将Vin通过所述数控调节电路反向降压得到-5V电压输出，最后将+5V电压线性降压得到+3.3V电压输出。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括还包括对所述逆变电路进行电流检测反馈的电流反馈电路，所述电流反馈电路与所述信号调理模块连接，以动态反馈调整正弦信号。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述励磁信号发生电路还包括短路保护电路，所述短路保护电路与所述全桥驱动电路及所述逆变电路连接。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述磁性材料测试电路中还可通过外接示波器提取磁场强度H的电压信号以及磁感应强度B的电压信号。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述MCU可外接液晶屏、触摸屏，所述触摸屏通过与所述MCU连接的控制器控制。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述MCU还可外接按键、存储卡、USB。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述触摸屏为电阻式触摸屏。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明的磁性材料B-H特征曲线宽频测试装置采用由SPWM信号控制的全桥逆变电路产生励磁信号，并改进输出显示，使显示更直观，具有测试精度可靠，工作稳定，体积小，输出直观，操作方便，价格相对较低等优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的总体结构功能框图；

图2是B-H特征曲线测试回路；

图3是电源结构图；

图4是反激电路拓扑结构图；

图5是BUCK降压电路；

图6是反向降压拓扑电路；

图7是反激电路输出电压反馈电路图；

图8是正弦调制信号发生电路和高度AD采样电路图；

图9是正弦信号调理电路图；

图10是锯齿波发生电路图；

图11是正弦调制信号与锯齿波信号比较电路图；

图12是SPWM信号控制方式示意图；

图13是全桥驱动及逆变电路图；

图14是逆变电路的电流反馈及放大电路图；

图15是励磁信号源的短路保护电路图；

图16是液晶显示电路；

图17是液晶显示界面图；

图18是程序控制流程图。

具体实施方式

现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，本发明是提供一种磁性材料B-H特征曲线测试装置的技术方案，此装置主要由励磁信号发生电路、磁性材料测试电路、显示电路电源模块及MCU组成。励磁信号源的硬件方案采用全桥逆变技术和正弦脉宽调制（SPWM）技术，将正弦调制信号与锯齿波信号比较合成SPWM信号控制全桥逆变电路工作，并在输出端滤波后得到高电压（V_P-Pmax=60V）、大电流（I_max=2A）、频率较高且可调（1kHz-50kHz）的励磁信号。输出的励磁信号送入磁性材料测量电路，将磁性材料磁化饱和。根据电磁学中的物理定理，将磁场强度和磁感应强度分别用电压表示，并用高速AD采集电路实时采集两路电压信号，采集到的信号送到MCU（微处理器）运算处理后再将结果通过触摸液晶屏直观显示磁性材料的B-H特征曲线和相关特性参数。如果外接示波器可同时将磁场强度和磁感应强度对应的电压信号分别送到示波器的X、Y通道，实现对磁性材料的B-H特性曲线间接的电压信号显示。电源负责对所有电路供电，并主要负责全桥逆变电路供电。

为实现磁性材料B-H特征曲线直观的可视化输出，本发明利用安培环路定律、法拉第电磁感应定律等物理定律，将磁性材料的磁场强度和磁感应强度通过电压线性表示。通过两种途径，一种是通过高速AD采集电路采集磁场强度和磁感应强度的电压表示值，经MCU运算处理后用液晶屏显示出B-H特征曲线；第二种途径是将磁场强度和磁感应强度的电压表示值通过示波器直接显示出磁性材料的B-H特征曲线。

将测试样品均匀缠绕原边线圈和副边线圈。当样品中的原边线圈输入励磁电压时，产生磁化的电流，将样品磁化。测试电路原理图及显示电路连接如图2所示。

根据安培环路定律，磁化后的磁场强度为(式中为平均磁路长度):

（1）

根据欧姆定理，可得:

（2）

联立（1）式与（2）式

（3）

式中，，均为已知常数，所以由可确定，将用AD采集后再在MCU中经公式（3）处理后便可在液晶屏中用横坐标表示。将输入至示波器X通道，其输入在荧光屏上电子束水平偏转的大小与样品中的磁场强度成正比。

当原线圈流过磁化电流时，将在样品中产生交变的磁场，其磁感应强度为。假设样品磁路的截面积为，穿过该截面的磁通量。由法拉第电磁感应定律可知, 在副线圈中产生感应电动势为

（4）

移项后积分可得

（5）

则磁感应强度为

（6）

次级回路的电压方程为

（7）

如果忽略掉自感电动势和电路损耗，则次级的回路方程为:

（8）

为感生电流，为电容两端电压。设在内，向电容的充电电量，则

（9）

将根据电流定义关系可得：

（10）

将（10）式带入（9）式中，可得:

（11）

将（11）式带入（6）中可得:

（12）

因为频率为50KHz，很大，则的值为：

（13）

可见与成正比, 将用AD采集后再在MCU中经公式（13）处理后便可在液晶屏中用纵坐标表示。将输入示波器Y通道，示波器Y输入在荧光屏上电子束竖直方向偏转的大小与磁感应强度成正比。示波器进行X-Y双通道显示，即可显示出磁性材料B-H特征曲线。从而测定样品的饱和磁感应强度、剩磁、矫顽力、磁导率等参数。

如图3所示为电源结构图。市电220V交流输入，经反激电路处理后稳定输出一路10V-30V的可调电压Vin，额定电流2A，此电压用于给励磁信号源发生电路中的全桥电路供电。电压Vin经两路BUCK斩波电路后得到一路+12V电压和一路+5V的电压。Vin再经一路反向降压电路后得到一路-5V的电压。最后将将+5V电压线性降压得到一路+3.3V额定电压，这些电压主要给系统中的各芯片和运放供电。

如图4所示为反激电路的拓扑结构图。市电220V交流电压输入，经由X电容，Y电容，共模电感组成的EMI滤波后，再经过二极管整流后得到380V的直流电压。此电压作用到高频变压器的初级线圈再经MOS管Q6和电流采样电阻R42连接到地。控制器控制其PWM信号OUT输出端输出一个100kHz的高频开关信号作用于MOS管的栅极。快速开关导通的MOS管在变压器中产生一个快速交变的磁场，并将初级线圈的电压信号耦合到次级线圈输出。在变压器的次级产生的感应电压经过肖特基二极管整流和高频电解电容以及钽电容滤波后输出一路稳定的电压Vin。

如图5所示为BUCK降压电路图。反激电路输出的电压Vin(15V-30V)经过两个BUCK降压电路分别得到一路+12V的电压和一路+5V的电压VCC。其工作原理为，当控制器U23和U24分别控制MOS管在一个周期中导通时，输入电压给输出端的电容充电。MOS管关断时，续流二极管导通，这时输出电压近似为零。一个周期结束后，再驱动MOS管导通，重复上一周期的过程。输出电压大小通过输出端的两个反馈电阻来调节。

如图6所示为反向降压拓扑电路。反激电路输出的电压Vin(15V-30V)经过该电路得到一路-5V的电压VSS。

如图7所示为反激电路输出电压的反馈控制电路图。为了满足负载变化较大时的供电要求，提高输出电压的稳定度，采用了一种从变压器副边绕组的输出端取样电压进行反馈的控制电路。电压采样反馈电路有光耦和三端稳压器及与之相连的阻容网络构成。其控制原理如下：输出电压经R3和R5分压后得到采样电压，此采样电压与三端稳压器提供的2.5V参考电压相等，则三端稳压器的K极电位不变，流过光耦二极管的电流不变，流过光耦CE的电流不变，控制器的COMP脚电位稳定，输出驱动的占空比不变，输出电压稳定在设定值不变。当输出电压因某种原因偏高时，经分压电阻的分压值就会大于2.5V，则三端稳压器的K极电位上升，流过光耦二极管的电流增大，则流过光耦CE的电流增大，控制器的COMP脚电位下降，OUT脚输出驱动脉冲的占空比下降，输出电压降低，这样就完成了反馈稳压的过程。此电路通过输出端采样后通过光电隔离反馈到控制器的COMP脚，略过了控制其内部的放大器，缩短了传输时间使电源的动态响应更快。同时利用三端稳压器内部的高增益误差放大器，保证了高控制精度。这种电路拓扑结构简单，外接元件较少，而且在电压采样电路中采用了三端可调电压基准，使得输出电压在负载发生较大的变化时基本上保持不变。实验证明该电路具有很好的稳压效果。

反激电路输出电压Vin的调节主要依靠调节数字电位器R5的阻值大小，三端稳压器的K极维持一个相对恒定的2.5V电压，因此调节电阻R3和R5的比值便可以调节输出端电压Vin的电压值。此数字电位器阻值在（40-10K）之间，其内包含有99个电阻单元的电阻阵列，在每个单元之间和两个端点都有被滑动单元访问的抽头访问点。滑动单元的位置由CS、U/D和INC三个输入端控制，一旦位置选定后，可存放在非易失性存储器中，因而在下一次上电时可重新调用。CS、U/D和INC三个输入端能控制滑动端在电阻阵列中的移动位置，当CS为低电平时，数字电位器被选中，这时INC和U/D输入端才能接受信号。当INC输入引脚由高电平变换为低电平时，可能增加或减小一个7位计数器的值，这主要决定U/D输入引脚的电平，当U/D为高电平，计数器的值增加；当U/D为低电平，计数器的值减小。7位可逆计数器输出译码后，立即进行一百选一的操作，从而使滑动端的位置沿着电阻阵列移动，当滑动端位于一个固定点时，就像等效的机械滑动端那样，不会移到超出终端位置，即计数器达到一个极限端（0000000或1111111）时，不会循环往复。

如图8所示为DDS正弦调制信号发生单元和AD采集单元。调制信号发生单元采用ADI公司的AD9850作为核心器件，它接125MHz的有源晶振作为输出信号的参考时钟。AD9850的输出频率主要由参考时钟和频率转换字决定，它们的关系为。AD9850中内部含有一个32位的相位累加器，通过改变32bit相位累加器内部的控制字，便可以实现对2π圆周进行个等分，即其变化范围为。为输入参考时钟。AD9850添加少部分外围元器件，并通过串行接口与MCU通信，MCU对AD9850初始化并发出频率控制字后，AD9850内部产生固定频率的数字正弦信号，该信号再通过内部的10位高速DA转换为固定频率输出的模拟正弦信号。

在AD采样转换单元中,选用高速AD芯片THS10082作为核心器件。此芯片具有双通道同时采样能力，采样速率高，双通道采样时单个通道的采样速率达到4-MSPS（每秒采样400万次）,10位的采样精度，具有连续采样或单次采样两种转换模式。结合本发明选用连续转换模式，双通道同时采样。由于励磁信号的最高频率为50kHz，因此，此芯片的采样速率完全能将磁场强度和磁感应强度的电压信号准确采集并转换到液晶屏上显示。

如图9所示为DDS输出正弦信号的调理电路。此电路主要由两级运放组成，第一级运放及相连的电阻电容构成二阶有源低通滤波电路，既可以滤去电路中的高频谐波又可以将DDS输出正弦信号的平衡位置偏移到坐标系Y轴为0的位置。第二级运放及其相关的电阻电容构成加法电路，将前级运放输出的信号与电流检测放大反馈信号I_pcs相叠加，从而控制SOUT输出正弦调制信号的峰值。

如图10所示为锯齿波发生电路。此电路由前后两个运放及相关电阻电容构成，前级的运放为磁滞比较电路，后级运放组成积分电路。前级运放将后级运放输出的三角信号与参考电压VDD比较后输出频率为的方波信号，方波信号经过后级运放的积分电路后输出频率为的三角载波信号。TOUT端输出三角信号频率。

如图11所示为正弦调制信号与锯齿波信号运放比较电路。将图9和图10中电路得到的正弦调制信号和锯齿波信号通过比较器构成的比较电路，便可输出一路SPWM信号。再通过相同的比较电路，在另一个运放的同相输入端和反相输入端，交换正弦信号和三角信号的位置，便可得到另一路频率相同但相位相反的SPWM信号。

如图12所示为SPWM信号控制方式。本发明的SPWM控制方式采用双极性控制方式。在的一个周期内，输出的SPWM波只有Ud两种电平，而不是像单极性控制时还有零电平。在调制信号和载波信号的交点时刻控制各开关器件的通断。在的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。即当>时,给Q1和Q4以导通信号,给Q2和Q3以关断信号,输出电压=Ud。当<时，给Q2和Q3以导通信号，给Q1和Q4以关断信号，输出电压=-Ud。图中下面的坐系中的表示一路SPWM控制信号，虚线表示全桥逆变电路输出端滤波后得到的励磁信号。

如图13所示为全桥驱动及逆变电路图。两路相位相反的SPWM信号分别送到两个驱动芯片的IN引脚端。其中驱动芯片U3控制着MOS管Q1和Q3，U10控制着MOS管Q2和Q4。Q1和Q3以及Q2和Q4的导通相位角分别相差180度，即当Q1和Q4同时导通时，Q2和Q3同时关闭。这样全桥电路结构在SPWM信号的控制下，在Q1的源极和VCS1两点间也会产生一个电压幅值为Vin的SPWM波，再将此SPWM信号进行LC滤波后便可以从SIN+和SIN-端得到所需的励磁信号。这里的MOS管选择需要开关速率快且大于500kHz才能满足高频的SPWM信号控制，还需要导通电阻小才可减少功耗和降低发热。综上理由，此处选择IRF1010作为开关MOS管，此管的漏源击穿电压为55V，导通电阻为11m，最大漏极电流为85A，且开关动作的上升、下降时间均在几十ns级。完全可以满足本电路的设计要求。

如图14所示为逆变电路的电流反馈及放大电路图。其核心器件是一片隔离放大芯片HCPL-7800和一片差分运放放大芯片。此电路结构主要用于动态反馈调整正弦调制信号在Y轴上的位置使其能与锯齿波信号顺利的合成SPWM信号。反馈的后端连接参见图9中的电路。当全桥电路结构中Q1的源极和VCS1两点两点间的SPWM电压波形正常时，SIN-点检测到的电位应为零，此时隔离放大器输出的两个电压值相等且为2.5V，所以后级差分放大电路Ipcs输出端的电压为0。当正弦调制信号在Y轴上偏高时，SIN-点有一个正的电位，隔离放大器的7脚电位会高于6脚的电位，于是差分放大运放会在Ipcs端输出一个负的直流电压，此电压将会在如图9所示的电路中与正弦调制信号叠加，重新将调制信号偏移到Y轴的正常位置。当调制信号在Y轴上偏低时情况类似。

如图15所示为励磁信号源的短路保护电路。当全桥电路的输出端电流突然增大时，如图13中的VBS会增大，当VBS增达到磁滞比较的上门限电压：

（14）

磁滞比较运放输出反转并输出一个低电平，经过反相器反转后变为高电平同时将MOS管Q5导通，于是驱动芯片的SD引脚都被拉低，驱动芯片不使能，此时全桥电路中的所有MOS管均截止。当没有电流激增时，VBS会小于磁滞比较的下门限电压：

（15）

比较器输出以高电平，经反向后变为低电平，MOS管Q5截止，SD引脚默认为高电平，驱动芯片使能正常工作。这样就起到了一个短路保护的功能。

本发明采用一种基于ARM7微处理器STM32F103Z接口的5.0寸液晶触摸屏，常用型号有LH500WX1-SD03、ACX443AKM-7、KD050C-1-TP 、AM-800480AATMQW-T00H等，它们具有精度高、彩色显示逼真、应用灵活等特点，可以作为中高端电子产品字符、图像的显示及人机对话的窗口。

液晶显示的总体方案原理如图16所示。液晶触摸屏系统由5.0寸TFT 液晶屏模块、触摸屏和ARM微处理器组成，具体参见图1总体功能框图。触摸屏由触摸传感器和触摸屏控制器ADS7843组成，触摸传感器安装在LCD液晶屏前面，用于检测用户触摸位置，用户触摸信息送往ADS7843控制器，并转换成触点坐标，送给MCU。MCU根据接收到的触摸信息，进行信号的运算和处理，控制液晶屏实现用户画面和数据的显示。

液晶控制器由16位并行数据接口、内部控制器和LCD驱动器组成。液晶数据传输方式为16位并行方式。PF11为亮度驱动控制输入，经npn三极管放大后作为液晶背光。触摸屏部分由触摸传感器部件和触摸屏控制器ADS7843组成。将图8中的高速AD芯片采集图2中所示的u1和uc两路磁场强度和磁感应强度对应的电压信号，将采集到的数据送到微处理器运算转换处理后，将结果送到液晶屏上，并显示出B-H特征曲线和对应的相关特性参数。

如图17所示为此B-H特征曲线的液晶显示界面，其中包含磁性材料型号，以及图中所示的相关固定参数，包括磁性材料初级线圈匝数和副线线圈匝数，平均磁路长度，样品横截面积S，积分电容C及电流检测电阻R1，积分电阻R2。根据显示屏上的公式得到出磁场强度H和磁感应强度B与这些固定参数的对应关系。

如图18所示为MCU的程序控制流程图。首先程序开始，然后初始化MCU和各芯片的寄存器和引脚。接着进入while循环，循环中先执行AD数据转换子函数，接着执行液晶显示子函数，接着判断是否有数据存储到存储器或是从USB中读取存储卡中的数据，有则执行相应的子函数，无则判断按键中断。当没有键按下直接返回到while循环开始处；当有键按下则执行相应的中断，并执行相应的按键请求函数。执行完后返回到while循环的开头继续执行。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、励磁信号电流大。本发明的励磁信号源采用了功率电子学中的全桥逆变技术，由模拟的锯齿波信号和正弦调制信号比较得到的SPWM（Sinusoidal PWM，正弦脉宽调制PWM）信号来控制全桥逆变电路中MOS管的工作方式。全桥逆变技术在逆变开关电源中有着广泛的应用，它的输出功率比推挽式开关电源大很多，由此带来较大的励磁电流（Imax=2A）可以更容易使磁性材料达到磁饱和状态。

2、励磁信号频率宽。本发明中的励磁信号源采用数字信号合成技术，即将MCU控制DDS（Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器）芯片产生的正弦信号作为合成SPWM信号的调制信号。DDS输出信号的频率分辨率高、输出频点多、可达2的N次方个频点(N为相位累加器位数)。它在本发明中的应用可以使输出励磁信号的频率在1kHz-50kHz之间且可调，从而可显著增加磁性材料的测量范围，尤其适用于高频软磁材料的测量。

3、电源采用开关电源技术。本发明需要+15V-30V可调的电源、+12V、+5V、+3.3V、-5V为系统提供供电。电源模块中首先由反激AD-DC电源技术将市电转化为+15V-30V的可调电压Vin输出。电压调节由数字电位器通过MCU和触摸屏共同完成。接着采用两路BUCK直流斩波（Buck Chpper）电路将Vin分别降压为+12V和+5V输出，同时将Vin通过反向降压电路得到-5V电压输出。最后将+5V电压线性降压得到+3.3V电压输出。相比传统线性电源供电，大量采用开关电源技术使本作品的工作效率大大提高，总功耗大大降低，同时减小了本发明的总体积。

4、测试电路结构简单。磁性材料上饶有初次级励磁线圈，励磁信号作用于磁性材料的初级线圈，由法拉第电磁感应定律在次级线圈上获得感应电压，然后用高速双通道AD同时连续采样初级回路中电流采样电阻上的磁场强度H的电压信号和次级回路中积分电容上的磁感应强度B的电压信号。或者直接用示波器的X、Y通道分别提取出H和B的电压信号。此电路具有结构和原理简单，H和B的采样信号稳定可靠，为最终在屏幕上准确地显示B-H特征曲线提供了可靠的保证。

5、输出显示直观。本发明采用以ARM为核心处理器，高速AD芯片实时采集测量数据，MCU将采集的数据计算处理并通过触摸液晶屏直观显示出来。得到的B-H曲线不需要再经电脑上的软件绘图处理，通过触摸屏操作便可方便查看各参数及B-H曲线。本发明的另一大特点是预留了与示波器双通道相连的接口，使得测量曲线不仅可以通过液晶屏显示也可以在示波器上观察，利用示波器强大的信号动态分析能力可以单独分析磁感应强度B和磁场强度H信号的动态变化过程，以及B-H曲线对应的电压信号的合成过程，方便深入研究磁性材料的特性。

6、数据可存储读取。本系统中通过高速AD采集的磁感应强度B和磁场强度H的电压信号数据会存储到存储卡上，并以.txt文件保存。并且还可以将B-H特征曲线以图片格式保存到存储卡中。通过触摸屏操作可以在液晶屏上读取这些数据或图片等信息。系统留有USB接口，通过U盘可以读出图片或将数据读取到电脑上保存成Excel格式，经过相关的绘图软件如Origin绘图分析。

7、体积较小成本较低。本发明所测得的磁性材料的数据是通过MCU处理并通过液晶屏显示，通过触摸屏操作来分析磁性材料的特性。因此本测试装置不依赖电脑或示波器来观察数据，系统体积大大减小，成本也会降低许多。

本发明的磁性材料B-H特征曲线宽频测试装置采用由SPWM信号控制的全桥逆变电路产生励磁信号，并改进输出显示，使显示更直观。经过大量实验，确定了测量装置的最佳参数选择。实验测试充分证明本发明具有测试精度可靠，工作稳定，体积小，输出直观，操作方便，价格相对较低等优点。本发明的提出对磁性材料在实际工程中的应用具有积极的意义。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。