確定磁芯B-H回路特性的虛擬儀器

在設計含磁芯材料的電感元件時，工程師必須準確測出該材料的特性。磁芯的動態磁滯回路（或B-H曲線）包含了有關磁芯損耗和其它磁參數的有價值信息。不幸的是，商用的磁回路分析儀都很昂貴，不適合小規模研究實驗室和制造商使用。本設計實例描述了一個虛擬儀器，它采用一臺臺式或筆記本計算機，結合一個模擬數據采集卡和National Instruments（www.ni.com）的LabView軟件（7.1版以上）。使用時，軟件提取B-H回路信息、磁芯損耗以及其它磁性參數，測量費用可以接受。

　　圖1顯示的是一個磁芯器件的測試裝備。器件T₁包括一個磁芯材料樣品和兩個匝數相等的繞組。一只精密電流檢測電阻器R₁用作激勵電流的采樣，該電流在磁芯中產生磁場。R₁上的電壓降與激勵電流和磁場H成正比。由電阻器R₂和電容器C₁組成的網絡對二次繞組中產生的電壓作積分。C₁上電壓與磁芯中的磁通密度B成正比。實際上，R₂的值應比工作頻率下電容器C₁的阻抗大得多。（根據教科書對電路的說明，建議兩者的比率為100:1。）

　　元件的公差和特性都會影響測量的精度。R₁要使用無感、額定功率合適、1%公差的1Ω電阻；C₁要選用低泄漏、低介質吸收、聚酯或聚丙烯薄膜電容，公差要嚴格。數據的獲取和查看使用由National Instruments 的PCI-6024E數據采集卡和LabView構成的專用虛擬儀器。軟件使用了NI公司的Express VI（虛擬儀器）技術，極大地簡化了用戶設計數據的采集與處理工作。該應用程序只使用兩個數據采集模擬輸入通道：Channel 0采集磁場讀數（H），并以每米安匝的單位顯示在x-y圖的x軸上，而Channel 1則捕捉磁通密度B，以特斯拉(tesla)單位顯示在y軸上。

　　在低頻下，磁芯的磁滯損耗占主要地位，而在較高頻率下，渦流損耗則更加明顯。用瓦特表型算法可以計算出磁芯損耗，但也可將自己的算術表達式寫入VI塊圖的公式結點作替換。LabView還可以保存數據，并將結果輸出成微軟Excel數據表格式，或輸出到其它程序中作進一步分析。

　　你可以用數據采集卡的八個差分模擬輸入通道的其它部分判定電感值。此時，要測量器件初級繞組上的電壓，并計算它的均方根值。電壓與通過R₁測得的均方根電流的比值就確定了繞組標量阻抗值X_L的大小。然后，可以用下列公式計算出電感量：L=X_L/2πf，其中，f表示所施加激勵電壓的頻率。

　　圖2是一個3B7混合型鐵氧體磁芯的磁滯曲線，初、次級繞組均為100匝，測量頻率為60 Hz。為了作比較，圖3顯示了一個繞在由顆粒取向硅鋼片構成的環形磁芯上的100W電源變壓器的60 Hz磁滯曲線。環形磁芯較寬的回路表示更強的磁滯作用，這是飽和磁芯電源變換器要使用的特性。為了施加60 Hz激勵，可以用一個降壓（絕緣）變壓器驅動器件的初級繞組，該降壓變壓器可用一個可調輸出自耦變壓器供電，如GenRad（www.ietlabs.com）的Variac。在獲得B-H曲線顯示時，逐漸增加初級電壓，直到磁滯回路的上、下部分平坦為止，此時表示進入磁芯飽和。如果使用準確的話，不需要作校正。但在評估磁芯材料時，可能需要用不同匝數作試驗，從中獲得繞組的最佳安匝值。

　　在60Hz測試時，積分網絡中的 R₂使用267kΩ公差1%的電阻器，C₁使用1mF聚酯介質電容器。根據匝數以及獲得有用輸出電壓所需電流，數伏的交流激勵電壓通常就足以完成測試。在較高頻率的磁芯測量中，將一個信號發生器連接到功率放大器上，并改變RC積分器中各元件的值，使之能在所需頻率下正常工作。雖然設備并未采用數據采集卡的模擬輸出，但這個輸出可以作為功率放大器的一個正弦信號源。

　　請檢查你準備使用采集卡的電氣規格，避免超出該卡的峰/峰差分電壓與共模輸入電壓。如果激勵電壓接近或超過卡的標稱值，則要增加一個10:1的分壓器進行限壓，并在軟件中增加一個因數為10的增益乘法器，以補償衰減器的損耗。