磁性材料基本磁化曲线的测量.docx

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磁性材料基本磁化曲线的测量

磁性材料基本磁化曲线的测量

一、实验目的

1.通过实验了解铁磁材料基本磁化曲线测试的原理，熟悉磁锻、去磁的过程，以及用数字磁通计测量磁通的方法，掌握用冲击法测量铁磁材料基本磁化曲线的方法；

2、通过实验熟练掌握数字磁通计的使用方法。

二、磁性材料的静态磁特性的测量原理

1.原理

磁性材料静态磁特性的测试，主要包括基本磁化曲线和磁滞回线及有关磁参量的测试。

静态磁特性测量的基本原理式根据电磁感应原理，当磁化回路中的磁化电流改变时，试样中的磁通量随之改变，在测量线圈两端产生感应电动势，根据冲击检流计偏转和磁化电流确定试样的直流磁性参数。

磁轭由高导磁材料制成，其截面积大于试样截面积50倍。

磁轭与试样间的气隙极小，因此磁轭与试样构成的磁路中，可近似地认为磁势全部降落在试样上。

根据磁路中的安培环路定律。

试样中的磁场强度H为

（1）

式中L为试样的有效长度。

根据电磁感应定理可知，当磁化电流增加时，试样中的磁通量增加，则测试线圈W2中的磁通链增加，即。

将使数字磁通计产生偏转，其最大偏转值。

因此磁感应强度B的增量为：

（2）

式中S为试样的截面积。

常用的测量装置见图1所示，图中：

T～220——去磁用交流调压器220/0~250V，500VA；

A——监视去磁电流用的交流安培表，选用量程1A；

E——直流稳压电源；

R2——多档可选电阻；

a.——磁轭。

截面积为4900mm2；

b.——试样。

截面积S=100mm2，试样的有效长度L=230mm；

W1——试样的磁化绕组。

2000匝（由红色接线柱引出）；

W2——磁测试线圈。

30匝（由黑色接线柱引出）；

mA——直流毫安表；

Φ——数字磁通计，选用量程10mWb；

K1、K2、K3一双刀双向开关；

图1冲击法测量铁磁材料基本磁化曲线的原理图

2.实验装置使用介绍

图2实验装置的面板图

在实验装置图2中，交流回路已经接线完毕，无需用户接线。

只需将直流励磁回路按图1接线即可。

其中稳压电源输出控制在10V以内；滑线变阻器R2换用多当电阻选择开关来代替，分为18档，“ON”为电阻接通、“OFF”为电阻短路（1档电阻最小——电流最大，18档电阻最大——电流最小，每次调节磁化电流时，只能有1个档位的电阻置于ON上）。

三、实验内容与步骤

1.基本磁化曲线的测量

（1）按图1电路在实验装置上接线。

注意：

交流回路已在装置内部接好，无需用户接线；

（2）退磁；

K1合向AC，将交流调压器从0增大调节使监测用交流安培表回路中的去磁电流不超过1A，再缓慢调节输出至0V，以此对试样进行退磁；

（3）调节磁化电流：

K3合向短路，K1合向DC，K2合向任一方。

选择多档电阻选择开关R2的档位1在ON上，其它档位2～18均置于OFF上，调节磁化电流为某一确定的的值（磁化电流范围从250mA～10mA）。

（4）磁锻：

K1合向DC。

把K2反复合向“上”和“下”（），使试样磁锻循环在10次以上，最后K2合在“上”（对应图3所示磁滞回线上a点）或“下”（对应图3磁滞回线所示上a1点）上。

（5）K3合向测量，把K2由“上”（或“下”）断开（Hm→0，a→b），同时读出数字磁通计的读数值，此时与成正比；

（6）数字磁通计复位清零稳定后，把K2从断开位置合向“下”（或“上”）（0→－Hm，b→a1），同时读出数字磁通计的读数值，此时与成正比；

（7）根据上述现象和测量结果；利用式

（1）、

（2）求出Bm和Hm以及μ的数值；

（8）分别选择多档电阻选择按钮R2的不同档位2～18，调节磁化电流重复步骤

（1）～（7），测出另一组Bm、Hm和值。

要求最小值测量到10mA，共测量18组值，将结果分别填入表1，并绘出基本磁化曲线（Bm～Hm曲线）。

图3磁滞回线

表1基本磁化曲线的测试数据

Im（mA）

（mWb）

（mWb）

Im（A）

（mWb）

（mWb）

四、报告要求

1．简述磁材料静态磁特性的测试原理；

2．填写实验数据表格，根据测试基本磁化曲线的数据，画出给定铁磁材料基本磁化曲线、磁导率曲线，并求出相应最大磁导率μ；

3．回答思考题。

五、思考题

1．在实验过程中，若实验步骤操作出错，应重新哪些操作？

2．如何较为准确地找出最大磁导率μm的值？

3．根据电路中各参数和实验要求，如何确定出应取的十八个电阻值，使测试点在基本磁化曲线上的均匀分布？

六、注意事项

1．实验前，应根据铁磁材料的磁性质，将实验步骤中各开关前后动作的次序从道理上弄清楚，并熟练掌握；

2．电阻R2是测量过程中调节磁化电流的电阻。

实验时，为了确定最大磁化电流为250mA，应现将电阻R2置于1档的ON上，调节稳压电源的输出电压，再改变电阻R2的各个档位进行测量。

七、实验设备

1、磁轭及铁磁材料试样自制1套W1＝2000匝W2＝30匝

2、实验装置自制1套

3、数字磁通计HT7001台

附录：

HT700型数字磁通计的操作方法

1．打开电源，LED显示器点亮，预热5分钟；

2．按下测量按键，按下所需量程（若不能预先得知测量范围，则应从高量程档开始测量）；

3．漂移调节：

按下测量键后，LED显示器会出现数字，并从正向（或负向）方向一直增加（这是积分器漂移也被累加的缘故）。

先将输入端短路，用调零电位器对漂移进行调节，如数值变化慢则表示调节方向正确，否则需反向调节，直至数值变化相当慢（甚至不变），直至显示为零。

4．测量：

A．积分信息测量，按“复位”开关，输入一次电压脉冲信号，看清该脉冲信号被积分后的电压读数，随即按复位键；

B．峰值保持测量，按下“保持”键，按一下复位快关后，输入一组需保持最大值的电压脉冲信号，该积分后的电压最大值读数即被保持，如需去掉原来读数，则按“复位”开关，显示即为零。

C．在测量过程中进行漂移调节是必须的。

5．读数方法：

满磁通量程时显示为1000，如显示不到1000说明没有满量程。

例如：

量程为10-2Wb，而显示900，则磁通量Ψ＝0.9×10-2Wb＝900×10-2Wb。

电气量的测量

一、实验目的：

1．学习交流电压、电流和功率的测量方法；

2．了解电压变送器、电流变送器的工作原理和使用方法；

3．对实验装置组成的测试系统进行电压和电流的标定；

4．对给定的负载电压和电流进行满量程校验，对给定的三个负载的有功功率进行测量。

二、实验原理：

1.交流电压参数的测量

1.1交流电压的主要参数

1）瞬时值：

T0为交流电的周期；

2）幅值：

在一个周期内T达到正的最大值称为幅值。

3）平均值：

（1）

当有直流分量时，对纯正弦交流电压，平均值就等于该直流分量。

当无直流分量时，平均值为零。

在实用中是对u（t）的绝对值进行平均。

所以：

4）有效值：

交变电压u（t）的均方根称为有效值（又称真有效值）。

1.2交流电压参数的测量方法

交流电压参数的测量一般分传统的仪表测量和计算机测量两种方法。

采用传统的交流电压表测量，一般显示值为被测电压的有效值。

根据仪表的工作特性，一般分为平均响应型和有效值响应型两种。

●平均响应型仪表是把被测电压经平均值转换电路变成与u（t）的平均值成正比的直流电压，然后乘上特定的波形系数变换成被测电压的有效值。

此类仪表显然只适用于特定的波形（一般为正弦波）的有效值测量。

而对非正弦波，会因波形系数的变化而引起误差。

●有效值响应型电压表是利用热电变换或有效值检波电路，将U（t）变换成与其有效值成正比的直流电压，然后计算显示。

此类仪表不仅适用于测量正弦波，而且也适用于测量非正弦波。

通常讲的真有效值电压表就是指此类仪表。

在交流电压测量中，交流电压的频率f对仪表误差的影响很大。

保证仪表基本误差的频率范围称之为仪表的工作频带。

采用计算机测量交流电压参数，由于能够采集显示被测信号的完整波形，能同时测量各种参数，且准确度较高。

这是传统仪表无法比拟的。

1.3计算机测量交流电压参数的原理

1）频率的测量

频率的测量是通过计算信号的过零点来实现的。

将采集到的被测信号去掉直流分量，然后寻找其过零点，则得到信号频率为：

式中：

pot_0为一个周期的采样点数，为采样周期。

2）有效值测量

根据有效值的定义式：

可得有效值的离散计算式：

式中，N为信号在一个整周期内的采样点数。

3）平均值测量

根据式

（1）式，可得平均值的离散计算公式：

式中，N为信号在一个整周期内的采样点数。

此外通过相应程序的编制，极易实现信号峰值、交流分量的有效值、直流分量等参数的测量。

2.功率的测量

2.1变送器原理概述

变送器原理框图如图1所示。

变送器的输入信号可以是电量的（如电压、电流），也可以是非电量的（如压力、温度）。

其内部主要包含传感器、前置放大器及输出电路三部分。

传感器将待测的非电量信号转换为电信号，经前置放大器放大后，通过输出电路转换成1～5V标准电压或4～20mA标准电流信号。

图1变送器原理框图

2.2功率的测量

负载功率与电压、电流的关系式为：

其中：

、分别为交流电压、电流的有效值，为有功功率，为电压和电流的相位差。

当负载为纯阻性时，＝1。

可知，电流和电压的有效值离散计算式分别为：

其中：

N为电压/电流信号在一个周期内的采样点数，ik、uk分别为采集到的电压、电流信号在第k个时刻的采样值。

则负载功率的离散计算式为：

其中：

为有功功率，N信号在整周期内的采样点数。

、分别为整周期内交流电压、电流的采样值。

3.相位的测量

3.1过零法测量原理

过零法即通过判断两同频率信号过零点时刻,计算其时间差,然后转换为相应相位差。

这一过程可用图2表示。

Δφ=△t/T*360

图2过零法计算相位差的示意图

其中:

△t为过零点时差;T为信号周期

在软件实现时,信号被采样离散化而用一组数表示,△t即与数组元素的序号之差有关。

假设信号1过零点对应数组第i个元素,信号2的过零点对应其数组第j个元素,则有

Δφ=（j-i）*t/T

其中:

t为采样周期。

实际上，在程序的算法实现中,过零点的判断本身就存在误差,因为实际信号采集几乎无法准确采集到零点时刻,我们是通过信号前一时刻和后一时刻的值的变化来判断过零点的,通常依据两值乘积为小于等于零来判断,因此过零法本身就有一定的误差。

3.2FFT频谱分析法原理

FFT法求相位差，即对信号进行频谱分析,获得信号的相频特性,两信号的相差即主频率处相位的差值，所以这一方法是针对单一频率信号的相差测量的。

在有限区间（t,t+T）内绝对可积的任一周期函数x（t），它的傅里叶级数展开式为

同时x（t）可以表示为

比较上式可得：

由此可得，两信号的相位差为

此方法基于连续信号离散化处理的离散傅利叶变换（DFT），FFT是DFT的一种快速算法。

它要求所处理的数据总数为2n，因而对采集的数据总数有要求，另外要求采样必须满足“采样定理”，否则发生频谱混叠。

3.3相关法原理

设有两同频信号x（t）和y（t），可表示为

x（t）=Asin（ωt+θ）+Nx（t）,y（t）=Bsin（ωt+θ+φ）+Ny（t）,

其中Nx（t）,Ny（t）为噪声信号，φ为两信号相差。

则两信号的互相关函数为:

由于噪声与信号不相关，而且