利用磁通計(jì)模擬沖擊法原理測(cè)試初始磁導(dǎo)率

汪迪坤，韓和兵，李曉馬，石英珂，許東耀

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

沖擊法[1]作為一種被眾多國(guó)家列為直流磁性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)方法，其在軟磁直流磁性能測(cè)試過(guò)程中，有著測(cè)試精度高、測(cè)試結(jié)果重復(fù)性好等特點(diǎn)。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用于沖擊法進(jìn)行磁性能測(cè)量的沖擊檢流計(jì)現(xiàn)已逐漸退出了歷史舞臺(tái),取而代之的是分辨率與精度越來(lái)越高、漂移越來(lái)越小的磁通計(jì)。高端的磁通計(jì)已實(shí)現(xiàn)了量程無(wú)上限，最小分辨率達(dá)10-7V·s且漂移小于10-6V·s/min，已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)磁性材料測(cè)試的需求。但是在軟磁材料磁性能測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用磁通計(jì)積分法在測(cè)試超高磁導(dǎo)率的鐵鎳合金、非晶態(tài)合金時(shí)，即使每次測(cè)試前都對(duì)試樣進(jìn)行了完全的退磁處理，但最終所測(cè)得的初始磁導(dǎo)率都會(huì)有較大的波動(dòng)，即測(cè)試重復(fù)性差，同一試樣在同樣條件下所測(cè)出的初始磁導(dǎo)率可能會(huì)偏差30%以上[2]?；诖嗽?，針對(duì)坡莫合金等初始磁導(dǎo)率高的軟磁材料，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有能夠統(tǒng)一計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)試樣，中國(guó)計(jì)量院也無(wú)法完成此類合金標(biāo)樣制作與計(jì)量的工作。本文利用磁通計(jì)積分法測(cè)試軟磁材料的磁性能設(shè)備，結(jié)合國(guó)標(biāo)中要求的高磁導(dǎo)率材料的測(cè)試條件參數(shù)，設(shè)計(jì)出采用磁通計(jì)積分法來(lái)模仿經(jīng)典沖擊法的軟磁合金直流磁性能測(cè)試方法，最終驗(yàn)證了采用磁通計(jì)積分法模仿沖擊法來(lái)測(cè)試軟磁合金初始磁導(dǎo)率的測(cè)試方法,新方法測(cè)試所得到的數(shù)據(jù)與采用沖擊法測(cè)試所得的數(shù)據(jù)具有相近的精確度與重復(fù)性。

1 磁通計(jì)積分法模擬沖擊法測(cè)試原理

圖1 軟磁合金直流磁性能測(cè)試沖擊法原理圖

圖2 磁通計(jì)積分法測(cè)試軟磁合金直流磁性能的磁滯回線

(1)

至此可以看出，采用磁通計(jì)積分法來(lái)模擬沖擊法在測(cè)試原理上是可行的，測(cè)試的微小不同取決于各個(gè)磁性能測(cè)試設(shè)備對(duì)磁化電源輸出電流的控制精度與磁通計(jì)的積分精度等硬件設(shè)施。

2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文選取國(guó)標(biāo)中常用的較高磁導(dǎo)率的材料1J50與常用的高磁導(dǎo)率材料1JH3作為研究對(duì)象，來(lái)驗(yàn)證利用磁通計(jì)模仿沖擊法來(lái)測(cè)試軟磁材料初始磁導(dǎo)率的可行性。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

(1) 采用常規(guī)測(cè)試磁化曲線的方法測(cè)試兩種軟磁合金同一個(gè)試樣的磁化曲線，每個(gè)試樣測(cè)量10次，并取出此種方法測(cè)試的初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)；

(2) 采用測(cè)試設(shè)備的磁通計(jì)測(cè)試兩種軟磁合金同一試樣磁化至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定的磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁滯回線10次，并依據(jù)式(1)計(jì)算出10個(gè)磁滯回線所對(duì)應(yīng)的初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)即為初始磁導(dǎo)率；

(3) 再采用沖擊法分別測(cè)量?jī)煞N軟磁合金同一個(gè)試樣的初始磁導(dǎo)率10次，并記錄下測(cè)試結(jié)果。

最終將實(shí)驗(yàn)過(guò)程(1),(2)得到的初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)分別與標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的沖擊法測(cè)試得到的數(shù)據(jù)做對(duì)比，以此來(lái)分析采用磁通計(jì)模仿沖擊法測(cè)試軟磁合金初始磁導(dǎo)率的測(cè)試精度與測(cè)試數(shù)據(jù)的可信度。如果磁通計(jì)積分法來(lái)模仿沖擊法所測(cè)試得到的初始磁導(dǎo)率與沖擊法測(cè)試所得到的初始磁導(dǎo)率偏差,能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的偏差范圍,且能夠具有較高的重復(fù)性與可信度，則可以認(rèn)為磁通計(jì)積分法測(cè)試軟磁合金初始磁導(dǎo)率的方法是可行的。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

采用磁通計(jì)積分法直接測(cè)量1J50與1JH3軟磁合金的磁化曲線分別如圖3、圖4所示。從其測(cè)試數(shù)據(jù)中提取出10次的初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 10次測(cè)量的1J50軟磁合金磁化曲線

從10次采用磁通計(jì)積分法測(cè)試得到的兩個(gè)不同磁導(dǎo)率材料的磁化曲線可以看出，對(duì)于磁導(dǎo)率較小的材料1J50，10次測(cè)試數(shù)據(jù)曲線基本重合，這是由于磁導(dǎo)率較低的材料在測(cè)試過(guò)程中對(duì)環(huán)境、測(cè)試前樣環(huán)的退磁情況敏感性較低。測(cè)試結(jié)果具有很高的一致性，但是從測(cè)試數(shù)據(jù)提取出的10次初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)與均值最大差異達(dá)到6.3%。而對(duì)于磁導(dǎo)率高的1JH3，10次測(cè)試的磁化曲線出現(xiàn)了明顯差別，這主要是由于高磁導(dǎo)率類材料對(duì)測(cè)試過(guò)程中的環(huán)境，測(cè)試前的退磁狀態(tài)比較敏感，環(huán)境或退磁狀態(tài)稍有差異就會(huì)造成磁化曲線的不一致。因此，采用磁通計(jì)積分法雖然測(cè)得了1JH3材料的磁化曲線，但由于其磁化曲線波動(dòng)較大，測(cè)試結(jié)果可信度較低，此10次測(cè)試出的初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)與均值最大差異達(dá)到2.95%，盡管10次測(cè)量得到的初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)波動(dòng)性不是很大，但從測(cè)試曲線看不排除多次測(cè)量會(huì)得到波動(dòng)較大的數(shù)據(jù)。

表1 采用磁通計(jì)積分法10次直接測(cè)量1J50與1JH3的初始磁導(dǎo)率

圖5 10次測(cè)量的1J50軟磁合金磁滯回線

從10次采用磁通計(jì)模仿沖擊法測(cè)試1J50與1JH3的初始磁導(dǎo)率的磁滯回線可以看到，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中數(shù)據(jù)點(diǎn)都成鋸齒狀，其中1J50的磁滯回線鋸齒狀更為明顯。造成此現(xiàn)象的主要原因是磁通計(jì)的漂移。由于1J50的磁導(dǎo)率較低,為7 mH/m，在場(chǎng)強(qiáng)0.4 A/m、截面積20 mm2、次級(jí)線圈N2為100匝的情況下，次級(jí)線圈接入磁通計(jì)的磁通量只有5.6 μWb左右，而目前最高精度的磁通計(jì)的分辨率也只達(dá)到10-7Wb，最小漂移量為1×10-6Wb。由此可見(jiàn)，磁導(dǎo)率越低、磁化場(chǎng)強(qiáng)越低、次級(jí)感應(yīng)線圈匝數(shù)

表2 采用磁通計(jì)模仿沖擊法10次測(cè)得1J50與1JH3的初始磁導(dǎo)率

從10次采用磁通計(jì)模仿沖擊法測(cè)試1J50與1JH3的初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)可以看出，盡管采用磁通計(jì)模仿沖擊法測(cè)試磁滯回線測(cè)試所得到的數(shù)據(jù)不平滑，出現(xiàn)鋸齒狀，但是依據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到的1J50初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)與均值差值最大也只有1.9%的差異，而依據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到1JH3初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)與均值最大的差異也只有1.1%。目前，相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法給出磁導(dǎo)率測(cè)試誤差重復(fù)性的要求，依據(jù)相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，磁性能測(cè)試時(shí)，磁化場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試誤差≤2%，感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)類參數(shù)測(cè)試誤差≤3%。從以上兩個(gè)參數(shù)要求來(lái)看，采用磁通計(jì)模仿沖擊法測(cè)試軟磁材料初始磁導(dǎo)率是完全可行的。為了提高測(cè)試精度，還可以通過(guò)提高感應(yīng)線圈匝數(shù)、增大測(cè)試樣環(huán)的截面積與采用精度更高的磁通計(jì)等措施，來(lái)進(jìn)一步提高測(cè)試數(shù)據(jù)的可信度。

采用沖擊法測(cè)試的1J50與1JH3軟磁合金初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 采用沖擊法10次測(cè)得1J50與1JH3的初始磁導(dǎo)率

從采用沖擊法的10次測(cè)試1J50與1JH3軟磁合金初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)可以看出，采用沖擊法測(cè)試的1J50初始磁導(dǎo)率均值與采用磁通計(jì)模仿沖擊法測(cè)試出的初始磁導(dǎo)率均值只相差了0.97%，10次采用沖擊法測(cè)試出的1J50初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)與均值相差最大為2.3%?？梢钥闯觯捎脹_擊法測(cè)試軟磁合金磁性能也存在測(cè)試結(jié)果重復(fù)性差的問(wèn)題，這主要是由于沖擊法測(cè)試時(shí)測(cè)試樣品在次級(jí)線圈中電流的暫態(tài)振蕩引起的[5]。采用沖擊法測(cè)試出的1JH3初始磁導(dǎo)率均值與采用磁通計(jì)模仿沖擊法測(cè)試出的初始磁導(dǎo)率均值只相差了0.45%，采用沖擊法測(cè)試出的1JH3初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)與均值相差最大為1.5%。由此可見(jiàn)，利用磁通計(jì)模仿沖擊法測(cè)試軟磁合金初始磁導(dǎo)率是完全可行的。

將三種測(cè)試方法所得到的初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以沖擊法測(cè)試的初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，分別對(duì)比磁通計(jì)積分法與磁通計(jì)模仿沖擊法測(cè)試結(jié)果與沖擊法測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果的差異如表4、表5所示。

表4 不同測(cè)試方法10次測(cè)試1J50與初始磁導(dǎo)率統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)表

表5 不同測(cè)試方法10次測(cè)試1JH3與初始磁導(dǎo)率統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)表

從表4、表5不同測(cè)試方法的10次測(cè)試初始磁導(dǎo)率對(duì)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)表可以看出，采用磁通計(jì)模擬沖擊法測(cè)試的初始磁導(dǎo)率結(jié)果與采用沖擊法測(cè)試出的初始磁導(dǎo)率偏差在1%以下,且采用磁通計(jì)積分法測(cè)得的初始磁導(dǎo)率的方差甚至優(yōu)于沖擊法測(cè)試得到的數(shù)據(jù)。而采用磁通計(jì)積分法直接測(cè)量得到的初始磁導(dǎo)率與沖擊法測(cè)試得到的初始磁導(dǎo)率偏差最大高達(dá)5.66%，且磁通計(jì)積分法測(cè)試出的初始磁導(dǎo)率均方差也較高，有很大的不確定性。至此，我們驗(yàn)證了采用磁通計(jì)替代沖擊檢流計(jì)進(jìn)行模擬沖擊法測(cè)試軟磁合金初始磁導(dǎo)率的方法是可行的，且采用磁通計(jì)代替沖擊檢流計(jì)的模擬沖擊法測(cè)試軟磁合金的初始磁導(dǎo)率也具有與采用沖擊檢流計(jì)相仿的重復(fù)精度，采用磁通計(jì)模仿沖擊法還可以通過(guò)后續(xù)的增加感應(yīng)線圈N2的匝數(shù)等措施來(lái)進(jìn)一步提升測(cè)試數(shù)據(jù)的一致性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)仿效沖擊法測(cè)試軟磁合金磁性能的原理，提出了采用磁通計(jì)測(cè)試軟磁合金磁滯回線所得到的測(cè)試數(shù)據(jù)，并結(jié)合磁滯回線對(duì)稱的特點(diǎn)，模擬沖擊法來(lái)計(jì)算測(cè)試軟磁合金初始磁導(dǎo)率的方法，通過(guò)對(duì)比分析采用磁通計(jì)積分法、磁通計(jì)模擬沖擊法與經(jīng)典沖擊法測(cè)試出的初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)，采用磁通計(jì)積分法測(cè)試得到的初始磁導(dǎo)率精度較低、重復(fù)測(cè)試精度較差，而采用磁通計(jì)模擬沖擊法測(cè)試所計(jì)算得到的軟磁合金的初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)精確度與采用沖擊法測(cè)試所得到的初始磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)精確度偏差在1%以內(nèi)，且測(cè)試重復(fù)性甚至更優(yōu)于采用沖擊法所測(cè)得的數(shù)據(jù)，因此我們認(rèn)為采用磁通計(jì)模擬沖擊法測(cè)試軟磁合金的初始磁導(dǎo)率是準(zhǔn)確且可行的。