薛 剛， 李永建， 曹 磊， 張維強(qiáng)

(河北工業(yè)大學(xué)電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室， 天津 300130)

磁性材料三維磁特性傳感信號檢測技術(shù)中關(guān)鍵問題的研究與分析

薛 剛， 李永建， 曹 磊， 張維強(qiáng)

(河北工業(yè)大學(xué)電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室， 天津 300130)

精確模擬磁性材料實際工作狀態(tài)下的磁特性對于提高電機(jī)、電力變壓器等電工設(shè)備的性能和效率具有重要意義。為了全面解析磁材料磁特性，提出了三維磁特性測試方法，并針對三維磁特性傳感信號的檢測問題進(jìn)行了深入研究。設(shè)計了新型三維B-H傳感線圈與傳感箱并分析了三維傳感線圈的校準(zhǔn)標(biāo)定等難點問題，討論了測試過程LabVIEW運算中在三維激勵條件下的積分漂移和采集中的雜波干擾等關(guān)鍵性問題，并提出解決方案。實驗證明，所提出的解決方案是有效的，具有可行性。

磁特性檢測； 線圈校準(zhǔn)； LabVIEW； 數(shù)據(jù)采集

1 引言

提高電力變壓器、電機(jī)等電工設(shè)備的性能和效率最有效的途徑是解決鐵心磁性材料磁特性的準(zhǔn)確測量等問題。對于磁性材料的磁特性測量，國際電工委員會(IEC)給出的標(biāo)準(zhǔn)為愛波斯坦方圈法和單片測量法[1]，其假定磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H平行，忽略材料的各向異性，屬于一維磁特性測量。而對于設(shè)備中運行的磁性材料如硅鋼片、軟磁復(fù)合材料等，僅僅考慮一維磁特性是不夠的，必須考慮磁性材料二維或三維旋轉(zhuǎn)磁特性。文獻(xiàn)[1]中進(jìn)行了軟磁復(fù)合材料SMC的三維磁特性檢測，但僅僅針對各向同性材料進(jìn)行分析，不能真實反應(yīng)實際工作狀態(tài)下變壓器、電機(jī)鐵心的磁特性；二十世紀(jì)八十年代日本對電工鋼片的二維磁特性測量方面進(jìn)行了大量的研究工作，文獻(xiàn)[2]中提出了考慮B和H方向不一致情況下的測量方法。在工程實際中，如電機(jī)鐵心運行中存在空間旋轉(zhuǎn)磁場，B的空間軌跡非常復(fù)雜，可以是空間圓形或者球形以及其他不規(guī)則的軌跡，所以只有充分考慮三維磁特性才能更接近于實際[3-5]。無論采用何種方法測量磁性材料，均需要進(jìn)行磁特性傳感信號的整定與檢測[6,7]。并且，磁性材料的磁滯、損耗等磁特性的準(zhǔn)確計算與模擬均依托于傳感信號的檢測[8]。本文針對三維磁特性傳感信號檢測中的關(guān)鍵問題進(jìn)行研究和分析，實現(xiàn)三維磁特性的精確測量。

2 三維磁特性檢測技術(shù)概述和測試系統(tǒng)

實現(xiàn)磁性材料的三維磁特性測量，需要對待測樣品進(jìn)行空間任意方向激磁，也就是說可以將磁感應(yīng)強(qiáng)度B控制成一個空間矢量。從激磁模型入手可以首先構(gòu)建螺旋橢球形或螺旋球形激磁模型來實現(xiàn)三維磁特性初步研究。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過測量繞制在樣品表面上B線圈的感應(yīng)電動勢，可計算出磁感應(yīng)強(qiáng)度B。磁場強(qiáng)度H傳統(tǒng)的測量方法是按照安培環(huán)路定律進(jìn)行的，如愛潑斯坦方圈的測量[9]。在本文設(shè)計的實驗中則采用與測量磁感應(yīng)強(qiáng)度B相同的原理來測量H，通過緊貼在被測樣品表面的H線圈來測量，測出靠近樣品表面空氣中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0，由關(guān)系式可求出H0。根據(jù)兩種媒質(zhì)交界面處磁場強(qiáng)度切向分量的連續(xù)性條件，有H1t=H2t,而H2t則可近似等于樣品所在位置與磁感應(yīng)強(qiáng)度B相對應(yīng)的磁場強(qiáng)度H。

三維磁特性測試系統(tǒng)主要由以下部分構(gòu)成:

(1)工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡。工控機(jī)是安裝高速數(shù)據(jù)采集卡并實現(xiàn)軟件編程和數(shù)據(jù)存儲硬件的平臺。編程采用LabVIEW軟件來實現(xiàn)，在LabVIEW中編寫數(shù)據(jù)采集、信號發(fā)生及反饋函數(shù)的程序，并通過NI數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)激磁信號的生成和B、H檢測信號的采集。

(2)功率放大器。數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生的模擬正弦信號無論是電壓還是電流都非常微弱，功率放大器用于驅(qū)動三個軸向的激磁線圈，以保證待測樣品在給定頻率下充分磁化。

(3)三軸正交的主測量裝置。提供三維激磁磁路和待測樣品的傳感信號檢測通道，實現(xiàn)三方向激磁和磁特性傳感信號輸出的功能。

(4)多通道差動放大電路。從B線圈和H線圈上感應(yīng)出來的電壓信號非常微弱，需要進(jìn)行放大和噪聲信號濾波，這樣有利于B、H傳感信號的后級處理，同時可提高信號檢測的精度。

三維測試儀是整個系統(tǒng)中最重要的核心部分，主要由沿x、y、z軸三方向正交的三對磁極、連接磁極的C形環(huán)形磁軛、繞制在磁極上的三對激磁繞組(如圖1所示)和置于裝置幾何中心的立方體傳感箱組成。裝置中磁軛和磁極是由相對磁導(dǎo)率很高的(約10000)高取向硅鋼片Hi-B 疊置而成，可產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場，如放置樣品的中心處磁場最高可達(dá)1.9 T；立方體傳感箱六面貼裝B、H傳感線圈，箱內(nèi)放置立方體樣品材料；三對磁極的極頭將傳感箱頂緊，使得傳感線圈緊貼于樣品表面實現(xiàn)樣品表面磁場的測量。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖1 三維測量儀的C環(huán)形鋼片疊置磁軛和激磁繞組Fig.1 Prototype of laminated ‘C-type’ core and excitation winding

圖2 三維磁特性檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure chart of 3D magnetic properties detection system

3 三維磁特性信號檢測的關(guān)鍵問題

在磁特性測量過程中，激磁信號逐漸加大直至樣品飽和，B、H感應(yīng)電動勢信號變化范圍很大，當(dāng)激磁信號較小時，傳感信號非常微弱，尤其是樣品表面磁場H傳感信號，甚至比干擾信號還小；與此同時，研究分析變壓器、電機(jī)鐵心的鐵磁材料三維的磁特性時，由于硅鋼片疊置方向磁導(dǎo)率低，磁場難以通過，該方向?qū)ζ渌麅煞较虻母蓴_較大，因此要對傳感信號的檢測系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。三維傳感線圈的校準(zhǔn)與標(biāo)定、LabVIEW在三維激勵下的積分漂移與濾波是實現(xiàn)精確三維磁測量的三個關(guān)鍵問題。

3.1 傳感線圈校準(zhǔn)與標(biāo)定

無論是對磁性材料進(jìn)行一維磁特性的測量，還是二維或三維磁特性的測量，主要是對其磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場強(qiáng)度H進(jìn)行測量，通常測定磁場的B和H是通過置于磁場中的傳感線圈來實現(xiàn)的。

圖3(a)為新型B-H復(fù)合傳感線圈結(jié)構(gòu)圖。H線圈采用線徑為0.05mm的漆包線緊密地繞在0.5mm厚的環(huán)氧樹脂板上，共有兩層200匝，采用上下雙層往返交叉繞制，并且在進(jìn)線端和出線端雙絞，這樣可以有效消除線圈中的干擾，提高檢測精度，中心覆蓋了0.4mm厚的圓環(huán)形B線圈。B-H復(fù)合傳感線圈緊貼于樣品表面中心區(qū)域，可相對精確地檢測樣品表面磁場。

三維磁特性測量傳感箱是由6組新型B-H復(fù)合傳感線圈按照給定的方向構(gòu)成的一個立方體傳感箱，如圖3(b)所示。傳感箱中心放置邊長為22mm由硅鋼片按其軋制方向嚴(yán)格擺放的立方體樣品，傳感線圈緊貼樣品放置，為了減少窗口面積帶來的誤差，在每軸放置的兩個新型B-H傳感線圈反向串聯(lián)。用6塊與樣品同材料的硅鋼片保護(hù)層蓋住傳感線圈，樣品、傳感線圈和保護(hù)層構(gòu)成了“三明治”結(jié)構(gòu)，其中保護(hù)層電工鋼片的疊置方向和軋制方向與中心樣品的疊置方向和軋制方向保持一致，樣品和保護(hù)層之間有1mm的氣隙，即為傳感線圈的平均厚度。新型三維B-H傳感箱實物如圖4所示。

圖3 新型傳感線圈和傳感箱結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of novel B-H sensing coils and sensing box

圖4 B-H新型傳感箱實物圖Fig.4 Novel B-H sensing box

值得注意的是，我們定義立方體傳感箱x、y、z三個方向和激磁結(jié)構(gòu)定義的方向嚴(yán)格一致，這樣才能保證磁特性檢測實驗的正確實施。由于共用同一基板的B和H線圈的窗口方向互相垂直，二者在三個方向的定義便不能沿同一方向，如x方向(激磁方向)上的Bx線圈和Hy線圈(窗口方向為y)共用同一基板；同理，y方向的傳感線圈為By和Hz，z方向為Bz和Hx，如圖3(b)上所示。

由于B、H線圈的截面積小，直接測量誤差大，為了準(zhǔn)確校準(zhǔn)傳感線圈，達(dá)到測量精度的要求，使用標(biāo)準(zhǔn)螺線管對傳感線圈進(jìn)行校準(zhǔn)。具體方法是根據(jù)有限長直螺線管可以產(chǎn)生一個穩(wěn)定、磁感應(yīng)強(qiáng)度B均勻的交變磁場的特性，制作了一個可以提供測量要求磁場的標(biāo)準(zhǔn)螺線管，螺線管采用上下兩層往返交疊繞制，通過繞線機(jī)計螺線管總匝數(shù)N。有限長直螺線管示意圖如圖5所示。

圖5 有限長螺線管示意圖Fig.5 Finite length solenoid

L為螺線管總長度，α、β分別為螺線管中心處和螺線管兩個頂點的連線與螺線管軸向方向所成的角度，D2為螺線管外直徑，D1為螺線管內(nèi)直徑，R為螺線管的平均半徑。

有限長直螺線管中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度B計算公式為：

(1)

式中，μ0為磁導(dǎo)率；I為通入螺線管的電流。

定義線圈系數(shù)為K，傳感線圈匝數(shù)為N，感應(yīng)線圈窗口面積為S。螺線管正弦交變磁場中線圈的感應(yīng)電動勢為E，線圈系數(shù)計算公式如下：

K=E/(2πfB)

(2)

將B-H復(fù)合傳感箱置于標(biāo)準(zhǔn)螺線管中心處，使待校準(zhǔn)傳感線圈主窗口方向依次與螺線管軸向方向一致，對螺線管通以電流，從1A開始，每次增加1A至10A，分別記錄傳感線圈感應(yīng)的電動勢E。將實驗室現(xiàn)有螺線管參數(shù)代入，根據(jù)公式(2)，確定線圈系數(shù)如表1所示。

表1 B-H復(fù)合傳感線圈的線圈系數(shù)Tab.1 Factors of novel B-H sensing coils

3.2 LabVIEW數(shù)字濾波

三維磁特性測試系統(tǒng)在檢測傳感線圈有效傳感信號的同時，有一些隨機(jī)干擾信號竄入其中，而這些干擾信號經(jīng)常是無規(guī)律變化的，這樣就給測試系統(tǒng)帶來了隨機(jī)誤差，使波形有毛刺、不平滑，而這些干擾信號在多次測量中是符合統(tǒng)計規(guī)律的。同時由于三維磁特性檢測傳感箱為立方體，每個方向磁場兩兩垂直，也會有漏磁場混入其他B-H傳感線圈，干擾其他兩軸B、H的檢測。為了克服隨機(jī)干擾與自身相互影響引入的誤差，我們除了采用硬件的辦法，還可以按統(tǒng)計規(guī)律用軟件算法來對信號進(jìn)行預(yù)處理，即采用數(shù)字濾波方法來抑制有效信號中的干擾成分，并在三維激勵磁場的作用下，消除隨機(jī)誤差，這樣可以減小軸與軸之間的干擾，同時對信號進(jìn)行必要的平滑處理，以保證采樣得到的數(shù)據(jù)盡可能接近真實值。

磁特性傳感信號是一種周期性位移變化信號。磁特性傳感信號檢測系統(tǒng)除采用硬件濾波以外，還采用算術(shù)平均法和防脈沖干擾平均值法相結(jié)合的數(shù)字濾波方法。由于采集的數(shù)據(jù)較多，首先對采集的數(shù)據(jù)作算術(shù)平均法濾波，連續(xù)取10個采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運算，這樣可以除去隨機(jī)干擾的信號，然后將此均值作為防脈沖干擾平均值法中的一點進(jìn)行第二重濾波，二次數(shù)字濾波后的結(jié)果作為一次采樣結(jié)果，這樣就可以拉開最終采樣點之間的距離，從而容易濾出持續(xù)時間較長的串?dāng)_信號。圖6為濾波前和濾波處理后的對比?？梢姙V波處理后波形有了明顯改善，毛刺減少而且顯得更平滑，但是還存在一個關(guān)鍵性問題，即零點漂移。

圖6 原始波形和濾波處理后的波形對比圖Fig.6 Comparison between original waveforms and waveforms after smoothing

3.3 LabVIEW積分漂移的補償

三維磁特性檢測系統(tǒng)從B線圈直接測得的量是感應(yīng)電壓E，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度B存在著積分關(guān)系，測得的感應(yīng)電壓要通過積分轉(zhuǎn)變?yōu)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度B的值。LabVIEW中有實現(xiàn)積分的子函數(shù)，但是在積分之后出現(xiàn)了積分漂移的現(xiàn)象，這是由于測試系統(tǒng)在測量中引入某些因素，而這些因素通過積分之后隨著時間逐漸放大的緣故。例如在采集信號時，信號本身疊加了很小的直流分量，經(jīng)過積分之后，這些分量隨著時間的推移會越來越大，波形出現(xiàn)漂移，零點不能重合而最終使B-H曲線出現(xiàn)回環(huán)，使得實際積分電路和理想電路存在誤差，嚴(yán)重影響實驗真實數(shù)據(jù)的采集和分析。這種由于積分產(chǎn)生的偏差又叫做趨勢項，任何測量系統(tǒng)都要避免或盡可能減少趨勢項的產(chǎn)生。

三維磁特性傳感信號檢測系統(tǒng)解決積分漂移主要通過信號調(diào)理電路和數(shù)字調(diào)理兩部分。在信號調(diào)理電路部分，原始信號經(jīng)RC濾波，由現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)控制模擬開關(guān)進(jìn)行頻繁的切換，最后經(jīng)儀表放大器產(chǎn)生輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的采集信號。數(shù)字調(diào)理部分是在LabVIEW中構(gòu)造一個Detrend VI消除趨勢項。Detrend VI調(diào)用以最小二乘法擬合直線的LinearFit函數(shù)來擬合趨勢項，然后在數(shù)據(jù)中減掉趨勢項，達(dá)到減小積分漂移效果，前后波形的對比如圖7所示。

圖7 消除趨勢項前后磁感應(yīng)強(qiáng)度波形的對比Fig.7 comparison between original B waveform and B waveform after removing trend term

采用模擬調(diào)理信號和數(shù)字調(diào)理相結(jié)合的方式，通過對輸入信號的采集和處理,有效地降低了零漂，提高了信號的檢測精度。

4 結(jié)論

本文對磁性材料三維磁特性檢測原理及測試裝置進(jìn)行研究，著重討論了磁特性傳感信號檢測過程中的幾個關(guān)鍵問題。設(shè)計了新型B-H傳感線圈并通過對其校準(zhǔn)標(biāo)定，有效地消除了線圈中的干擾，提高了檢測精度；通過數(shù)字濾波和信號調(diào)零的方法，大大提高了三維磁特性傳感信號檢測的精度。

[1] 李永建,楊慶新,安金龍，等 (Li Yongjian, Yang Qingxin, An Jinlong, et al.). 軟磁復(fù)合材料的三維磁特性檢測實驗研究 (Three dimensional magnetic properties measurements of soft magnetic composite materials) [J].電工技術(shù)學(xué)報 (Transaction of China Electrotechnical Society)，2012，27(9)：160-165.

(，cont.onp.80)(，cont.fromp.22)

[2] Enokizono M. Vector magnetic property and magnetic characteristic analysis by vector magneto-hysteretic E & S model [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(3): 1148-1153.

[3] Li Y, Yang Q, Zhu J, et al. Magnetic properties measurement of soft magnetic composite materials over wide range of excitation frequency [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2012, 48(1): 88-97.

[4] Y J Li, Z W Lin, H X Liu, et al. Three-dimensional magnetic properties of soft magnetic composite material at different frequencies [J]. Journal of Applied Physics, 2011, 109(7): 07B503.

[5] Guo Y, Zhu J G, Zhong J, et al. Measurement and modeling of rotational core losses of soft magnetic materials used in electrical machines: A review [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2008, 44(2): 279-291.

[6] Jian G Z, Jin J Z, Zhi W L, et al. Measurement of magnetic properties under 3-D magnetic excitations [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2003, 39(5): 3429-3431.

[7] Cullity B D, Garham C D. Introduction to magnetic materials [M]. New Jersey, USA: John Wiley & Sons, 2011.

[8] 謝德馨，任志強(qiáng)，朱占新 (Xie Dexin, Ren Zhiqiang, Zhu Zhanxin).電工鋼片磁特性測量中H線圈的定標(biāo)(Calibration of H coil in magnetic property measurement of electrical steel sheet) [J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(Journal of Shenyang University of Technology)， 2010, 32(6): 601-605.

[9] 于煦旭 (Yu Xuxu).基于LabVIEW的測量鐵磁材料磁滯回線的新裝置(A novel setup for detecting hysteresis loop of ferromagnetic material based on LabVIEW)[D].長春: 吉林大學(xué)(Changchun: Jilin University), 2010.

Research and analysis on several key issues of sensor signal detection of there-dimensional (3D) magnetic properties

XUE Gang, LI Yong-jian, CAO Lei, ZHANG Wei-qiang

(Province-Ministry Joint Key Laboratory of EFEAR, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

It is extremely essential to simulate the magnetic properties of the magnetic materials accurately under actual operating conditions which could improve the performance and efficiency of the motors, power transformers and other electrical equipment. In order to analyze the magnetic properties of the magnetic materials comprehensively, the measuring method for there-dimensional (3D) magnetic properties of magnetic materials was presented. Based on the structure of three-dimensional (3D) magnetic property tester, the problems of the sensor signal detection of 3D magnetic properties of magnetic materials were studied, and calibration of the novelB-Hsensing coils was also analyzed. The magnetic properties sensing signal detection system based on virtual instrument technology was designed. Through the data acquisition card, the magnetic materials can be technically magnetized under various excitation conditions. And then, some key topics including the integral drift in the computation of LabVIEW and the clutter waveform during acquisition were discussed, and the effective measures had also been proposed.

magnetic properties detection; calibration of sensing coil; LabVIEW; data acquisition

2015-07-28

河北省自然科學(xué)基金(E2014202137)、 河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項目-優(yōu)秀青年基金(YQ2013034)資助項目

薛 剛(1992-), 男, 河北籍, 碩士研究生, 主要研究方向為工程電磁場與磁技術(shù); 李永建(1978-), 男, 河北籍, 教授, 博士, 主要研究方向為工程電磁場與磁技術(shù)。

TM936

A

1003-3076(2016)05-0019-04