D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.0L.018 第29卷第1期 北京科技大学学报 Vol.29 No.1 2007年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2007 利用数字式谐波反馈实现交流磁测量磁通波形正弦 张燕宾) 瞿清昌)龙毅)常永勤)叶荣昌) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)中国计量院，北京100013 摘要在磁通正弦条件下进行软磁合金交流磁性测量可以获得高准确度的测量结果·利用数字式谐波反馈原理，通过对磁 通波形的分析获得了磁通波形中的谐波含量，然后在电源输出端补偿与磁通波形中谐波幅值相反、相位相同的谐波，使磁通 波形得到了改善。通过对硅钢样品在不同磁化程度时的测量，检验这一方法·当硅钢样品磁化为1.87T时，经谐波反馈后次 级电压的波形系数也能满足国家标准的要求 关键词软磁合金；磁通正弦：谐波反馈：磁性测量 分类号TP202+.2 软磁材料的性能决定于材料的各种磁参数，而 正，1958年，麦克法兰首次提出以电压负反馈的方 其微小的测量误差就有可能使一种材料的标号相差 式保持方圈次级电压正弦波形的方法[-1.经过20 很大，因此所测磁参数的准确度对于软磁材料意义 多年的努力，磁通波形不断得到改善，到20世纪80 重大·磁导率H、饱合磁通密度B、矫顽力H。、剩磁 年代初，已能在H<5Acm这样不太深的饱和区 B,以及铁损P等磁学参量都来自于磁滞回线，因 实现磁通正弦条件了，1983年，我国在保持磁通波 而对磁滞回线的准确测量是准确测量软磁材料各种 形正弦的研究中取得了突破性的进展，首次在H< 磁参数的基础，由于B和H是非线性的不能同时 100A·cm的范围内全部实现了磁通波形正弦条 为正弦波形，而次级感应电压中含有大量的谐波，所 件门.但这种补偿的调节比较困难，需要专业的实 测得的磁滞回线包含的面积就会比实际面积要大， 验技巧 从而造成磁参数测量的偏差，只有降低次级感应电 本文寻求以数字式谐波反馈方式来解决这个问 压中的谐波含量使其波形成为正弦波，测得的磁滞 题，用新的磁性测量装置，真正实现数值积分，以取 回线与理论的磁滞回线相差才能最小，所测得的参 代国内外使用多年的用模拟积分器还原磁通模式， 数才有较高的准确度]. 彻底消除模拟积分器的回复漂移引起的系统误差， 现在国内外所有的软磁测量设备都可以在给定 使它在原理上成为一个完整的3GATE(auto testing 磁场峰值条件下测出一个完整的磁滞回线，所有的 equipment),同时大大缩短了计量溯源路径从而进 磁性参数都定义在磁滞回线上·但不同仪器、同一 一步提高测量准确度· 仪器不同操作方式或不同操作者都会得到不同的磁 滞回线.这是因为软磁材料磁性能是一个多变量的 1 数字式谐波反馈原理 关系函数，这些变量包括磁感峰值和激励场频率等， 利用谐波反馈手段实现磁通正弦，其原理框图 测绘一个磁滞回线的速率不同，就是基本（波）频率 如图1所示 不同，其特性就不一样，在同样的基本频率下，如果 波形设定 波形发生 功率放大输出采样 磁通的波形不同，即谐波含量不同也会严重的畸变 反馈 解析 测量结果[3]， 要实现磁性参数精确性的测量，首先需要实现 图1谐波反馈原理框图 磁通波形为正弦波形.在1958年以前，基本上没有 Fig.1 Principle of digital feedback of harmonic compensation 技术手段达到这一目的，更多的研究工作则是侧重 于对偏离磁通正弦条件下测得的结果进行波形修 首先是设定波形，根据设定的波形由波形发生 器输出需要的波形经过功率放大器放大发送出来； 收稿日期：2005-09-23修回日期：2006-05-10 经过D/A卡将发送出来的波形采集，利用傅里叶分 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50471094) 作者简介：张燕宾(1980一)：男，硕士研究生；龙毅(1955一)，女： 析计算出波形所含有的谐波，将与分析出的谐波幅 教授，博士生导师 值相同、相位相反的波加入到输出波形中，抵消原波
利用数字式谐波反馈实现交流磁测量磁通波形正弦 张燕宾1） 瞿清昌2） 龙 毅1） 常永勤1） 叶荣昌1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 中国计量院北京100013 摘 要 在磁通正弦条件下进行软磁合金交流磁性测量可以获得高准确度的测量结果．利用数字式谐波反馈原理通过对磁 通波形的分析获得了磁通波形中的谐波含量然后在电源输出端补偿与磁通波形中谐波幅值相反、相位相同的谐波使磁通 波形得到了改善．通过对硅钢样品在不同磁化程度时的测量检验这一方法．当硅钢样品磁化为1∙87T 时经谐波反馈后次 级电压的波形系数也能满足国家标准的要求． 关键词 软磁合金；磁通正弦；谐波反馈；磁性测量 分类号 TP202＋∙2 收稿日期：20050923 修回日期：20060510 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50471094） 作者简介：张燕宾（1980—）男硕士研究生；龙 毅（1955—）女 教授博士生导师 软磁材料的性能决定于材料的各种磁参数而 其微小的测量误差就有可能使一种材料的标号相差 很大因此所测磁参数的准确度对于软磁材料意义 重大．磁导率 μ、饱合磁通密度 Bs、矫顽力 Hc、剩磁 Br 以及铁损 P 等磁学参量都来自于磁滞回线因 而对磁滞回线的准确测量是准确测量软磁材料各种 磁参数的基础．由于 B 和 H 是非线性的不能同时 为正弦波形而次级感应电压中含有大量的谐波所 测得的磁滞回线包含的面积就会比实际面积要大 从而造成磁参数测量的偏差．只有降低次级感应电 压中的谐波含量使其波形成为正弦波测得的磁滞 回线与理论的磁滞回线相差才能最小所测得的参 数才有较高的准确度［1—2］． 现在国内外所有的软磁测量设备都可以在给定 磁场峰值条件下测出一个完整的磁滞回线所有的 磁性参数都定义在磁滞回线上．但不同仪器、同一 仪器不同操作方式或不同操作者都会得到不同的磁 滞回线．这是因为软磁材料磁性能是一个多变量的 关系函数这些变量包括磁感峰值和激励场频率等 测绘一个磁滞回线的速率不同就是基本（波）频率 不同其特性就不一样在同样的基本频率下如果 磁通的波形不同即谐波含量不同也会严重的畸变 测量结果［3—4］． 要实现磁性参数精确性的测量首先需要实现 磁通波形为正弦波形．在1958年以前基本上没有 技术手段达到这一目的更多的研究工作则是侧重 于对偏离磁通正弦条件下测得的结果进行波形修 正．1958年麦克法兰首次提出以电压负反馈的方 式保持方圈次级电压正弦波形的方法［5—6］．经过20 多年的努力磁通波形不断得到改善到20世纪80 年代初已能在 H＜5A·cm —1这样不太深的饱和区 实现磁通正弦条件了．1983年我国在保持磁通波 形正弦的研究中取得了突破性的进展首次在 H＜ 100A·cm —1的范围内全部实现了磁通波形正弦条 件［7］．但这种补偿的调节比较困难需要专业的实 验技巧． 本文寻求以数字式谐波反馈方式来解决这个问 题．用新的磁性测量装置真正实现数值积分以取 代国内外使用多年的用模拟积分器还原磁通模式 彻底消除模拟积分器的回复漂移引起的系统误差 使它在原理上成为一个完整的3G ATE（auto testing equipment）同时大大缩短了计量溯源路径从而进 一步提高测量准确度． 1 数字式谐波反馈原理 利用谐波反馈手段实现磁通正弦其原理框图 如图1所示． 图1 谐波反馈原理框图 Fig．1 Principle of digital feedback of harmonic compensation 首先是设定波形根据设定的波形由波形发生 器输出需要的波形经过功率放大器放大发送出来； 经过 D／A 卡将发送出来的波形采集利用傅里叶分 析计算出波形所含有的谐波将与分析出的谐波幅 值相同、相位相反的波加入到输出波形中抵消原波 第29卷 第1期 2007年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．1 Jan．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．01．018
第1期 张燕宾等：利用数字式谐波反馈实现交流磁测量磁通波形正弦 .83 形中的谐波，此过程便完成了谐波反馈，同时谐波 1.77T,如图2(a)所示，此时磁通波形的谐波含量 反馈是通过软件自动控制，对于不同的测试材料可 只有1.97%，波形失真为1.112，进行谐波补偿后磁 以自动进行修正，提高了测量的自动化程度 通波形中的谐波含量降低到图2(b)所示的0.2%， 2实验结果及讨论 波形失真为1.111.图3(b)所示为波形补偿前后的 磁通曲线，可以看出两条曲线没有明显的区别，因为 取硅钢环形样品作为测试对象进行谐波反馈实 此时硅钢还没有达到深度饱和. 验，用以检验效果，首先，使硅钢样品磁化到 世（含里地期质 衣含量对数直方留 含量对软直方图 n:0 0 n. 0.01 006 1 (a) (b) 图21.77T时谐波反馈前后的磁通波形中谐波含量.()反馈前：(b)反馈后 Fig.2 Harmonic content in magnetic flux before (a)and after feedback (b)at 1.77T 2.0 2.0 反馈后波形 1.5 (a) 15 (b) 1.0 0.5 0 0 -0.5 0.5 -1.0 -1.0 -1.5 -1.5 反馈前波形 -2.0 -2.0 -600-400-2000200400600 0100200300400500600 磁场强度，H(Am) 时间轴上的点 图31,77T时硅钢的磁滞回线(a)及谐波反馈前后磁通曲线(b) Fig-3 Hysteresis loop (a)and magnetic flux before and after feedback at 1.77T(b) 根据要求，硅钢材料频率为50h时比总损耗 磁化到1.77T时波形系数没有超出1.111的 检定结果的准确度为1%，当线圈次级电压的波形 士0.005的范围，谐波补偿能起到优化磁通波形的效 系数偏离1.111的士0.005时，比总损耗值应加以修 果 正，但波形系数不得超过1.111的士0.051.硅钢 将硅钢样品进一步磁化到1.82T,如图4(a)所 收旋分所 出分 谐被出量时数血方速 0.00 660. 014 (a) (b) 图41,82T时谐波反馈前后的磁通波形中谐波含量.()谐波反馈前：(b)谐波反馈后 Fig.4 Harmonic content in magnetic flux before (a)and after feedback (b)at 1.82T
形中的谐波此过程便完成了谐波反馈．同时谐波 反馈是通过软件自动控制对于不同的测试材料可 以自动进行修正提高了测量的自动化程度． 2 实验结果及讨论 取硅钢环形样品作为测试对象进行谐波反馈实 验用 以 检 验 效 果．首 先使 硅 钢 样 品 磁 化 到 1∙77T．如图2（a）所示此时磁通波形的谐波含量 只有1∙97％波形失真为1∙112进行谐波补偿后磁 通波形中的谐波含量降低到图2（b）所示的0∙2％ 波形失真为1∙111．图3（b）所示为波形补偿前后的 磁通曲线可以看出两条曲线没有明显的区别因为 此时硅钢还没有达到深度饱和． 图2 1∙77T 时谐波反馈前后的磁通波形中谐波含量．（a） 反馈前；（b） 反馈后 Fig．2 Harmonic content in magnetic flux before （a） and after feedback （b） at1∙77T 图3 1∙77T 时硅钢的磁滞回线（a）及谐波反馈前后磁通曲线（b） Fig．3 Hysteresis loop （a） and magnetic flux before and after feedback at1∙77T （b） 根据要求硅钢材料频率为50Hz 时比总损耗 检定结果的准确度为1％当线圈次级电压的波形 系数偏离1∙111的±0∙005时比总损耗值应加以修 正但波形系数不得超过1∙111的±0∙05［8］．硅钢 磁化 到 1∙77T 时 波 形 系 数 没 有 超 出 1∙111 的 ±0∙005的范围谐波补偿能起到优化磁通波形的效 果． 将硅钢样品进一步磁化到1∙82T如图4（a）所 图4 1∙82T 时谐波反馈前后的磁通波形中谐波含量．（a）谐波反馈前；（b）谐波反馈后 Fig．4 Harmonic content in magnetic flux before （a） and after feedback （b） at1∙82T 第1期 张燕宾等： 利用数字式谐波反馈实现交流磁测量磁通波形正弦 ·83·
.84 北京科技大学学报 第29卷 示，此时磁通波形的谐波含量为2.75%，波形失真 回线.谐波反馈前后的区别已经可以从图6(a)上观 已经比较严重，为1.125；进行谐波反馈后磁通波形 察到，波峰和波谷处有明显的差别，局部放大曲线如 中的谐波含量降低到如图4(b)所示的0.54%，波形 图6(b)所示. 失真为1.111.图5为在1.82T时硅钢样品的磁滞 当硅钢磁化到1.82T不加谐波反馈时，波形系 2.0r 数为1.125超出1.111士0.005的要求，但经过谐波 1.5 反馈后波形系数为1.111，确保了磁通正弦条件.显 1.0 0.5 示出谐波反馈有效改善磁通波形的效果， 0 为了验证谐波反馈在深度饱和时的效果，将硅 -0.5 钢样品进一步磁化到1.87T.此时磁通波形的谐波 -1.0 -1.5 含量为6.38%，如图7(a)所示，波形失真达到 -2.0 1,184;谐波补偿后，磁通波形的谐波含量降低到 -800 -400 400 800 磁场强度，HAm) 1.43%,如图7(b)所示，波形失真为1.102. 图51.82T时硅钢的磁滞回线 Fig.5 Hysteresis loop at 1.82T 2.0m 0.5r (a) (b) 1.5 波形补偿后 0 0.5 0.5 0.5 -1.0 波形补偿后 -1.0 留 被形补偿前 -1.5 波形补偿前 -1.5 2.0 1002003007400500600 200 170 190210 230250 时间轴上的点 时间轴上的点 图61,82T时硅钢谐波反馈前后的磁通曲线(a)及局部放大曲线(b) Fig.6 Magnetic flux wave before and after feedback at 1.82T (a)and magnified wave (b) 前域分后 谢试分析 低被含量教在方田 (a) (b) 图71.87T时谐波反馈前后的磁通波形中谐波含量，()波形反馈前：(b)波形反馈后 Fig-7 The content of harmonic in magnetic flux before (a)and after feedback (b)at 1.87T 由图8的磁滞回线可以看出，样品已经进入了 通波形获得极大改善 深度饱和区，谐波补偿前后的磁通波形变化更为明 当硅钢磁化到1.87T不加谐波反馈时，波形系 显如图9(a)所示，谐波反馈前的磁通波形已经明显 数为1.184，已经完全不满足磁通正弦条件了，但经 失真，波峰与波谷处与谐波反馈后的波形有了很大 过谐波补偿后波形系数为1.102，偏离磁通正弦条 的差别，将其局部放大如图9()所示，谐波反馈前 件一0.8%，引起的比总损耗测量误差小于1%. 的磁通波形已经明显偏离了正弦波，谐波反馈后磁
示此时磁通波形的谐波含量为2∙75％波形失真 已经比较严重为1∙125；进行谐波反馈后磁通波形 中的谐波含量降低到如图4（b）所示的0∙54％波形 失真为1∙111．图5为在1∙82T 时硅钢样品的磁滞 图5 1∙82T 时硅钢的磁滞回线 Fig．5 Hysteresis loop at1∙82T 回线．谐波反馈前后的区别已经可以从图6（a）上观 察到波峰和波谷处有明显的差别局部放大曲线如 图6（b）所示． 当硅钢磁化到1∙82T 不加谐波反馈时波形系 数为1∙125超出1∙111±0∙005的要求但经过谐波 反馈后波形系数为1∙111确保了磁通正弦条件．显 示出谐波反馈有效改善磁通波形的效果． 为了验证谐波反馈在深度饱和时的效果将硅 钢样品进一步磁化到1∙87T．此时磁通波形的谐波 含量为 6∙38％如图 7（a） 所示波形失真达到 1∙184；谐波补偿后磁通波形的谐波含量降低到 1∙43％如图7（b）所示波形失真为1∙102． 图6 1∙82T 时硅钢谐波反馈前后的磁通曲线（a）及局部放大曲线（b） Fig．6 Magnetic flux wave before and after feedback at1∙82T （a） and magnified wave （b） 图7 1∙87T 时谐波反馈前后的磁通波形中谐波含量．（a） 波形反馈前；（b）波形反馈后 Fig．7 The content of harmonic in magnetic flux before （a） and after feedback （b） at1∙87T 由图8的磁滞回线可以看出样品已经进入了 深度饱和区．谐波补偿前后的磁通波形变化更为明 显如图9（a）所示谐波反馈前的磁通波形已经明显 失真波峰与波谷处与谐波反馈后的波形有了很大 的差别．将其局部放大如图9（b）所示谐波反馈前 的磁通波形已经明显偏离了正弦波谐波反馈后磁 通波形获得极大改善． 当硅钢磁化到1∙87T 不加谐波反馈时波形系 数为1∙184已经完全不满足磁通正弦条件了但经 过谐波补偿后波形系数为1∙102偏离磁通正弦条 件—0∙8％引起的比总损耗测量误差小于1％． ·84· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第1期 张燕宾等：利用数字式谐波反馈实现交流磁测量磁通波形正弦 85 2.0r 1.5 3结论 台 1.0 利用数字式谐波反馈原理对样品三次磁化后的 0 磁通波形进行谐波反馈补偿，能够有效降低磁通波 0.5 -1.0 形中的谐波含量，效果显著，虽然当硅钢进入深度 -1.5 饱和区时谐波反馈后磁通波形中的谐波含量只能降 -2.0 -2000-10000 -10002000 低到1%左右，但这对于磁性材料交流磁性测量而 磁场强度，H(Am) 言已经是很好的结果，当饱和程度进一步增加时， 图81.87T时硅钢的磁滞回线 高次谐波含量大大增加，补偿效果是有限的，而此时 Fig-8 Hysteresis of a sample at 1.87T 的磁感应强度值已经超出了标准规定的范围，软磁 20() 波形补偿前波形补偿后 o(b) 1.5 1.0 -0.5 0.5 0 -1.0 波形补偿后 -0.5 -1.0 -1.5h -1.5 波形补偿前 -2.0 -2.0 100200300400500600 100 120 140160180200 时间轴上的点数 时间轴上的点数 图91.87T时硅钢谐波反馈前后磁通曲线(a)和局部放大图(b) Fig.9 Magnetic flux wave before and after feedback at 1.87T(a)and magnified wave (b) 合金的所有交流磁性参数都应在磁通正弦条件下进 2003,34(3):26 行检定，本实验所提出的谐波反馈的方法对于实现 [5] MeFarlane J.Harris M J.The control of flux waveform in iron 这一条件有明显的效果， testing the application of feedback amplifier techniques.IEEE Trans Magn,1958,18,2254 参考文献 [6]Lyke R F.Modern magnetic testing equipment for electrical [1]周世昌.磁性测量.北京：电子工业出版社，1987 steels.IEEE Trans Magn.1982.18(6):1466 [2]北京大学物理系.铁磁学.北京：科学出版社，1976 [7]Qu QC.Precise magnetic properties measurements on electrical [3]Yoshizawa Y.Yamauchki K.Fe-base soft magnetic alloys com- sheet steels under deep saturation.IEEE Trans Magn.1984.20 posed of ultrafine grain structure.Mater Trans JIM.1990.31 (5):1717 (4):307 [8]GB/T3658软磁合金交流磁性能测量方法，北京：中国标准出 [4]刘亚丕，何时金·软磁材料的发展趋势.磁性材料与器材， 版社，1983 Achieving the sinusoidal waveform of magnetic flux in AC magnetic measurement by digital feedback of harmonic compensation ZHANG Yanbin.QU Qingchang2,LONG Y,CHANG Yongqin,YE Rongchang 1)Materials Science and Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Electromagnetic Division,National Institute of Metrology,Beijing 100013.China ABSTRACI Sinusoidal waveform of magnetic flux is needed to obtain high-exactitude AC properties measure- ment results of soft magnets.A new mode to achieve the condition by digital feedback of harmonic compensation was introduced,the waveform of magnetic flux was analyzed,and the harmonic content in the wave was ob- tained.The waveform with the same altitude and opposite phase to the harmonic was supplied to the waveform- framing unit,and then the harmonic in output wave was counteracted.Measurement results of electrical steels showed that,after feedback,even at a peak value of induction up to 1.87T,the form factor fulfilled the condi- tion. KEY WORDS soft magnetic alloys;sinusoidal waveform of magnetic flux:harmonic feedback:magnetic mea- surement
图8 1∙87T 时硅钢的磁滞回线 Fig．8 Hysteresis of a sample at1∙87T 3 结论 利用数字式谐波反馈原理对样品三次磁化后的 磁通波形进行谐波反馈补偿能够有效降低磁通波 形中的谐波含量效果显著．虽然当硅钢进入深度 饱和区时谐波反馈后磁通波形中的谐波含量只能降 低到1％左右但这对于磁性材料交流磁性测量而 言已经是很好的结果．当饱和程度进一步增加时 高次谐波含量大大增加补偿效果是有限的而此时 的磁感应强度值已经超出了标准规定的范围．软磁 图9 1∙87T 时硅钢谐波反馈前后磁通曲线（a）和局部放大图（b） Fig．9 Magnetic flux wave before and after feedback at1∙87T （a） and magnified wave （b） 合金的所有交流磁性参数都应在磁通正弦条件下进 行检定本实验所提出的谐波反馈的方法对于实现 这一条件有明显的效果． 参 考 文 献 ［1］ 周世昌．磁性测量．北京：电子工业出版社1987 ［2］ 北京大学物理系．铁磁学．北京：科学出版社1976 ［3］ Yoshizawa YYamauchki K．Fe-base soft magnetic alloys composed of ultrafine grain structure．Mater Trans JIM199031 （4）：307 ［4］ 刘亚丕何时金．软磁材料的发展趋势．磁性材料与器材 200334（3）：26 ［5］ McFarlane JHarris M J．The control of flux waveform in iron testing the application of feedback amplifier techniques．IEEE Trans Magn195818：2254 ［6］ Lyke R F． Modern magnetic testing equipment for electrical steels．IEEE Trans Magn198218（6）：1466 ［7］ Qu Q C．Precise magnetic properties measurements on electrical sheet steels under deep saturation．IEEE Trans Magn198420 （5）：1717 ［8］ GB／T 3658软磁合金交流磁性能测量方法．北京：中国标准出 版社1983 Achieving the sinusoidal waveform of magnetic flux in AC magnetic measurement by digital feedback of harmonic compensation ZHA NG Y anbin 1）QU Qingchang 2）LONG Y i 1）CHA NG Yongqin 1）Y E Rongchang 1） 1） Materials Science and Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Electromagnetic DivisionNational Institute of MetrologyBeijing100013China ABSTRACT Sinusoidal waveform of magnetic flux is needed to obtain high-exactitude AC properties measurement results of soft magnets．A new mode to achieve the condition by digital feedback of harmonic compensation was introducedthe waveform of magnetic flux was analyzedand the harmonic content in the wave was obtained．The waveform with the same altitude and opposite phase to the harmonic was supplied to the waveformframing unitand then the harmonic in output wave was counteracted．Measurement results of electrical steels showed thatafter feedbackeven at a peak value of induction up to1∙87Tthe form factor fulfilled the condition． KEY WORDS soft magnetic alloys；sinusoidal waveform of magnetic flux；harmonic feedback；magnetic measurement 第1期 张燕宾等： 利用数字式谐波反馈实现交流磁测量磁通波形正弦 ·85·