CN103091651A

CN103091651A - 冲击电流计测量铁磁介质磁滞回线的方法

Info

Publication number: CN103091651A
Application number: CN2013100272340A
Authority: CN
Inventors: 黄瑞强; 邹文强; 刘维清; 乐培界
Original assignee: Jiangxi University of Science and Technology
Current assignee: Jiangxi University of Science and Technology
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明公开了一种教学实验装置，旨在提供一种冲击电流计测量铁磁介质磁滞回线的方法，首先设置一测试电路回路，由直流稳压电源施加电流于钢圆环线圈的初级线圈，通过与电流分配电阻相连接的通断开关的调节，使钢圆环线圈的次级线圈感应出不同的电流并从所述冲击电流计读取相应的电量值，从而绘制及测量出该钢圆环线圈的磁滞回线及磁场强度；由直流稳压电源施加电流于标准互感器的原线圈，使标准互感器副线圈产生感应电动势并从所述冲击电流计读取相应的电量值，计算求得电量常数及钢圆环线圈的磁感应强度。本发明采用直流电流测量静态铁磁介质磁滞回线，拓宽了学生的知识面，而且测量结果可用座标纸或计算机展示，提高了学生的动手能力。

Description

冲击电流计测量铁磁介质磁滞回线的方法

技术领域

本发明属于高校物理教学实验方法，特别涉及一种冲击电流计测量铁磁介质磁滞回线的方法。

背景技术

在各类磁介质中，应用最广泛的是铁磁物质，铁磁材料分为硬磁、软磁两类。硬磁材料（如铸滞钢）的磁滞回线宽，剩磁和矫磁力较大（120～2000A/m），因而磁感应强度能保持，适宜制作永久磁铁。软磁材料（如硅钢片）的磁滞回线窄，矫顽力小（小于120A/m），但其导磁率和饱和磁感应强度大，容易磁化和去磁，常用作动态条件下工作的磁性器件，如变压器、电磁铁。可见，铁磁材料的磁化曲线、磁滞回线是该材料的重要特性，也是设计电磁机构或仪表的依据之一。

目前，国内绝大部分高校采用示波器法测量铁磁介质的动态磁滞回线，虽然这种方法也比较直观，但它测得是交变磁场的动态磁滞回线并且不能测量电量常数。

发明内容

本发明是提供一种用冲击电流计测量铁磁介质磁滞回线的方法。该发明不但使实验者在实验过程中掌握冲击电流计的原理和使用方法，也同时学会用冲击电流计测量直流磁场及静态铁磁介质磁滞回线的方法。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种冲击电流计测量铁磁介质磁滞回线的方法，首先设置一测试电路回路，包括冲击电流计；

由直流稳压电源施加电流于钢圆环线圈的初级线圈，通过与电流分配电阻相连接的通断开关的调节，使钢圆环线圈的次级线圈感应出不同的电流并从所述冲击电流计读取相应的电量值，从而绘制及测量出该钢圆环线圈的磁滞回线及磁场强度；

由直流稳压电源施加电流于标准互感器的原线圈，使标准互感器副线圈产生感应电动势并从所述冲击电流计读取相应的电量值，计算求得电量常数及钢圆环线圈的磁感应强度。

作为进一步的改进，所述的电量常数由标准互感器的原线圈通以电流后在其副线圈感应出电动势，在冲击电流计读取电量值，然后利用电流换向开关改变电流方向，通过互感器的次级线圈磁通量的变化，在冲击电流计读取电量值，再通过公式

C_{q} = \frac{{2 MI}_{M}}{{Rd}_{M}}

计算求得电量常数。

作为进一步的改进，所述测试电路回路由冲击电流计、直流稳压电源、钢圆环线圈、滑线变阻器、标准互感器、电阻箱、电流换向开关、电流表、不同定值电流分配电阻及与其相连接的通断开关组件和导线连接成一个完整的线路；其中，

所述冲击电流计：用来测量短时间内脉冲电流所迁移的电量及磁感应强度、电容、互感系数，其一输入端与钢圆环线圈次级感应线圈第一端连接，另一输入端与电阻箱一端连接；

所述直流稳压电源：为电路提供直流电压、电流；其负极与电流表连接，正极通过通断开关与电流换向开关第一端连接；

所述钢圆环线圈：作为待测样品；钢圆环上绕N1匝初级线圈和N2匝次级感应线圈；初级线圈的第一端与不同定值电流分配电阻及与其相连接的通断开关组件的第二端连接，初级线圈第二端与电流换向开关第四端连接；

所述滑线变阻器：接入电源回路，用于调节输入直流电流大小；其一端与电流表连接，调节端与电流换向开关第二端连接；

所述标准互感器：由二组线圈组成，原线圈第一端与钢圆环线圈的初级线圈第二端连接，原线圈第二端与转换开关第二端连接；副线圈第一端与钢圆环线圈的次级线圈第二端连接，副线圈第二端与电阻箱另一端连接；

所述不同定值电流分配电阻及与其相连接的通断开关组件：第一端与转换开关第一端连接；第二端与钢圆环线圈的初级线圈第一端连接连接；

所述转换开关：中心端与电流换向开关第三端连接；第一端与不同定值电流分配电阻及与其相连接的通断开关组件第一端连接；第二端与标准互感器原线圈第二端连接。

作为本发明的优选，所述冲击电流计是由大规模MOS集成电路及运算放大器电子元件组装而成的数字式测量仪器。

冲击电流计测量铁磁介质磁滞回线的方法，具体步骤如下：

（一）测量铁磁介质的磁滞回线

选择未磁化的铁磁材料钢圆环线圈，当流过初级线圈的电流从0逐渐增大时，钢圆环中的磁感应强度B随磁场强度H的变化形成一条曲线，如图1中oa段所示，oa曲线称为起始磁化曲线。当H达H_m后逐渐减小（即减小磁化电流），则B也相应减小，但并不按ao曲线下降，而是沿ab曲线下降，当H=0时，B＝B_t。B随H变化的全过程为：当H按0→H_m→0→-H_c→-H_m→H_c→H_m的顺序变化时：B则沿着0→B_m→B_t→0→-B_m→-B_t→0→B_m的顺序变化。上述变化的封闭曲线abca′b′c′a称为磁滞回线。

（二）磁场强度H和磁感应强度B的测定

钢圆环线圈，初级线圈匝数为N₁，通过电流强度为I，则线圈内部磁场强度为

H = \frac{N_{1}}{L_{1}} I (A / m)

式中：L₁＝πD₁,L₁为铁磁圆环轴线周长，D₁为其直径。

在H作用下，磁化后的钢圆环线圈中磁感应强度B可以通过次级线圈L₂用冲击电流计测出。由次级线圈L₂（r₂）电阻、冲击电流计内阻（R_g）、标准互感器副线圈电阻（r）组成的回路中总电阻为R。

当初级线圈L₁通以电流，穿过次级线圈L₂（匝数为N₂）的磁通量为

Φ＝BN₂S₂

式中：S₂为钢圆环线圈横截面积，S₂＝πD₂ ²/4，D₂为钢圆环线圈横截面直径。

初级线圈电流变化引起钢圆环线圈中磁感应强度的变化量ΔB，则磁通量的变化量为：ΔΦ＝ΔBN₂S₂，从而在冲击电流计中产生的感应电量

q = \frac{ΔΦ}{R} = \frac{N_{2} S_{2}}{R} \cdot ΔB

ΔB = \frac{R}{N_{2} S_{2}} \cdot q = \frac{R}{N_{2} S_{2}} \cdot C_{q} \cdot d

式中：d为冲击电流计读数，C_q＝q/d表示冲击电流计单位读数所对应的次级线圈电路中产生的感应电量。

令

K = \frac{{RC}_{q}}{N_{2} S_{2}}

则ΔB＝K·d

测出每次电流变化时对应的冲击电流计读数d值，即可计算ΔB。

ΔB₁＝K·d₁

ΔB₂＝K·d₂

·

ΔB_i＝K·d_i

则B₁＝0+ΔB₁＝K·d₁

B₂＝B₁+ΔB₂＝K·d₁+K·d₂＝K(d₁+d₂)

B₃＝B₂+ΔB₃＝K·(d₁+d₂+d₃)

·

B_{i} = B_{i - 1} + {ΔB}_{i} = K \cdot (d_{1} + d_{2} + \cdot \cdot \cdot + d_{i}) = K Σ_{i - 1}^{i} d_{i}

（三）电量常数C_q的测定

要测量磁感应强度B，必须首先测出电量常数C_q。C_q通常用标准互感器来测定，当标准互感器原线圈上有dI电流变化时，在副线圈上产生感应电动势，其大小为

ϵ = \frac{dΦ}{dt} = - M \frac{dI}{dt}

因副线圈回路中的总电阻为R，所以副线圈回路中的感应电流为

i = \frac{ϵ}{R} = - \frac{M}{R} \frac{dI}{dt}

如果突然使电流反向，原线圈回路中电流从I_M变为-I_M，冲击电流计的读数为d_M，则在副线圈回路中通过的总电量为

q_{M} = C_{q} \cdot d_{M} = {&Integral;}_{0}^{r} idt = {&Integral;}_{0}^{r} - \frac{M}{R} \frac{dI}{dt} \cdot dt = {&Integral;}_{I_{M}}^{- I_{M}} \frac{M}{R} \cdot dI = \frac{2 M}{R} \cdot I_{M}

所以电量常数C_q为

C_{q} = \frac{{2 MI}_{M}}{{Rd}_{M}}

由于采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1、提供了一种采用直流电流测量静态铁磁介质磁滞回线的实验方法。

2、拓宽了学生的知识面，可以使学生掌握更多的实验仪器的原理和使用方法。

3、测量结果可用座标纸或计算机展示，提高了学生的动手能力。

附图说明

图1为铁磁介质磁滞回线示意图；

图2为本发明冲击电流计测试电路回路的线路连接图；

图3为本发明冲击电流计测试原理方框图。

图中：G—冲击电流计M—标准互感器R_m—电阻箱E—直流稳压电源

K₁、K₄—通断开关K₂—电流换向开关K₃—转换开关R_x—不同定值电流分配电阻及通断开关组件R₁—滑线变阻器A—电流表YQ—钢圆环线圈

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：测量铁磁介质的磁滞回线及磁场强度H及磁感应强度B

1、按图2所示，将开关K₂打向“b”，M＝0.001H,调节R_m＝1000Ω；

2、接通冲击电流计G电源，滑线变阻器R₁调到最大值，分别闭合R_x的九只开关，再闭合直流电源E开关K₁，将直流稳电源E调节至电压25V，然后再调节R₁观察电流表A，使通过钢圆环线圈YQ的电流不超过3A，按从8→0开关的顺序将R_x的九只开关全部断开；

3、测量图1中的oa段，闭合K₄，闭合R_x的0开关，此时有电流I₀通过L₁，在次级线圈L₂有感应电流通过冲击电流计G，冲击电流计G读数为d₀依次合上1、2、…、8开关，L₁中的电流依次改变为I₁、I₂…、I₈，对应冲击电流计G的感应电量读数为d₁、d₂…、d₈；

4、测量图1中的ab段，按逆序8→0顺序依次断开R_x的九只开关，记录电流I₈、I₇、…、I₀和对应冲击电流计G电量读数d₈、d₇、…、d₀；

5、测量图1中的bca′段，将开关K₂反向，变I为-I，即H为-H，重复步骤3，记下相应的I_i、d_i值；

6、测量图1中的a′b′段，重复步骤4，记下相应的I_i、d_i值；

7、测量图1中的b′c′a段，将开关K₂反向，变-H为H，按步骤3测出对应的I_i、d_i值；

上述测量数据，以I_i为横座标，Σd_i为纵座标作出起始磁化曲线和磁滞回线，并计算出图中a、b、c三点的H值和B值。

实施例2：电量常数C_q的测量

1、按图2所示，调节直流稳电源E电压小于5V，将开关K₃打向a，R_m保持原电阻值，调节R₁使互感器M中通过的电流不超过其额定值（I_M不大于0.4A）。

2、迅速将开关K₂换向，电流I_M变为-I_M，通过互感器M副线圈的磁通变化，读出冲击电流计G读数d_M值。

3、记下I_M、d_M、M量值，通过下列公式计算电量常数C_q。

C_{q} = \frac{{2 MI}_{M}}{{Rd}_{M}}

最后，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其流程、技术内容所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.一种冲击电流计测量铁磁介质磁滞回线的方法，其特征在于，设置一测试电路回路，包括冲击电流计；

2.根据权利要求1所述的冲击电流计测量铁磁介质磁滞回线的方法，其特征在于，所述的电量常数由标准互感器的原线圈通以电流后在其副线圈感应出电动势，在冲击电流计读取电量值，然后利用电流换向开关改变电流方向，通过互感器的次级线圈磁通量的变化，在冲击电流计读取电量值，再通过公式

C_{q} = \frac{{2 MI}_{M}}{{Rd}_{M}}

计算求得电量常数。

3.根据权利要求1所述的冲击电流计测量铁磁介质磁滞回线的方法，其特征在于，所述测试电路回路由冲击电流计、直流稳压电源、钢圆环线圈、滑线变阻器、标准互感器、电阻箱、电流换向开关、电流表、不同定值电流分配电阻及与其相连接的通断开关组件和导线连接成一个完整的线路；其中，

4.根据权利要求1至3中任一项所述的冲击电流计测量铁磁介质磁滞回线的方法，其特征在于，所述冲击电流计是由大规模MOS集成电路及运算放大器电子元件组装而成的数字式测量仪器。