替代進口BH分析儀

　　1 軟磁材料的測量

　　磁性元件變壓器和電感在開關電源和其他的電子設備里面大量使用。磁性元件主要由采用軟磁材料的磁芯和線圈構成。軟磁材料的性能決定了變壓器和電感的性能。目前常用的電橋只能測量在小信號下的磁性元件的性能：電感量和 Q 值，不能直接反映磁性元件所用的磁性材料的真實性能。

　　目前能夠測試磁性材料的全面參數的儀器只有磁化曲線BH分析儀。

　　BH 分析儀可以測試軟磁材料在磁化過程中磁感強度B與磁場強度H之間關系的一系列BH曲線。通過分析這些曲線，可以得到磁性材料在不同的激勵頻率下的磁參數Bm,Hm,Br,Hc, 初始磁導率 ，磁芯損耗Pc，如下圖1

　　圖 1 BH 曲線

　　BH分析儀是一種昂貴的精密儀器，價格高達數十萬元人民幣。一般的企業、大學和研 究機構很少擁有BH 分析儀。儀器的缺乏使得這些單位對磁性元件的研究和教學工作停留在書本上的知識，或者用電橋進行簡單的測試。

　　因此本文介紹的一種低成本的BH 分析儀具有很大的實用價值，替代進口BH分析儀。

　　2 數字示波器和寬帶功率放大器構成的磁化曲線 BH 分析儀

　　BH 分析儀是由激勵信號源，寬帶功率功率放大器，被測磁性元件的電壓和電流信號處 理電路，對應的 AD 采樣和軟件處理模塊構成。

　　由于目前數字示波器的功能和價格比較實惠，我們不但可以利用它來實現AD 采樣， 而且也可以使用數字示波器內部帶有的信號源作為激勵信號源。這樣構成一套 BH 分析儀變得很簡單，只有外加一臺寬帶功率放大器，被測磁性元件的電壓和電流信號處理電路和軟件處理用PC 即可。如圖2 所示的框圖

　圖 2 BH 分析儀框圖

　　圖3 BH 分析儀實物構成圖

　　圖 3 是實物圖中，兩通道數字示波器我們選擇了美國是德(KEYSIGHT)公司的 DSOX1102G，這是一款入門級的示波器，面板上還有一個輸出口可以產生20M 的正弦波信號，正好作為激勵信號源。

　　由于BH 分析儀測試磁化曲線時，磁性元件需要用高頻大電流進行激勵才能達到真實的工作條件，所以對寬帶功率放大器的功率帶寬和輸出電壓電流能力要求很高。寬帶功率放大器我們選擇了知用(CYBERTEK)公司的PA3018 功率放大器。它的輸出能力可達260VA，功率帶寬高達1M，非常適合用來推動磁性元件的測試。

　　被測的磁性元件一般做成一個環形磁芯試樣。在磁芯上我們繞兩組線圈，分別是原邊和副邊。兩個線圈連接到測試工裝的4個接線柱上。被測磁性元件的原邊電流 I 和付邊電壓信號U 使用差分放大后輸出到兩通道數字示波器。

　　參考示波器廠家提供的編程手冊,編寫程序通過 USB 接口從示波器讀取波形數據。然后根據數學公式，輸入被測磁環的物理參數，轉換成BH曲線。

　　工作的時候，只要調整信號源的頻率和幅值，就可以控制曲線的B 和H 的值，并進一步計算磁環的損耗等指標。

　   3 BH 曲線的計算公式

　　我們設被測磁環的原邊匝數 N1,電流 i1，付邊匝數N2，電流i2

　　那么H= N1*i1*/L，其中 N1 是輸入線圈的匝數;i1 是輸入線圈的電流，單位是 A;L 是被測磁環的平均磁路長度，單位是 m;H 的單位是A/m。

　　其中 S 是被測磁環的截面積，單位是m2;N2 是輸出線圈的匝數;U2 是輸出線圈兩端的電壓，單位是V;B 的單位是T。

　　Bm是磁通密度，單位是T;Hm 是磁場強度，單位是 A/m。

　　其中μ0是真空磁導率, μ0= 4πx10-7 亨利/米。μa 是初始磁導率。

　　其中Pc是磁芯損耗，單位是W。

　　其中 是i1RMS的i1有效值， U2RMS是U2的有效值，VA 是視在功率，單位是 VA

　　其中θ是相位角，單位是度。

　　4 測試結果

　　為了驗證本設計的測試精度，我們采用相同的試樣和測試條件，對比本設計和日本IWATSU SY-8232 型BH 分析儀的測試結果。

       5 磁化曲線 BH 分析儀的優缺點：

　　(1)性價比很高，也能夠達到一定測試精度，替代進口BH分析儀。

　　(2)示波器采樣數據是8 位的。在沒有標定的前提下，數據的誤差大約是5%以內，對于一般的應用應該足夠了。

　　(3)受限于硬件條件，相位精度不夠高。當頻率比較高的時候(比如超過200KHz)，或者磁環的相位角θ接近 90 度的時候，用這種方法計算的損耗誤差相對比較大。