2016国产磁测量好仪器系列之一：软磁材料基本磁滞回线测量仪FE-2100SD
原创：朱永红 工程师，湖南永逸科技有限公司
推荐：陆俊 工程师，中科院物理所磁学室
2016年7月13日
一句话推荐理由：在直面测量难题创新实践过程中催生出一款不输日本与德国同类产品的国产好仪器。
一、引言
磁性材料是二战后对科技进步和社会发展贡献仅次于半导体材料的功能材料，是磁性材料工业的重要组成部分。软磁材料磁性能测量的准确性是指导研究、发展新型材料和使用其制成产品保证质量的关键。
磁性材料最基本的参数大都定义在磁滞回线上，所以通常的磁性测量就是磁滞回线的测绘。目前软磁材料直流磁特性的测绘国外设备通常采用磁场扫描法。即被测样品(通常是一个环形样品)上绕制励磁和测量两个线圈，其中一个通入励磁电流产生扫描磁场H(t)，称为励磁线圈，另一个对引起样品感应电压进行积分运算获得相应的磁感应强度响应函数B(t)，称为测量线圈，其B(t)与H(t)的函数关系即为磁滞回线。
二、背景
软磁磁滞回线测量中的一个技术难题来源于样品在磁化过程中涡流对磁化测量的影响，测量到的磁滞回线受到磁化频率和磁场波形(谐波)的影响，而产生畸变，从而使测量结果失去唯一性，所以尽管这种方法很普遍、很简单，但实际上操作性不强，因为扫描法所得到的参数受测试材料的厚度t、电导率σ和磁场变化速度dB/dt等因素的影响从而导致磁性材料测量结果与材料本征性质之间的可比性和准确度变差。
针对这一难题，1990年前后，我国磁测量专家尝试采用模拟冲击法对软磁材料直流磁性能进行测量(参考中国计量科学院的《磁性材料测量》讲义)，而且中国计量科学院和湖南省娄底市电子研究所合作开发出具有模拟冲击法和扫描法的测量装置，明确扫描法只运用于对材料进行快速判断测量，测试有一定的局限性。后期湖南省的三家企业在相关方面的做了一些改善，满足行业用户的需要。
2015年12月，国内最早提出采用模拟冲击法测试软磁材料直流磁性能的瞿清昌老师提出测试材料“基本磁滞回线”的设想，即控制冲击波形函数、冲击周期保证所测试的磁滞回线是材料唯一的(即软磁材料的基本磁滞回线)，并基于该回线获取基本磁性参数，包括基本磁滞回线簇顶点连成的基本磁化曲线和定义在这些曲线上的磁性参数。特别是将这个磁滞回线的面积，定义为基本磁化能Pu(J/m³)，作为评价材料磁化损耗的基础。促进软磁材料直流磁特性及其参数测量的可溯源性。
在协助实施“基本磁滞回线”的设想过程中，湖南省永逸科技有限公司使用自适应仪器技术产生、控制，并记忆针对不同产品的冲击(激励)波形函数，实现模拟冲击法的基本条件是两个测量点的“准静态”，即dH/dt=0、dB/dt=0，同时兼顾测量效率。永逸公司在发展与验证该测量技术的同时对自己的传统软磁材料测量仪进行了大幅度改进，并推出了FE-2100SD型软磁材料基本磁滞回线测量仪，仪器外观如图1所示。
图1 FE-2100SD型软磁材料基本磁滞回线测量仪外观照片
三、简介
FE-2100SD型软磁材料基本磁滞回线测量装置由计算机、打印机、AD/DA数据采集和控制卡、程控励磁电源、积分器和被测试样品组成，设计原理框图如图2所示。
图2 FE-2100SD型软磁材料基本磁滞回线测量仪原理框图
电脑主机作为整个装置的中心，通过键盘和鼠标选择被测试样品的类型、形状、输入样品的尺寸。并通过D/A转换器控制冲击波形的信号发生，经过励磁电源的功率放大模块，达到对该材料最适合的波形函数I(t)产生，通过对串联在被测试样品初级绕组精密电阻的采样获得对应的H(t)，次级通过对感应电压的积分获得B(t)。
该测试装置区别于现有装置主要表现为：测量过程采用冲击测量模式，测量点从一个准静态点出发，到达另一个准静态点，装置测量每一次冲击过程起始前和结束后磁场与磁感的变化量(ΔH和ΔB)。微机通过测试软件的编程控制，已经成为一台能自学习的控制中心，能针对不同的测试样品，自己学习和自己编程获得适合该材料的测试函数波形，并程控励磁电源，对采样数据进行自我判断，最终获得代表材料直流磁性能唯一性的基本磁滞回线。
四、验证
1、参比材料
参加比对的材料基本涵盖了所有工业软磁材料，包括：纳米晶1K107带材，DT4电工纯铁，MnZn铁氧体，FB45铁氧体，无取向硅钢，取向硅钢23Z110，铁粉芯GS106060，叠片1J22，1J79坡莫合金带材，1J50圆环，共计十种。
2、比对仪器
参加比对的仪器及测量单位列如表1，包括中国计量大学与浙江省计量科学院的两台德国C-750、浙江工业大学的日本SK1100与永逸科技大FE-2010SD(含标准的扫描法与独创的模拟冲击法两种测量模式)
表1 参与比对的单位及其测试设备
3、比对方法
将参比材料绕制成不同规格的如图3所示的标准的四端磁环变压器器件，在几台设备之间传递测试，获得结果并进行分析出结论。
图3 用于比对的测量器件照片
4、结果及分析
十种参加比对的材料在4台仪器上的测量结果分别列于表2至表11.
表2 纳米晶1K107带材比对测量结果(其中黄色高亮表示异常结果，Le=35.72mm, Ae=3.913mm², Ve=0.1398cm³, 锁定Hs=80A/m)
表3 DT4的比对测量结果(Le=112.2mm, Ae=19.92mm², Ve=2.234cm³, 锁定Hs=10000A/m)
表4 MnZn铁氧体的比对测量结果(其中黄色高亮表示异常结果，Le=60.18mm, Ae=48.93mm², Ve=2.944cm³, 锁定Hs=600A/m)
表5 叠片1J22(厚度0.5mm)的比对结果(其中黄色高亮表示异常结果，Le=178.3mm, Ae=22.05 mm², Ve=3.931cm³, 锁定Hs=4000A/m)
表6 FB45铁氧体的比对测量结果(Le=65.9mm, Ae=17.79 mm², Ve=1.172cm³, 锁定Hs=1200A/m)
表7 1J79坡莫合金带材(厚度0.1mm)的比对测量结果(Le=88.37mm, Ae=10.44 mm², Ve=0.9227cm³, 锁定Hs=80A/m)
表8 无取向硅钢(厚度0.5mm)的比对测量结果(Le=69.62mm, Ae=46.14mm², Ve=3.212cm³, 锁定Hs=5000A/m)
表9 1J50圆环的比对结果(Le=112.2mm, Ae=15.93mm², Ve=1.787cm³, 锁定Hs=1600A/m)
表10 取向硅钢23Z110卷绕铁芯的比对测量结果(Le=216.4mm, Ae=68.64mm², Ve=14.85cm³, 锁定Hs=800A/m)
表11 铁粉芯GS106060比对测量结果(Le=61.1mm, Ae=69.56mm², Ve=4.251cm³, 锁定Hs=10000A/m)
从以上结果看出，FE2010-SD设备采用模拟冲击法对软磁材料不仅能实现初始磁导率、最大磁导率的可重复准确测试，还能测量基本磁化能Pu(J/m³)，即基本磁滞回线的面积(理论上基本磁滞回线是面积最小与Pu最小相互等价)。和扫描法比较，德国设备和日本设备均不提供初始磁导率参数。最大磁导率可提供，但相互之间差异也较大，这是原理性的缺陷。Pu测试中国计量大学德国设备在磁滞回线交错的情况下会差异较大。
五、结论
经过十种有代表性的材料制备软磁器件的比对实验，我们验证了FE2010-SD采用快速的扫描法测量和更加准确的冲击法两种测量模式，设备自身的相对不确定性为0.3%。对于稳定性较高的MnZn铁氧体,纳米晶1K107,取向硅钢23Z110,无取向硅钢,DT4这五类材料，FE2010-SD与日本与德国的同类进口仪器的测量结果相差约1%，与进口同类仪器之间的准确性差异相当。
六、致谢
感谢中国计量大学刘亚丕教授、浙江省计量科学研究院虞志书高工和浙江工业大学车声雷教授为国内外多测量仪器之间的横向比对测试实验提供便利。感谢University of Federal Defense Munich 陈俊全老师协助对数据的分析。
七、参考文献
【1】Tumanski S. 磁性测量手册【M】. 北京: 机械工业出版社, 2013.
【2】瞿清昌, 高原, 林安利, 等. 磁性材料测量(讲义)【M】. 北京: 中国计量科学研究院内部资料, 1990.
【3】A341/A341M-2016 Standard Test Method for Direct Current Magnetic Properties of Soft Magnetic Materials Using D-C Permeameters and the Point by Point (Ballistic) Test Methods【S】．West Conshohocken, USA：A. International，2016．
【4】朱永红．软磁材料基本磁滞回线测量装置及其测量方法【P】．中国发明专利专利：201610212992.3，2016．
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