數字示波器和寬帶功率放大器構成的磁化曲線 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

　　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。

　　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已經非常*，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*輸出能力是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，分別是原邊和付邊。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 方案的優缺點：

　　(1)性價比很高，也能夠達到一定測試精度。

　　(2)示波器采樣數據是8 位的。在沒有標定的前提下，*終數據的誤差大約是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。