利用labview实现磁化曲线和磁滞回线的测量实验报告

利用LabVIEW 测量磁化曲线和磁滞回线

学号：提交时间：2014.05.30

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利用LabVIEW测量磁化曲线和磁滞回线

一、实验目的

观察铁磁材料的磁化和磁滞现象，用labview观察、测量磁滞回线和磁化曲线。

二、实验仪器

待测样品，信号发生器，九孔电路实验板（含标准电阻、连接导线等）,电脑（安装有LabVIEW和DAQ助手）

三、实验原理

（一）磁学简介

物质的磁性可分为弱磁性和强磁性两大类。弱磁性仅在有外磁场的条件下才表现出来，并随着磁场的增大而增强。按磁化方向和外场方向的异同，弱磁性又分为抗磁性和顺磁性；强磁性主要表现为在没有外场时仍存在自发磁化，并在外场下通常表现出很强的磁性。根据其自发磁化方式的不同，又可分为铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性和螺磁性等。在实际应用中，一般通过许多特征曲线对铁磁材料的技术特性进行表征。现将有关的曲线介绍如下：

初始磁化曲线 在热退磁的磁中性状态下，当磁场绝对值单调增加时，样品的磁化强度M（或磁感应强度B）随磁场强度H的变化轨迹（如图1曲线中的o-f-a段）。

磁滞回线 当磁场强度在H0H0H之间循环变化时，M或B的变化轨迹（如图1中的abcdefa曲线）。它是一条闭合曲线。

换向（正常）磁化曲线 将不同饱和磁场下得到的磁滞回线的顶点连接起来所得到的曲线（如图2所示）。测量该曲线前样品需要退磁。

理想磁化曲线（无磁滞的磁化曲线） 在获得换向磁化曲线的每一个恒定磁场上，再加上一个振幅自某一值变至零的交变磁场，由此得到的磁化强度M随

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恒定磁场变化的曲线成为理想磁化曲线。图3是理想磁化曲线和换向磁化曲线的比较。

饱和磁滞回线 在饱和磁场下的磁滞回线。

B Bm Br

b

H

HC

Hm a

－Hm －HC

c

f

o

e

d

－Br －Bm

图 1、初始磁化曲线和磁滞回线示意

图2 换向（正常）磁化曲线

图3 磁化曲线(A)和理想磁化曲线(B)

（二）磁滞回线与磁化曲线的观测和绘制

本实验中观测磁滞回和测量磁化曲线，其基本原理都是利用电磁感定律，将磁场的改变量转化为电动势（电压）进行测量。

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实验原理图如下：

图4 观察磁滞回线的原理图

观察磁滞回线的原理如图4所示。被测样品被做成圆环形，其等效长度为

l（图中曲线）。样品上面绕有原边和副边两组线圈，其匝数分别为N1和N2。

观测时在原边输入交流电压，产生交变的磁化电流i1。图中R1为采样电阻，用以测量原边的电流。由安培环路定律可算得磁场强度H为

HN1i1N1u1KHu1 R1

(1)

副线圈电路为积分电路，交变的H在样品中产生交变的磁感应强度B。设被测样品的截面积S，穿过该截面的磁通φ＝B•S，由法拉第电磁感应定律可知，在副边线圈中将产生的感应电动势为

sN2ddB （2） N2Sdtdt对（2）式做变形整理积分为

B=−N2S∫εs dt=KB∫εs dt， （3）

测量出副线圈两端的感生电动势εs关于时间t的函数，之后进行积分后再乘上修正系数KB，即可得到磁感应强度B。依次改变主线圈输入电压的幅度，便可得到一组磁滞回线，即磁感应强度B关于磁场强度H的关系，各条磁滞回线顶点的连线便是基本磁化曲线。

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四、实验设计

基本的实验原理上边的表述清楚了，下面我们分析一下具体需要测量哪些数据以及怎样用LABVIEW编程实现。

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由上面原理可知我们按照图示原理图连接电路后，主线圈的输入电压由信号发生器提供，手动改变输入信号的幅度从而测得多条磁滞回线。

连接好电路后，实验的关键在于电脑多次读取主线圈电路内电阻R1两端的电压和副线圈两端电压分别关于时间t的波形函数。之前这些工作我们是用示波器实现的，现在用LabVIEW编程实现，结合课上老师讲解的内容，我想到利用数据采集卡来读取数据并记录。

下面结合编程过程简单介绍一下我的实验设计思路：

注：截图一为程序框图截图，截图二为前面板截图 1.数据采集：首先键入DAQ助手，设为两路电压信号采集，一路采集R1两端的电压u1，一路采集副线圈两端的感生电动势εs。注：采样数和采样频率的设置要合适 2.数据转换处理：采集到的数据做信号分路之后:

a.R1两端的电压直接乘以KH做系数修正,之后便得到了H-t波形数据; b.副线圈两端的感生电动势积分后乘以KB做系数修正,之后便得到了B-t波形数据。注：此处在实验中出现了问题，由于积分的初始值不固定，所以最后的磁滞回线的图像不一定能够完整的展示在图表中，在老师的提醒下对图形做了平移修正，利用幅值和电平测量读取出波形的周期平均，之后将原有的数据减去周期平均后即得到最终的B-t波形图。

这一部分的编程中，我另外建立了两个波形图，分别用以显示H-t波形图和B-t波形图，为以后的数据分析提供了更多的资料。

3.修正系数KH和KB的确定：利用公式节点器实现，在前面板输入线圈大圆环直径D、小圆环直径d、线圈高度h、电阻R1阻值、主线圈匝数N1、副线圈匝数N2等基本量的数值，在公式节点器中输入公式，即可计算得到修正系数KH和KB。

4.磁滞回线的绘制：建立一个X-Y Express图表，将测量到的H作为X，B作为Y输入到图表中即可。

5.数据的记录：上面的工作完成后，基本的测量工作都已经完成了，现在最重要的就是数据记录，我们要记录的数值便是键入X-Y Express图表中X值

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和Y值，实验中我是建立了一个二维数组并将这两组数据记录在其中，之后再用txt文件导出数据即可。

截图一

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截图二

五、实验内容

1.按照上述设计过程将电路和数据采集卡连接好，开始实验；

2.手动改变信号发生器输入电压的幅值,变化范围为：1.00vpp~20.00vpp,每次变化幅度为1.00vpp，每次改变幅值后点击前面板运行旋钮，观察波形并将数据记录为txt文件导出。（注意txt文件每次命名不一样，以防数据丢失）

六、数据处理

1.磁滞回线的绘制

将存储的数据画在一张图表中，得到的图线如下：

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0.40.30.20.10-150-100-50-0.1-0.2-0.3-0.4B(mT)2V3V4V5V6V050100H(A/m)1507V8V9V10V11V12V13V14V 2.磁化曲线的绘制

将每个输入电压下的曲线的顶点坐标从记录的数据中读取出来后，得到如下表格以及图线：

输入电压 1.00Vpp 2.00Vpp 3.00Vpp 4.00Vpp 5.00Vpp 6.00Vpp 7.00Vpp 8.00Vpp 9.00Vpp 10.00Vpp 11.00Vpp 12.00Vpp 13.00Vpp 14.00Vpp 15.00Vpp 16.00Vpp 17.00Vpp 18.00Vpp 19.00Vpp 20.00Vpp Hmax(A/m) Bmax(mT) 6.448 0.057 12.2 0.12 16.877 0.162 22.692 0.21 29.21 0.247 36.029 0.274 41.845 0.293 48.363 0.306 55.081 0.317 61.098 0.325 66.914 0.331 73.432 0.336 79.348 0.34 85.465 0.344 91.682 0.343 97.598 0.341 103.815 0.339 109.932 0.335 116.249 0.332 122.165 0.327

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磁化曲线0.4Bmax(mT)0.350.30.250.20.150.10.050050100Hmax(A/m)150磁化曲线 七、数据图线分析

通过对磁滞回线的观测，不难发现铁磁材料的磁化一般分为四个阶段：1.在外磁场较小时，通过畴壁的移动造成磁畴体积的增大，最终导致样品的磁化。此时如果去掉外磁场，畴壁又会退回原处，整个样品回到磁中性状态，即磁化可逆。2.第二阶段是不可逆磁化。随着外磁场的增大，磁化曲线上升很快，即样品的磁化强度急剧增加。3.随着外磁场的进一步增加，材料诶不的畴壁移动已经基本完成，磁化强度不断增大。4.近饱和阶段，这个阶段尽管外磁场很大，但是磁化强度的增加却很小。不同结构的铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线的形状都不一样，反映了它们的磁化和反磁化机制的不同。

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