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軟磁材料直流磁性能測(cè)量方法的發(fā)展史

日期:2024-12-21 04:04
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摘要: 金屬軟磁材料理論研究和工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要,了解它們的內(nèi)在參數(shù)自然是必須的。然而對(duì)測(cè)試結(jié)果的評(píng)估并非易事,因?yàn)樗鶞y(cè)量的數(shù)據(jù)還依賴(lài)于測(cè)量設(shè)備背后的方法。如:在對(duì)軟磁材料閉路樣品的直流磁性能參數(shù)的常規(guī)測(cè)量時(shí),數(shù)據(jù)的重復(fù)性取決于磁通計(jì)和電流源的水平,但更有必要的是掌握正確的測(cè)試方法,否則會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題。 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中如:IEC 64004-4、IEC 64004-7、ASTM A341、A342和 GB/T 13012-2008 等,只是大致描寫(xiě)了掃描法或沖擊法測(cè)量的過(guò)程,其中沖...

金屬軟磁材料理論研究和工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要,了解它們的內(nèi)在參數(shù)自然是必須的。然而對(duì)測(cè)試結(jié)果的評(píng)估并非易事,因?yàn)?/span>測(cè)量的數(shù)據(jù)還依賴(lài)于測(cè)量設(shè)備背后的方法。如:在對(duì)軟磁材料閉路樣品的直流磁性能參數(shù)的常規(guī)測(cè)量時(shí),數(shù)據(jù)的重復(fù)性取決于磁通計(jì)和電流源的水平,但更有必要的是掌握正確的測(cè)試方法,否則會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題。

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中如:IEC 64004-4IEC 64004-7、ASTM A341、A342和 GB/T 13012-2008 等,只是大致描寫(xiě)了掃描法或沖擊法測(cè)量的過(guò)程,其中沖擊法的描寫(xiě)或仍停留在對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)典沖擊法書(shū)本上的描敘,或還沒(méi)真正理解磁測(cè)量理論,尤其是如何控制沖擊速度和采集取值時(shí)間,達(dá)到消除渦流阻尼在金屬軟磁測(cè)量過(guò)程中的影響,這使得測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大差異成為常態(tài)。

中國(guó)做為磁性材料生產(chǎn)和應(yīng)用大國(guó),有必要做好軟磁直流特性測(cè)量的工作,這將有利于為我國(guó)新材料、汽車(chē)、**、通訊傳感和智能制造等事業(yè)的基礎(chǔ)研究提供準(zhǔn)確的磁性材料測(cè)量數(shù)據(jù)。中國(guó)軟磁材料直流磁性能測(cè)量方法的發(fā)展史是一個(gè)一步一步接近材料直流磁特性的過(guò)程,這過(guò)程也是從1G發(fā)展到5G軟磁直流磁測(cè)量的過(guò)程。

1980年代以前1G,參考前蘇聯(lián)技術(shù),采用經(jīng)典的沖擊法測(cè)量軟磁材料的直流磁性能,沖擊法是從定義出發(fā)的磁性材料直流磁性測(cè)量經(jīng)典方法!沖擊法直流磁性測(cè)量的關(guān)鍵是ΔB的準(zhǔn)確測(cè)量,*早采用沖擊檢流計(jì),靠慣性積分,速度慢,精度低,限制了這個(gè)經(jīng)典測(cè)量方法的應(yīng)用,但在原理上它仍然是唯壹!

1990年代2G,在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院瞿清昌上等工程師的領(lǐng)導(dǎo)下,由中國(guó)計(jì)量科學(xué)院為主導(dǎo),湖南省婁底地區(qū)電子研究所參與,將計(jì)算機(jī)、D/A變換器、勵(lì)磁電流發(fā)生器、積分器有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了采用模擬沖擊法測(cè)試初始磁化曲線(xiàn)和掃描法測(cè)試磁滯回線(xiàn)的方法,在測(cè)試材料的初始磁導(dǎo)率ui和*大磁導(dǎo)率um重復(fù)性方面得以大大提高,該過(guò)程屬于定性,測(cè)試結(jié)果也朝著正確的方向接近,模擬沖擊法測(cè)試磁滯回線(xiàn)的方法因當(dāng)時(shí)勵(lì)磁電流發(fā)生器和積分器還比較落后,測(cè)試重復(fù)性較差,難以勝任磁滯回線(xiàn)和相關(guān)參數(shù)的測(cè)量。

2000年代3G,以湖南省聯(lián)眾科技有限公司為代表,實(shí)現(xiàn)了采用模擬沖擊法測(cè)試軟磁材料直流磁性能磁滯回線(xiàn)方法,將測(cè)試回線(xiàn)和參數(shù)的重復(fù)性得以提高,并基本上滿(mǎn)足了低渦流阻尼軟磁材料的直流磁性能測(cè)試要求,但還是屬于一個(gè)定性,針對(duì)不同的材料使用什么樣的沖擊周期控制獲得直流磁性能還是空白。

2010年代4G,以湖南省永逸科技有限公司為代表,將模擬沖擊法繼續(xù)往前再推進(jìn)一步,主要核心技術(shù)是采用微機(jī)智能執(zhí)行循環(huán)沖擊磁化曲線(xiàn)和磁滯回線(xiàn),直到與前一周期沖擊結(jié)果比較滿(mǎn)足0.3%以下的差異,認(rèn)為獲得了材料的直流磁性能結(jié)果,并**申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明磚利。這種測(cè)量方法算定量,可將測(cè)試偏差縮小到更小范圍內(nèi),但存在測(cè)試時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng),尤其對(duì)在要求測(cè)試到Hs 比較高的情況下,積分器漂移偏差影響難以修正。

20205G,湖南省永逸科技有限公司在巴塞羅那自治大學(xué)陳篤行教授的指導(dǎo)下,通過(guò)控制H(t)函數(shù)獲得等B條件下進(jìn)行兩次不同掃描速率RA/m/s條件下的磁滯回線(xiàn),這樣可外推R=0,獲得DC磁滯回線(xiàn)的方法;同時(shí)發(fā)明了通過(guò)計(jì)算機(jī)編程人工智能優(yōu)化,對(duì)單點(diǎn)沖擊過(guò)程采用自動(dòng)判斷ΔB值變化小于0.1%條件下,即保證在dH/dt=0dB/dt≈0穩(wěn)態(tài)下取值,這是一種完全從定義出發(fā),保證了測(cè)試結(jié)果的唯壹性定量測(cè)試的方法!它將在軟磁材料、尤其在對(duì)高渦流阻尼的金屬實(shí)心環(huán)的直流磁性能測(cè)量中發(fā)揮重要的作用,也將為科研工作者進(jìn)一步掌握軟磁材料的磁化機(jī)理(沖擊法磁化時(shí)間波譜)提供可靠的測(cè)試手段!測(cè)試速度也較以前得到提高,整個(gè)測(cè)試過(guò)程完全由計(jì)算機(jī)智能判斷和控制,無(wú)需人工干預(yù)。

我們將此測(cè)試方法再次申報(bào)中國(guó)發(fā)明磚利,同時(shí)因測(cè)試方法便于實(shí)現(xiàn),我們還將這種方法推薦給全世界,推動(dòng)它成為閉路金屬軟磁材料直流磁性的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(當(dāng)然測(cè)試方法同樣也適合對(duì)低阻尼軟磁材料:如軟磁鐵氧體的測(cè)量,測(cè)試速度將更快),以滿(mǎn)足金屬軟磁材料直流磁性能測(cè)試數(shù)據(jù)的一致,獲得相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)樣品!

鑒于對(duì)我國(guó)軟磁材料直流磁測(cè)量設(shè)備發(fā)展的歷史分析,在此插入一段對(duì)目前我國(guó)正在討論的是否取消標(biāo)準(zhǔn)樣品的看法。首先標(biāo)準(zhǔn)樣品代表的是一個(gè)階段,采用大家認(rèn)知和認(rèn)可的一種測(cè)試規(guī)則條件下,對(duì)樣品進(jìn)行賦值獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果,在物理計(jì)量中標(biāo)準(zhǔn)樣品屬于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器,可以使用它來(lái)對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行溯源和校準(zhǔn),甚至可用來(lái)判斷設(shè)備測(cè)試方法是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求!標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)準(zhǔn)確賦值也將隨著測(cè)試設(shè)備分辨率、精度和測(cè)試技術(shù)的進(jìn)一步提高而提高!

目前磁測(cè)量設(shè)備供應(yīng)商普遍存在為滿(mǎn)足市場(chǎng)和用戶(hù)特殊需求,參考標(biāo)準(zhǔn)樣品數(shù)據(jù)或根本不參考標(biāo)樣數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行隨意調(diào)整的現(xiàn)象,這種行為很可能會(huì)降低標(biāo)準(zhǔn)樣品在溯源過(guò)程中作用和可信度。特別在近期行業(yè)會(huì)議的討論過(guò)程中,還有人提出取消標(biāo)準(zhǔn)樣品的呼聲,理由是標(biāo)準(zhǔn)樣品也是采用設(shè)備測(cè)試出來(lái)的,數(shù)據(jù)是可以通過(guò)軟件進(jìn)行修改的!這是不負(fù)責(zé)任的說(shuō)法。至少發(fā)言人是根本不懂磁測(cè)量的目的和標(biāo)準(zhǔn)樣品的意義,更不懂磁性材料的磁化機(jī)理,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品的認(rèn)識(shí)停留對(duì)幾個(gè)參數(shù)上,這不便于磁性材料的研究和磁性材料的應(yīng)用。實(shí)際在對(duì)軟磁材料直流磁性能測(cè)量研究過(guò)程中,已經(jīng)將測(cè)試要求延伸到將整個(gè)磁化曲線(xiàn)和磁滯回線(xiàn)的測(cè)量準(zhǔn)確,這是不能通過(guò)簡(jiǎn)單的磁感應(yīng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度修正做到!

正如在AMST委員會(huì)的主持下, 2007年組織過(guò)一次國(guó)際軟磁材料直流磁性能各實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行過(guò)的一次測(cè)試設(shè)備比對(duì)后發(fā)表的一篇論文:《Precision and Accuracy Study on Measurement of Soft Magnetic Properties Using DC Hysteresigraphs》(IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 43, NO. 5, MAY 2007),文中雖然作者沒(méi)有交待NPL采用什么方法測(cè)試,只說(shuō)目前美國(guó)NIST還沒(méi)有提供1J85標(biāo)準(zhǔn)樣品的能力。但由十名參與者采用五家設(shè)備制造企業(yè)生產(chǎn)的軟磁材料直流磁性能測(cè)量裝置測(cè)試結(jié)果取平均值,再與英國(guó)的國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)測(cè)試比對(duì),特別對(duì)1J85樣品來(lái)看,除HsJs偏差極小外(說(shuō)明磁通計(jì)和電流源定標(biāo)一致性好),Hc偏高了+34.72%?。?!um偏離-13.01%?。?!Jr偏離+4.25%!?。∵@案例從側(cè)面也反應(yīng)出標(biāo)準(zhǔn)樣品是何等的重要,總不可能針對(duì)不同材料做不同的修正吧!磁測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步是同時(shí)也是獲得材料的真實(shí)磁性能(即標(biāo)準(zhǔn)樣品)的過(guò)程,不斷提高磁測(cè)量水平,才是一項(xiàng)有意義的工作。

中國(guó)現(xiàn)代磁測(cè)量發(fā)展近40年來(lái),標(biāo)準(zhǔn)樣品的傳遞在此過(guò)程中起著重要的作用!沒(méi)有可溯源的標(biāo)準(zhǔn)樣品做參考來(lái)檢驗(yàn)設(shè)備,它的后果是相當(dāng)可怕的!這點(diǎn)需要特別強(qiáng)調(diào)和引起重視!只有經(jīng)過(guò)不斷的努力,提高磁測(cè)量的技術(shù)和完善測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),獲得標(biāo)準(zhǔn)樣品,才能有效的對(duì)相關(guān)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行考核!