磁导率的测试仪器及原理介绍

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【导读】1、磁导率的测试仪器功能磁导率的测量是一种间接测量，主要是测出磁心上绕组线圈的电感量，再用公式计算出磁芯材料的磁导率。因此，磁导率的测试仪器就是电感测试仪。在此强调指出，有些简易的...

1、磁导率的测试仪器功能
磁导率的测量是一种间接测量，主要是测出磁心上绕组线圈的电感量，再用公式计算出磁芯材料的磁导率。因此，磁导率的测试仪器就是电感测试仪。在此强调指出，有些简易的电感测试仪器，测试频率不能调，并且测试电压也不能调。比如某些电桥，测试频率为100Hz或1kHz，测试电压为0.3V，给出的这个0.3V并不是电感线圈两端的电压，而是信号发生器产生的电压。至于被测线圈两端的电压是个未知数。如果用的仪器测量电感，例如Agilent4284A精密LCR测试仪，不但测试频率可调，而且被测电感线圈两端的电压及磁化电流都是可调的。了解测试仪器的这些功能，对磁导率的正确测量是大有帮助的。

2、磁心材料磁导率的测量方法和公式
说起磁导率μ的测量，似乎非常简单，在材料样环上随便绕几匝线圈，测其电感，找个公式一算就完了。其实不然，对同一只样环，用不同仪器，绕不同匝数，加不同电压或者用不同频率都可能测出差别甚远的磁导率来。造成测试结果差别极大的原因，并非每个测试人员都有精力搞得清楚。本文主要讨论测试匝数及计算公式不同对磁导率测量的影响。

计算公式的影响
大家知道，测量磁导率μ的方法一般是在样环上绕N匝线圈测其电感L，因为可推得L的表达式为：L=μ0μN2A/l（1）

所以，由（1）式导出磁导率的计算公式为：
μ=Ll/μ0N2A（2）
式中：l为磁心的磁路长度，A为磁心的横截面积。
对于具有矩形截面的环型磁心，如果把它的平均磁路长度l=π（D+d）/2就当作磁心的磁路长度l，把截面积A=h（D-d）/2，μ0=4π×10-7都代入（2）式得：

μ＝L（D+d）*107/4N2h（D-d）（3）
式中，D为环的外直径，d为内径，h为环的高度，如图2所示。把环的内径d=D-2a代入（3）式得：

μ＝L（D-a）*107/4N2ha（4）
式中：a为环的壁厚。
对于内径较小的环型磁心，内径不如壁厚容易测量，所以用（4）式比较方便。（4）式与（3）式是等效的，它们的由来是把环的平均磁路长度当成了磁心的磁路长度。用它们计算出来的磁导率称为材料的环磁导率。有人说用环型样品测量出来的磁导率就叫环磁导率，这种说法是不正确的。实际上，环磁导率比材料的真实磁导率要偏高一些，且样环的壁越厚，误差越大。
对于样环来说，在相同安匝数磁动势激励下，磁化场在径向方向上是不均匀的。越靠近环壁的外侧面，磁场就越弱。在样环各处磁导率μ不变的条件下，越靠近环壁的外侧，环的磁通密度B就越低。为了消除这种不均匀磁化对测量的影响，我们把样环看成是由无穷多个半径为r，壁厚无限薄为dr的薄壁环组成。根据（1）式，可写出每个薄壁环产生的电感dL为：
（5）
由（5）式对r从内半径r1到外半径r2积分，既得到整个样环产生的电感L：（6）
由（6）式导出计算磁导率的精确公式为：
（7）
为了便于实际应用，可把（7）式化为；
（8）
上式中：D为样环外径，d为内径。把自然对数换为常用对数，（8）式被化为：

（9）

如果样环是由同一种材料组成，则用（7）、（8）或（9）式计算出来的磁导率就是其材料的真正磁导率μ。它比其环磁导率略低一些。

测试线圈匝数N的影响
由于电感L与匝数N2成正比，按理说用（9）式计算出来的磁导率μ不应该再与匝数N有关系，但实际上却经常有关系。
关于材料磁导率的测量，一般使用的测试频率都不高，经常在1kHz或10kHz的频率测试。测试信号一般都是使用正弦信号，因为频率不高，样环绕组线圈阻抗的电阻部分可忽略不计，把绕组线圈看作一个纯电感L接在测量仪器上。测试等效电路如图所示，仪器信号源产生的电压有效值为U，Ri为信号源的输出阻抗。由图3很容易写出磁化电流的表达式：

（10）
上式中，ω为仪器信号源的角频率，L为样环绕组线圈的电感。
L=μ0μN2Ae/le（11）
（11）中，Ae为磁心的有效截面积，le为磁心的有效磁路长度。如果把环型磁心的Ae和le代入，（11）式就会变为与（6）式的结果相同。
测试电流产生的有效磁场强度峰值Hm为：
（12）
把（10）式和（11）式都代入（12）式得到：
（13）
由（13）式可知，当（ωμ0μAe）2N4远小于le2Ri2时，（13）式可近似为：
（14）
上式告诉我们，测试线圈匝数很少时，测试磁场强度与匝数成正比。随着匝数的增多，当达到（ωμ0μAe）2N4远大于le2Ri2时，（13）式可近似为：
（15）

由（15）式可知，测试线圈匝数太多时，测试磁场强度又会与匝数成反比。
从以上分析得知，测量磁导率时，样环中的磁化场强度与测试线圈的匝数有关，当匝数为某一定值时磁场强度就会达到Z强值。而材料的磁导率又与磁化场强密切相关，所以导致磁导率的测量与测试线圈匝数有关。现在结合图具体讨论匝数对磁导率测试的影响。

测试电压U较低的情况
如前所述，对于仪器，如Agilent4284A精密LCR测试仪，它的测试电压可以调得极低，以至于测试磁场强度随匝数的变化达到Z强时，仍然没有超出磁导率的起始区。这时测得的总是材料的起始磁导率μi，它与测试线圈匝数N无关。用同一台仪器，如果把测试电压调得比较高，不能再保证不同匝数测得的磁导率都是起始磁导率，这时所测得的磁导率又会与测试线圈匝数有关了。
测试电压U不能调的情况
绝大多数测量电感的简便仪器，其测试电压和频率都不能灵活调节。如2810LCR电桥，其测试频率为100Hz或1kHz，测试电压小于0.3V。

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2004-08-30 09:23:09

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