软磁铁氧体测量技术及标准进展

发布时间: 2021-05-29 浏览次数： 次

Development of soft magnetic ferrite measurement technology and standazdization

一、前言
      软磁铁氧体材料及磁芯性能参数，不但是本身质量高低的标志，也是各种电子变压器、电感器等软磁铁氧体器件设计的依据。因此，准确测量软磁铁氧体材料及磁芯性能参数是非常重要的。软磁铁氧体测试技术包括：

（1）软磁性能参数测量原理及方法，

（2）软磁性能参数测量装置（系统）及仪器，

（3）测试条件及测试程序，

（4）测量结果的误差分析与数据处理。
       软磁测试技术随着电子技术和计算机技术不断发展而发展，也随着软磁材料产品开发应用的需要而发展。软磁参数测试方法标准在不断的修改。新的测试方法标准在制定和发布。

      本文论述软磁性能参数测量方法，以及测量装置(系统)、仪器的发展。国内制定测量方法标准和采用IEC标准的进展。测试条件和测量程序对参数测量的可靠性和重复性起着重要的作用。在测量方法标准中作了具体规定，不作叙述。测量结果的误差分析、数据处理与误差理论和仪器制作技术的进步密切相关，也不作详细论述。

二、低励磁电平下磁性测试技术的发展
      软磁铁氧体材料在交流弱磁场(<5mT）下使用，主要特性参数为复数磁导率 =μ′-jμ″。μ′与起始磁导率μi的物理意义相同，μ″则代表材料的能量损耗， 。但是，在材料及磁性产品技术标准中通常使用的特性参数有起始磁导率μi、电感L、电感因数AL，损耗角正切tgδ、Q值、tgδ/μi、 磁滞常数ηB等。
      通常情况下，通过测量磁芯电感计算得到μi、 μ′、tgδ、AL。因此，归根到底是测量磁芯（样品）的电感L。测量电感的方法主要有电桥法和复数阻抗法。这两种方法也可以测量磁芯的tgδ、Q值，ηB等。
      众所周知，20世纪中期，采用电桥法制作的仪器很多，有手动的和半自动的。例如Re13R217电桥（西德）、Re13R218电桥（西德）、CD-5（中国南通）、CD-24（中国南通）、CD-16型磁性参数测量仪（中国南通）等。采用运算放大器在电桥中组成有源电压调节网络是经典电桥的一个发展，在电桥电路中采用相敏检波器（PSD），可以将不平衡电压分解为同相分量和90°相差分量，使电桥的平衡极为方便。一些早期的数字化自动平衡电桥大都采用这种方法。如国产的CDBA、CD-7、CDG-A和美国GR1608-A，英国的Wayene  kew B221，Marom-TF2700等都属于这种类型。可以说是第二代电桥产品。传统的电桥法仪器，虽然在理论和测量方法方面都是最成熟的。但是这类仪器的缺点较多，如量程窄，频带窄，功能少，测试速度慢，操作不方便等。因此，自20世纪70年代以来，测试仪器从测试原理、显示方式等都在不断地更新，20世纪80年代以来采用复数矢量阻抗法，利用微处理机算机技术实现了多频点的测量、数字显示、参数自动转换、自动校准、程控输出和IEEE-488接口母线相兼容等新技术，制作出各种高精密度的LCR测试仪和阻抗分析仪。例如，HP4274A、HP4192A、GR1688、GR1689。国内的有YY2815、ZL-5等。这些仪器的基本测试误差为0.02%~0.1%。HP4291A和Agilent4291B为1MHz~1.8GHz，测量参数为阻抗参量有：│Z│、│Y│、θ、R、X、G、B、CP、CS、LP、LS、RP、RS、D、Q；转换参数： ；材料参数：│ε│、θ、ε′、ε″、│μ│、μ′、μ″。这类仪器量程宽，例如HP4274A测量电感的量程为100nH~1000H，电阻为100mΩ~10MΩ。操作方便，可以自动显示打印数据和曲线，测量速度快。最近，日本Agilent公司推出了Agilent E4991A RF阻抗/材料分析仪，测试频率1MHz~3GHz。
      tgδ、Q的测量，GB9632(IEC367-1)推荐了传输法、阻尼振荡法，西南应用磁学研究所采用传输法研制成测试系统。采用谐振法制作各种Q表，测试频率都在300MHz以下，例如TF1245型 表(英国马可尼)测试频率为40kHz~300MHz。HP4342A型 表测试频率为22kHz~70MHz。HP4285A和HP42851A型Q值适配器，测量 值的频率为75kHz~30MHz。国内AS-2851型表(上海无线电仪器厂)测试频率为50kHz~50MHz。HL2801型数字表(黑龙江电子技术研究所)测试频率为50kHz~30MHz。
      信息产业部磁芯产品质量监督检验中心，具有的Agilent4294A精密阻抗分析仪和4291B阻抗/材料分析仪是测量软磁材料及磁芯在弱磁场下性能参数的最好的仪器，其频率范围40Hz~1.8GHz。特别是测量μ′μ″~f， 曲线，可以从40Hz~1.8GHz采用同轴夹具测量。
      国内，天津无线电六厂等多家生产厂(公司)虽然生产了多种型号LCR电桥和阻抗分析仪，测试频率多在200KHz以内，1MHz以上的仪器很少，而且振荡器电平调不到测量起始磁导率要求的电平。因此，1MHz以上的高精度的LCR测试仪和阻抗分析仪，几乎都要从美国、日本等国家购买。目前，国内生产的低励磁电平下磁参数测试仪器，远远落后于美国、日本等国家水平。
三、高励磁电平下软磁特性参数测量技术的进展
      功率铁氧体材料的功耗P和振幅磁导率μa应在高励磁电平下进行测量。
1、 1990年以前，我国主要采用谐振法测量功耗及振幅磁导率，装置电路见图1。

    图1中，N1=1，N2=60，R=60Ω，CN为标准可调电容，示波器用于监视CNLX并联谐振状态，调节CN，当荧光屏上的李沙育图形呈直线，UL和I(UR)之间的相位差为0°， 。因此，磁芯功耗为：

(1)

    并联振幅磁导率为：

(2)

    (2)式中，C1为样品的磁芯常数，单位为(m-1)。在我国早期研究和生产功率材料中，谐振法测量P和μa起着重要的作用。
    2、 1982年IEC367-1通信用电感器和变压器磁芯测量方法发布。标准中规定3种方法：倍乘电压表法，电桥法，示波器法。IEC367-1标准第2版(1992年)补充了测量功耗的有效值法。2002年GB9632标准等效采用了有效值法。从1982年IEC367-1标准发布以来，已有20多年的历史。对世界功率铁氧体材料及磁芯生产和应用作出了巨大的贡献。
    3、 2000年12月国际电工委员会发布了IEC62044-3软磁材料制成的磁芯测试方法。第3部分：高励磁电平下磁特性。本标准内容及特点：标准共有8条和附录A、B、C、D、E。1-3条 使用范围、引用标准、术语、定义和符号。4条 高励磁电平下测试通则。5条 样品。6条 测试程序。7条 指定信息陈述。8条 测试报告。附录A、B、C、D、E分别为推荐的振幅磁导率和功耗测量方法电路。
      标准在测试通则中，论述了磁芯等效电路磁参数和材料性能是不一样的。特别强调测试前样品应恢复到磁中性状态。说明了采用单绕组和双绕组测试线圈的原则。在测试频率超过了200 kHz时。推荐使用两个绕组测试线圈。规定了测试仪器的性能要求。
      标准在第6条 测试程序中，详细地叙述了振幅磁导率 和功耗P的测量原理，推荐了符合测量原理的各种测量电路，见IEC62044-3标准附录A、B、C、D、E。而且规定了这些方法测试程序。
      IEC62044-3标准与IEC367-1（82）标准中测量μa和P的测试电路有很大的不同。μa测量的两种电路，电流取样不但用无感电阻，而且还可以用电流探头(互感器)。电流取样电阻与励磁线圈串联而另一端接地。IEC367-1(82)标准中，电流取样电阻与励磁线圈串联，而另一端与功率信号源高端相接。IEC62044-3标准中规定的测量功耗的方法：有效值法，乘积法，反射法和热量计法。其中乘积法分为V-A-W表法，阻抗分析仪法，模拟数字化法，矢量谱法，正交功率法。美国Clazc-Hesse公司的CH258 V-A-W表、CH2330 V-A-W表、CH2335V-A-W表，采用了乘积法的原理，利用数字取样及计算机控制技术，使得电流、电压、功率测试结果自动数字显示。功耗测量不确定度不大于±1.2%。
       国内，四川绵阳金鹏公司，天津无线电六厂，广东同心科技公司，山东阳光公司等，已生产售出V-A-W表。IEC62044-3标准的特点：
    a.科学性
      IEC62044-3标准是国际上许多电磁测量专家和学者在科研生产、测量技术研究及使用IEC367-1:1982标准中长期积累的技术。因此，该标准在理论上是成熟而可靠的，在方法上是合理而可行的，在操作上是安全而简便的。
    b.统一性
      IEC62044-3标准的发布，进一步的统一了高励磁电平下磁特性的测量方法。使世界各国在生产软磁功率材料及磁芯的质量控制上具有统一的测试方法，可以消除各国之间在软磁功率材料及磁芯产品的贸易壁垒。
    c.系统性
      标准内容和结构是系统的。每项参数，从测试目的、样品的采用、测量原理、测试方法、测试仪器和试验设备、测试电路、试验条件、线圈的绕制和采用、测试程序等等均详细地作了规定。
    d.灵活性
      材料及磁芯样品的功耗和振幅磁导率是非线性的。要求励磁电平大小不一样。各种样品的测试频率也不一样。因此，一种测试方法或者测试电路，很难满足要求。因此，规定了多种测试方法，推荐了多种测试电路。在材料及磁芯技术规范中，可以根据适用条件选用测试方法。
4、功率信号源
      功率信号源是高磁通密度下测量的关键设备，也是测量者伤脑筋的部分，因为满足测量条件的功率信号源较少。测量条件要求功率源能供给规定的电压和电流，波形应为正弦波，谐波总含量小于1%，输出阻抗要低（一般小于8Ω）。
      电压输出幅度及频率要稳定，漂移小。大多数情况下，功率信号源由信号发生器和功率放大器组成。
      1985年以前，我国长城无线电厂研制出TDS-4型功率放大器，输出功率为50W，频率可到50 kHz。1988年，北京钢铁研究总院研制出400Hz~500 kHz，200W的功率放大器。1990年，西南应用磁学研究所研制出10kHz~1MHz、100W的功率放大器，1996年有10kHz~1MHz、100W的锁定功率源出售。1997绵阳赛茂电源公司研制出10kHz~100kHz、200W功率源出售，电子制作技术不断提高，设计制作不断改进。1997年以来绵阳赛茂电源公司的功率信号源质量可靠，性能完美。
      1984年，日本研制出50Hz~2MHz、50W功率放大器。1988年日本凌和株式会社推出50Hz~1MHz、70V、6A；1~15MHz、50V、4A的功率放大器。近年来，岩崎通信机株式会社的SY-8216型B-H分析仪，配置的功率源为50Hz~1MHz、200W。SY-8232型B-H分析仪配置的功率源为10Hz~10MHz、800W。
      为了适应高频大功率软磁铁氧体材料功耗的测量，在国内不但要发展高频功耗测试技术，而且要努力研制满足各种功率铁氧体材料测试条件的高频大功率源。特别是按键输出的数字功率信号源。
四 、磁滞回线及Bs、Br、Hc的测量技术的发展
      饱和磁滞回线的测量主要有静态和动态两类测试方法。静态测量方法有冲击检流计法和电子积分法。冲击法在50年前已开始使用，它作为一个具有计量学价值的精确方法保留至今。IEC401标准、美国MMPA标准以及日本、德国、俄国的国家标准仍然采用这种方法。原苏联早期的Y541磁性参数测试仪是首先在我国使用的冲击法成套装置，其国产化的产品CC4冲击法测量装置曾是许多磁芯材料厂的必备设备。售价不到CC4的十分之一的CD4磁性材料测量仪也广泛采用。
      采用电子积分法制作的静态磁滞回线测试仪种类较多。在20世纪中后期，具有代表性的有上海第四电表厂的CL-6，日本横河的3257，美国的LDJ5500。2001年，信息产业部磁性产品质量监督检验中心，进口德国科隆磁物理（Magnet-physic）公司的C-750磁滞回线测试仪，其特点是微机控制，自动显示打印磁滞回线及Bs、Br、Hc，稳定性、重复性好，误差0.8%。
      交流磁滞回线测试仪采用电子积分法。在50-60Hz频率下， 磁性材料的交直流磁滞回线基本相似，尤其对于电阻率很高的软磁铁氧体材料更是观察不到两者之间有何差别。在低频下，采用高精度电子测量装置也能给出小于3%的测量误差。华中理工大学固体电子学系研制出了M-1A和M-1B示波器法磁滞回线测量仪，其使用频率为50-60Hz。
      IEC401（93）标准第2版，将Bs、Br、Hc的频率测试条件改为f ≤10kHz。美国MMPA标准（SFG-89）在10kHz下采用示波器法测量Bs、Br、Hc，西南应用磁学研究所也建立了10kHz下的示波器法测量Bs、Br、Hc的装置。示波器法的典型测量装置如图2所示。示波器法装置简单可靠，在10kHz下，描绘饱和磁滞回线，能测量Φ16这样的小样品，无需在B路和H路加放大器，灵敏度足够了。示波器法测量Bs速度快，适宜生产线上批量样品分选和比较测量，在环境条件变化时，可以连续观察Bs的变化。因此，在工业测量中,软磁铁氧体的Bs、Br、Hc，宜在10kHz下采用示波器法测量。

       随着计算机技术的发展，日本采用波形记忆法使磁滞回线的测试频率不断提高。日本理研电子株式会社研制的AC-100 磁滞回线测试仪使用频率为30 Hz-1000kHz。日本岩崎通信机株式会社的SY-8232交流BH回线测试仪，使用频率为10Hz-10MHz。这些测量仪均由计算机控制，自动显示和打印出磁滞回线和Bs、Br、Hc。B和H测量误差2%
五、软磁铁氧体方法标准化
      测试方法标准是磁芯质量判定和评价的基础。我国对软磁铁氧体测试方法标准的研究及制订都很重视。我国在1974年发布的SJ859-74《铁氧体短波(f≤12MHz)天线磁芯》标准中，就规定了天线棒测试方法。后来，随着软磁铁氧体生产的发展及广泛应用，陆续地发布了SJ1511-79《铁氧体天线磁芯总技术条件》，SJ/Z1766-81《软磁铁氧体材料系列及测试方法》，SJ/Z2110-82《软磁材料减落系数测试方法》，SJ/Z2090-82《软磁铁氧体功耗及振幅磁导率测试方法》，SJ/Z2007-82《软磁铁氧体罐形磁芯总技术条件》，SJ1174-81《电视接收机用铁氧体U型磁芯总技术条件》。1999年发布SJ/T11206磁性氧化物双孔和多孔磁芯性能测试方法。
      磁性测量技术主要反映在国际电工委员会发布的IEC标准中，IEC标准是世界上公认的权威的技术标准。其下属的两个机构TC51和TC68广泛收集了有关各国的意见和建议，制定了一系列磁性材料和磁性元件测量方法的推荐标准。例如，IEC367-1通信用电感器和变压器磁芯测量方法；IEC62044-3高励磁电平下磁特性测试方法等等。
      随着科学技术创新和技术进步，新的测量方法标准不断涌现，原有的测量方法也不断被修改和补充。20世纪70年代制定的IEC367-1标准于1982、1984、1992年被补充和修改。所以，IEC磁性测量技术标准得以长期保持其先进性和实用性，为世界各国广泛接受和应用，具有强大的生命力，因此，我国从1988年后，就着重采用IEC软磁测量方法标准。
      1988年，发布GB9632-88通信用电感器和变压器磁芯测量方法，等效采用了IEC367-1(82)通信用电感器和变压器磁芯，第一部分：测量方法。GB9635-88
天线棒测量方法，等效采用IEC492标准。SJ3175-88 磁性氧化物制成的圆柱形磁芯、管形磁芯及螺纹磁芯的测量方法，等效采用IEC732标准。
      1997年，发布SJ/T9072.3-1997变压器和电感器磁芯制造厂产品目录中有关铁氧体材料资料的导则，等效采用IEC401标准。
      1992年1月IEC367-1（82）标准补充了功耗测量的有效值法。GB9632.1-2002标准中增加了测量功耗的有效值法。
      2000年12月国际电工委员会发布：

u        IEC62044-1软磁磁芯测试方法  第1部分总规范(征求意见稿) 

u       IEC62044-2软磁磁芯测试方法  第2部分低励磁电平下的磁特性

u       IEC62044-3软磁磁芯测试方法  第3部分高励磁电平下的磁特性

u       IEC62044-4非磁特性（征求意见稿）

u       磁性行业应积极宣传IEC62044标准，尽快采用62044-3标准。
      软磁铁氧体新材料及应用向高频发展，要求测试频率越来越高。现行的一些标准方法很难胜任。今后标准方法研究应从以下几个方面发展：
       (1)测试频率≤10kHz下的BS、Br、HC测试方法标准
       (2)磁谱(μ′μ″)测量标准方法

  (3)B-H回线测量的标准方法
       (4)MHz下功耗测量标准方法
       (5)铁氧体交直流电阻率测量的标准方法
       (6)材料密度测量标准方法
       (7)居里温度测量标准方法
       (8)功率材料性能因数测量标准方法
       (9)磁芯抗压强度试验标准方法
       (10)磁芯机械强度试验标准方法
六、坚持科技创新，走国产化之路
      半个世纪以来，我国应用磁学界和磁性行业广大科技工作者，一方面跟踪国际上先进的磁测量技术，另一方面在引进、消化、吸收的基础上，自立创新，提出了不少新颖，独特的磁性测量方法。从1975年到1998年，IEC/TC51中国国家委员会提交了多项IEC标准提案。例如，信息产业部磁性产品质量监督检验中心提出的IEC367-1附录N《(有效)振幅磁导率测量电路》修正案，《磁性氧化物双孔和多孔磁芯性能测量方法》标准提案等。为了尽快与国际接轨，我国磁性行业积极地等效或等同采用IEC及ISO标准推荐的测量方法，也广泛吸收先进工业化国家和国际著名大公司的标准，如美国MMPA，日本JIS，德国的DIN及俄罗斯ROCT标准中的测量方法。实际证明我国软磁测量理论，测量方法研究方面接近国际水平。
      国际上，软磁测量专用仪器设备的开发生产主要集中在美、德、日本少数几个先进工业化国家。例如，HP4284A LCR测试仪（美国），Agilent4294A精密阻抗分析仪（美国、日本），Agilent4291B RF阻抗/材料分析仪（美国、日本）,CH2330取样数字V-A-W表（美国），CH2335取样数字V-A-W表（美国）,C-750B-H测试仪（德国），SY-8232B-H分析仪（日本）等。这些仪器代表目前世界上软磁测试仪器技术水平。国内，由于研制生产磁测仪器的厂家多，规模小，技术力量分散、单干，生产的测试仪器在使用频率范围、可靠性、多功能、自动化程度以及外观质量方面，与国外测试仪器相比相差甚远，因此，国内仪器研发应调整产业结构，集中力量走国产化之路，生产出更多更新符合软磁测量方法标准的仪器，争取早日达到国际水平。■