静态磁参数测量实验平台的研制本科毕业论文.doc
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1、本科毕业设计静态磁参数测量实验平台的研制目 录毕业论文(设计)原创性声明本人所呈交的毕业论文(设计)是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除文中已经注明引用的内容外,本论文(设计)不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文(设计)的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名: 日期: 毕业论文(设计)授权使用说明本论文(设计)作者完全了解*学院有关保留、使用毕业论文(设计)的规定,学校有权保留论文(设计)并向相关部门送交论文(设计)的电子版和纸质版。有权将论文(设计)用于非赢利目的的少量复制并允许论文(设计)进入学校图书馆被查阅。学
2、校可以公布论文(设计)的全部或部分内容。保密的论文(设计)在解密后适用本规定。 作者签名: 指导教师签名: 日期: 日期: 摘 要磁性材料广泛地应用于国防、工农业、医疗和日常生活等行业中,其磁特性参数又是影响其产品性能的关键因素。本文针对软磁材料,为实验室建设,研制了静态磁参数手动测量系统,论文有一定的实用价值。在硬件系统设计中,采用“MCS-51单片机”系统为核心,设计了磁化电路,磁化电流的给定利用恒压源配合开关控制下的九个串联固定电阻分档实现;在测试回路设计中,为了防止感应冲击电压超量程引起测试的误差,将感应电动势经过积分变换、绝对值和A/D变换电路将数据采入单片机中,经计算得到磁感应强度
3、。在软件设计中,采用C语言和汇编语言混合编程,设计了在测量过程中对数据的采集、处理、存储和测量结果显示等程序模块。模块化的编程使得程序具有可读性强、易于维护和方便升级的特点。所研制的样机在实验室进行了测试,结果表明,本文所研制的静态磁参数测量系统的功能和指标达到了设计要求,能够满足教学实验的要求。关键词:磁性材料,磁化曲线,磁滞回线,“MCS-51单片机”Title: The development of static magnetic measurement systemApplicant: Speciality: ABSTRACTMagnetic materials are widely
4、used in many areas, such as national defense, industry, agriculture, medical and daily life. The parameters of magnetic characteristic play an important role in products performances. For laboratory construction, this paper develops a static magnetic parameter manual measurement of soft magnetic mat
5、erials system. “MCS-51 SCM” system is the core of the hardware. A magnetic circuit is designed and the magnetic current is given by nine series fixed resistances controlled by the switch and constant voltage source; In the testing of the sub-circuit design, induction EMF is transferred into SCM afte
6、r wave transform, absolute strike and A/D conversion. The magnetic induction intensity B can then be obtained by calculation.In the software design, both C and assembly language are applied to design the procedure module of data collection, procession, storage and test result display. Modular progra
7、mming entrusts the design the features of strong readability, easy maintaining and convenience upgrading.The developed prototype was tested in the laboratory. Results show that targets of this static magnetic measurement are achieved. The demand for education purpose is also met.KEY WORDS: Magnetic
8、material,Magnetization curve,Hysteresis loop,MCS-51 SCM目 录第1章 绪论11.1 磁性材料11.1.1 磁性材料的用途11.1.2 磁性物质的分类与磁特性11.2 磁场的测量方法11.2.1 冲击法11.2.2 磁通表法21.2.3 霍尔效应法31.3 磁性材料的测量方法41.4本论文的主要工作51.4.1 毕业设计的主要任务:51.4.2 课题的具体工作内容51.5本论文的结构安排6第2章 静态磁测量原理72.1 磁场的基本定律72.1.1 安培环路定律72.1.2 电磁感应定律72.2 静态磁材料的测量82.3测量102.3.1 基本
9、磁化曲线测量102.3.2 磁滞回线的测量11第3章 静态磁测量的硬件系统设计133.1静态磁测量的硬件系统框图133.2单片机系统133.2.1 单片机系统及键盘133.2.2 液晶显示接口153.2.3 单片机与PC机的串行接口163.3 励磁电流的给定和磁感应强度的测量电路设计173.3.1 磁化电流的给定设计173.3.2 磁感应强度B的测量电路设计19第4章 静态磁测量的软件系统设计234.1 系统软件234.2 主程序清单234.3 中断服务程序清单29第5章 静态磁测量系统的调试与测试315.1 磁性材料试品的准备315.2 系统的调试与测试325.2.1 单片机系统的调试325
10、.2.2励磁回路的调试335.2.3 测试回路的调试335.3 测试355.3.1 磁化曲线的测量步骤355.3.2 磁滞回线的测量步骤37第6章 结论与展望416.1 结论416.2 展望41致 谢43参考文献:4563第1章 绪论第1章 绪论1.1 磁性材料1.1.1 磁性材料的用途 磁性材料的应用,在国民经济占有举足轻重的地位。它广泛应用于工农业、国防以及日常生活中,例如工业中的电气设备包括互感器、电抗器、变压器和电机等;仪器仪表中的磁性元件包括医疗仪器中的核磁共振;日常生活中的电声、指南针、电饭锅、记录语音的电视机和磁性卡等。1.1.2 磁性物质的分类与磁特性磁性物质按材料可分为金属和
11、非金属两类。金属主要有电工硅钢、坡莫合金和稀土合金等,非金属主要是铁氧体材料。按用途又分为软磁材料、硬磁材料和功能磁性材料,如电工硅钢、坡莫合金、软磁铁氧体等属于软磁材料;而铝镍钴永磁、稀土钴永磁、钕铁硼永磁、永磁铁氧体等属于硬磁材料;功能磁性材料通常指磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁泡材料、磁光材料,旋磁材料、磁性薄膜材料、粘结材料等。按形态分为粉体材料、液体材料、块体材料 、薄膜材料等。按磁性能可分为反磁性、顺磁性和铁磁物质三种。磁性材料的磁特性通常用磁化曲线和磁滞回线来表征。其中,磁滞回线狭窄,回线面积较小而磁导率高的磁性材料称为软磁材料。常用于做电机、变压器、继电器的铁心。硬磁
12、材料由于磁滞回线宽,剩磁和矫顽磁力较大,因而适宜制作永久磁铁。1.2 磁场的测量方法磁场的测量方法主要有冲击法、磁通表法和霍尔效应法。1.2.1 冲击法 利用冲击电流计测量磁场的方法称为冲击法,如图1-1所示,常用于测量静态磁特性曲线。试品材料制造成镯环形,形成闭合磁路,并绕以磁化线圈和测量线圈。前者通过换向开关、电流表和调节电流的可变电阻接到直流电源上;后者接到冲击电流计上。开始测量时,通过电流表将磁化线圈中的电流调到某一数值,由电流表的读数、磁化线圈的匝数,以及试品材料的磁路几何参数,可计算出磁场强度H的值。然后,利用换向开关,快速改变磁化线圈中的电流方向,使试品材料中的磁通密度的方向突然
13、改变,于是在测量线圈中感应出脉冲电动势e,e使脉冲电流流过冲击电流计。通过冲击电流计的总电量Q与磁通的变化满足,从式中看出:总电量Q与磁通的变化成比例,则只要测出脉冲电流的总电量Q,就可算出磁通的变化。 再由试品材料的等效截面S,可计算出相应的磁感应强度B值。图1-1 冲击法原理图1.2.2 磁通表法与冲击法类似,用磁通表替换冲击电流计,如图1-2所示,可直接读出磁通。再由试品材料的等效截面S,可计算出相应的磁感应强度B值。图1-2 磁通表法原理图1.2.3 霍尔效应法将一块金属导体或半导体薄片放在磁场中,沿垂直于磁场的方向上通以电流I,这些运动着的电子,在磁场中将受到洛仑兹力的作用,从而在两
14、横侧间形成一个电压UH,这个效应称为霍尔效应,如图1-3所示,图中电压UH称霍尔电压。在良导体中,由于形成电流的电子运动速度较快,因而霍尔电压较低,难以利用。半导体材料出现后,发现半导体的霍尔效应比较强烈,从而使这一效应在磁测量中得到日益广泛的应用。图1-3 霍尔效应法KHBi (1-1) 式中:RH霍尔系数,它与试品材料的性质有关; d半导体薄片的厚度; b半导体的薄片的宽度; l半导体薄片的长度; 霍尔片的形状系数; KH称为霍尔片的灵敏度。利用霍尔效应制成的传感器也称为霍尔片。通常,使用霍尔片测量磁场时,片中的电流应保持恒定,故应采用恒流供电方式。由于交变电压易于放大,在测量恒定磁场时(
15、包括直流电压或直流电流),常采用交流恒流源供电;而在测量交变磁场时(包括交流电压或交流电流),则采用直流恒流源供电。但由于近代电子技术的进步,通常不管是测直流信号还是交流信号均采用恒定直流供电。霍尔效应法测量磁场的范围很宽,场强范围可从810-27107A/m,它的准确度一般为15%。采取减小误差的措施后,可提高到0.1%以上。而测量电压或电流准确度通常在0.11。1.3 磁性材料的测量方法(1)磁性材料的测量的理论依据在磁性材料测量中,用到两个基本定理:一是安培环流定理,简称安匝定律,它的表达式为 ,式中:为磁场强度、为试品的长度、为励磁线圈的匝数、为励磁电流。该定理是对试品磁化的依据,通常
16、、是已知的,所以可方便地计算出磁场强度。另一个是电磁感应定理,它的表达式为,式中为感应电动势、为测试线圈的匝数、负号表示感应电势引起的电流总是企图阻止线圈中磁通的变化,这一规律常称为楞次定则。为了对磁性材料进行测量,就必须对励磁线圈加入阶跃变化的一个励磁电流,以便产生一个变化的磁场,这样测试线圈就会有一个感应电势,从式中可知,如果对该感应电势进行积分,同时,测试线圈匝数是已知的,就可算出磁通。又因为,而为试品的截面积也是已知的,所以就可以进一步算出磁感应强度。(2)静态磁特性的测量:磁性材料使用直流磁化磁场测得的磁特性,称为静态磁特性。表征其静态特性的参量有基本磁化曲线、磁滞回线、剩磁、矫顽磁
17、力等。(3)动态磁特性的测量:磁性材料在交变磁场中的磁性能,称为动态磁特性。表征其动态特性的参量是交流磁化曲线、动态磁滞回线、铁损、复数磁导率以及复磁导率随频率变化的曲线。1.4本论文的主要工作1.4.1 毕业设计的主要任务:(1) 在通过查阅相关资料,学习磁性材料的测量原理的基础上,采用“MCS-51单片机研制一台用于实验室建设的手动静态磁测量实验平台。(2) 设计适合于手动操作的磁化电流给定电路。(3) 设计用于测量磁感应强度B的调理放大电路、A/D和LCD显示器等。(4) 采用C语言编写手动测量与记录的应用程序并调试通过。(5) 制作出样机并测试达到功能和技术指标要求。(6) 写出毕业设
18、计论文。1.4.2课题的具体工作内容1. 原始数据 磁性材料: 测试试品线圈匝数:外径D060mm,内径Di30mm,环高h10mm,所以截面积S=150mm2,样品的等效平均磁路长度65.33mm。 2. 技术要求 手动操作控制退磁、磁锻、测量、记录和显示。 设计数字磁通计用于测试磁感应强度 测试准确度:3 3. 工作要求 采用MCS-51系列单片机89C52为核心组建硬件系统。 设计相应的调理电路、A/D和LCD显示器与单片机的接口电路。 根据操作功能要求,确定键盘控制功能 采用C语言编写应用程序并调试通过。 对系统进行测试和结果分析。 写出论文。1.5本论文的结构安排第一章 绪论, 第二
19、章 静态磁测量原理与测量步骤, 第三章 静态磁测量的系统硬件设计, 第四章 静态磁测量的系统软件设计, 第五章 系统与测试, 第六章 结论与展望。 第2章 静态磁测量原理第2章 静态磁测量原理2.1 磁场的基本定律2.1.1 安培环路定律 在磁场中,沿任一闭合路径磁场强度向量的线积分值,等于穿过该闭合路径电流的代数和,即 (2-1) 式(2-1)是磁场的基本方程之一,称为安培环路定律的一般形式,也称为全电流定律。根据此定律很容易得出,在两种不同媒质的分界面上,磁场强度的切线分量是连续的,即 (2-2)此定理是应用励磁电流解决B。 2.1.2 电磁感应定律如图2-1所示线圈,当穿过它的磁通链发生
20、变化时,线圈中就产生感应电势。实验表明,在选取e的参考方向与磁通f符合右手螺旋定则时,电磁感应定律的表达式为 图 2-1 电磁感应现象 (2-3) 式中:N线圈的匝数,负号表明感应电势引起的电流总是企图阻止线圈中磁通的变化,这一规律常称为楞次定则。电磁感应现象是磁场的重要性质,它表明了电与磁的统一,在磁测量中有着广泛的应用。此定理是应用冲击感应法解决B。2.2 静态磁材料的测量在磁测量中,首先应该按试品按照试品的几何尺寸进行简单的估算,并绕制磁化线圈和测试线圈,然后在磁化线圈中输入磁化电流,将磁通表接至测试线圈两端进行实验,当磁化电流逐步增加而磁通表的读数不变时,表明该磁化电流以使得磁材料达到
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