應(yīng)用阻抗分析儀測(cè)量磁芯復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的不確定度分析.

1、應(yīng)用阻抗分析儀測(cè)量磁芯復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的不確定度分析吳瓊，王寶燕，胡秀坤，肖小飛(中國(guó)計(jì)量學(xué)院國(guó)家磁性材料及其制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(浙江)，浙江杭州3 10 0 18)摘要：應(yīng)用阻抗分析儀及短路同軸腔測(cè)量了鎳鋅鐵氧體材料高頻下的復(fù)數(shù)磁導(dǎo) 率，具體介紹了該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量重復(fù)性及儀器精度導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度以及合成不 確定度、擴(kuò)展不確定度等評(píng)定過(guò)程。結(jié)果表明，在6MHz6 0MHz頻率范圍內(nèi)，復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率實(shí)部/和虛部/的擴(kuò)展不確定 度為5%6%左右，證實(shí)了用這種方法測(cè)量高頻復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率是可行的。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，隨著頻率的增高，/的不確定 度增高，而/的不確定度卻呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：阻抗分析儀；復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率；測(cè)量

2、；不確定度中圖分類(lèi)號(hào)：TM9 3 6.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：E文章編號(hào)：1001 3830 (2009) 04.0043.04UncertaintyAnalysisofComplexPermeabilityMeasurementUsinglmpedanceAnalyzerWUQiong，WANGBao yah，HUXiu kun，XIAO Xiao feiNationalCenterfo,.QualitySupervisi onandTestingofMagneticMaterialsandPr oducts,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310 018,ChinaAb

3、stract:ThecomplexpermeabilityofN iZnferritemagneticcoreathighfrequencywaYmeasuredbyshortingcoaxialcavityoftheimpedanceanalyze r,andthestandarduncertaintycomponent sresultingfrommeasuringrepeabilityandequipmentprecision,thecombineds tandarduncertaintyandtheexpandeduncertaintyareanalyzedItisturnedoutt

4、 hattheexpandeduncertaintyof and 泣isintherangeof50/,6%,whichprovesthepracitabilityofhighfrequencypermeabilitymeasurementbyshortingcoaxialcavity.Itwasalsofoundthattheexpandeduncertaintyof increases, whiletheexpandeduncertainty of泣 decreaseswithincreas ingfrequency.Keywords:impedanceanalyzer;complexpe

5、rmeability;measurement;uncertainty1引言復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率/.t = / ?一/ ”是表征在正弦交變磁場(chǎng)下磁性材料磁特性的重 要參數(shù)。對(duì)于軟磁鐵氧體材料來(lái)說(shuō)，磁導(dǎo)率是一個(gè)標(biāo)稱參數(shù)。為適應(yīng)電子設(shè)備微型化的需要，磁性材料的使用頻率越來(lái)越高，其復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的測(cè)試頻率也從過(guò)去的1肛10 0kHz提升到11OOMHz。低頻條件下，通常是在環(huán)形樣品上繞制測(cè)量線圈即磁芯線圈進(jìn)行測(cè)收稿日期：2 0 0 9.0 1.0 6修回日期：2 0 0 9.0 6 1 9基金項(xiàng)目：國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目( 2 0 0 7 QK60);浙江省科技廳分析測(cè)試科技計(jì)劃項(xiàng)目(2007F0043)作者

6、通信：Tc1:0571.87676292E mai1：.ca磁性材料及器件2 0 0 9年8月量的，當(dāng)測(cè)試頻率上升到110 0 MHz時(shí)，由于磁芯線圈分布電容和導(dǎo)線 銅損的增大，此時(shí)采用考慮分布電容的修正方法也難以得到真實(shí)的測(cè)量結(jié)果【1】。固定長(zhǎng)度的終端短路同軸腔是一個(gè)低損耗的集中參數(shù)電磁系統(tǒng)，它可以產(chǎn)生一 個(gè)沿樣品徑向均勻磁化的環(huán)形交變磁場(chǎng)。由它取代磁芯線圈”進(jìn)行高頻復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率測(cè)量，可以得到相對(duì)真實(shí)的測(cè)量結(jié)果。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展它已經(jīng)作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法 的形式固定下來(lái)2】。但是，用這種方法測(cè)量復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的準(zhǔn)確性和可靠程度卻 鮮有評(píng)定。測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠程度用標(biāo)準(zhǔn)偏

7、差表示的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和說(shuō)明了置信水準(zhǔn)區(qū)間半寬度 的擴(kuò)展不確定度來(lái)衡量。測(cè)量不確定度的概念以及不確定度的評(píng)定和外導(dǎo)體=息息昌昌卜防一叫卜“一圖1(a)短路同軸腔示意圖和(b)等效電路表示方法的采用，是計(jì)量科學(xué)的一個(gè)新進(jìn)展，是測(cè)量誤差的綜合和發(fā)展【3,40本文應(yīng)用Agilent公司的4 2 9 4 A阻抗分析儀和配套磁性材料測(cè)試夾具1 6 4 5 4 A在660MHz頻率范圍內(nèi)對(duì)N iZn鐵氧體環(huán)形樣品進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)試結(jié)果的不確定度進(jìn)行分析，以期揭示應(yīng)用阻抗分析儀測(cè)量磁芯復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的準(zhǔn)確性和可靠程度。2測(cè)量原理阻抗分析儀是基于電流一電壓法來(lái)測(cè)量磁芯復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的。夾具16454A 是一種具有固定長(zhǎng)度

8、和短路端蓋的同軸腔。環(huán)形樣品套在中心導(dǎo)體上并緊貼短路端 蓋，將中心導(dǎo)體和腔體接到測(cè)試儀器后，短路同軸腔可以視為匝數(shù)等于1的線圈。 樣品選用鎳鋅鐵氧體，尺寸如下：內(nèi)徑b = 9.69111m，外徑c = 19.45min、高h(yuǎn) = 3.05mm。當(dāng)線圈外加交流電壓礦時(shí)，回路中流過(guò)交流電流厶，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，此時(shí)產(chǎn)生平行樣品表面的 磁場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)溫度為2 2 0 C+IoC，濕度為 65%75%。圖la是終端短路同軸腔的原理示意圖，圖lb是其等效電路，圖中o、 尺。為空腔電感和損耗電阻，厶和凡為被測(cè)樣品的電感和損耗電阻，它們組成串聯(lián) 等效電路。當(dāng)我們用任何一種測(cè)量方法得到厶、o和風(fēng)、Ro之后，就可計(jì)

9、算復(fù)磁導(dǎo)率 實(shí)部/ ?和虛部/。了。對(duì)于采用終端短路同軸腔，1,羽，則有:旦.1 1(1)丄一11L1J風(fēng)脅丟(2)o gofhInco式中AL=t瓦為加樣腔電感和空腔電感之差，AR = R足，為加樣腔電 阻和空腔電阻之差。鍪圖2測(cè)量不確定度來(lái)源3測(cè)試系統(tǒng)不確定度分析3.1測(cè)試不確定度的數(shù)學(xué)模型材料復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實(shí)部/ ?和虛部/。，它們的評(píng)定模型可用下式表示用其中z為被測(cè)樣品參數(shù)的讀出值；Y為被測(cè)樣品參數(shù)的測(cè)量結(jié)果。3.2測(cè)量不確定度來(lái)源分析圖2為測(cè)量不確定度的可能來(lái)源。當(dāng)測(cè)試一給定樣品，非抽樣樣品，樣品選擇 及采樣所引起的不確定度可忽略；測(cè)試全過(guò)程為同一人員操作，并按同一操作過(guò)程 完成，可消

10、除由人員帶來(lái)的不確定度；測(cè)試室溫、濕度對(duì)材料測(cè)量結(jié)果影響較小， 可忽略不計(jì)。因此根據(jù)評(píng)定模型及圖3,復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的不確定度由兩部分(分量) 組成：(1) 測(cè)量重復(fù)性所引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度姒s；(2) 阻抗分析儀測(cè)試精度導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uE(x)。3.3測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評(píng)定3.3. 1由測(cè)量重復(fù)性所引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類(lèi)評(píng)定)對(duì)鐵氧體磁芯樣品的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率進(jìn)行10次獨(dú)立測(cè)量，用貝塞爾公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn) 不確定度:廳Un(x)= VK , 一 x-)2/(n 一1)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：UA,reI(X)=UA(z)/i(3)測(cè)量結(jié)果如表1所示。3.3.2阻抗分析儀的測(cè)試精度所引起的標(biāo)準(zhǔn)不

11、確定度甜B(yǎng)0)4 2 9 4 A阻抗分析儀說(shuō)明書(shū)表明，廠 1MHz時(shí)，阻抗分析儀的測(cè)試精度 為【5】：JMagnMaterDevicesVo140No4表1/ ?測(cè)量結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量表2/J ”測(cè)量結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量表3不同頻率下的樣品參數(shù)不確定度計(jì)算結(jié)果/7的相對(duì)精度彳(/ ?:4+若腳” +囂胴】損耗角正切/ ?/ ?勺相對(duì)精度A(/0/d7):0.0 0 2 笆 + 竺 + 0.0 0 4 廠生 + 幽(5)/IFfa ”,/al10 0其中，.廠為測(cè)試頻率(GHz);F = hlnc/b(mm),h、b、C 分別為待測(cè)樣品的高度、內(nèi)徑和外徑；/a?和/。分別為復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實(shí)部

12、和虛部的測(cè)量值：t/E,ml(/?為/ ?勺2類(lèi)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。儀器測(cè)試精度所引起的不確定度按E類(lèi)方法磁性材料及器件2 0 0 9年8月評(píng)定，認(rèn)為服從均勻分布，置信因子為 它，自由度V2(x)為花則/ ?,/，u ?勺2類(lèi)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為%ocs =警,爭(zhēng)警/ ?勺相對(duì)不確定度可以通過(guò)計(jì)算得到：UB，ml(/1 =3.3.3合成不確定度uc(x)相對(duì)合成不確定度為甜。州(z)=獗2再X而+2(7)(8)4 53.4確定擴(kuò)展不確定度定度卻呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。在沒(méi)有特殊要求的情況下，按國(guó)際慣例，取擴(kuò)展因子 k = 2，則相對(duì)擴(kuò)展不確定度。_95為砜.9 5 = kuol(工)(9)從表1的測(cè)試

13、數(shù)據(jù)，可得到計(jì)算結(jié)果如表3所示。4結(jié)語(yǔ)本文介紹了阻抗分析儀測(cè)量磁芯復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的工作原理和理論模型，并對(duì)不同 頻率下測(cè)得的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率進(jìn)行了不確定度分析。分析結(jié)果表明在6-6 0MHZ頻 率范圍內(nèi)，復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率實(shí)部W ?和虛部/。的擴(kuò)展不確定度為5 6%左右。通過(guò) 比較發(fā)現(xiàn)隨著頻率的增高，/7的不確定度增大，而/。的不確參考文獻(xiàn)：【1】周世昌.磁性測(cè)量【M】.北京：電子工業(yè)出版社，1 9 9 4.【2】 SJ 2 0 9 6 6 ? 2 0 0 6，軟磁鐵氧體材料測(cè)量方法【S】.【3】倪育才.實(shí)用測(cè)量小確定度評(píng)定M】.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2 0 0 8.4】劉智敏.不確定度原理M】.北京：中國(guó)計(jì)量

14、出版社,1 9 9 3.5AgilentTechnologiesAgilent16454AMagneticMaterialTestFixtureOperationandServiceManu al瞄,Japan,2 0 0 1.作者簡(jiǎn)介：吳瓊fl 9 8J），女，碩士，安徽桐城人，助理研究員，主要從事磁性材料檢測(cè)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)研究.妊矚娃鴨蠕嗨？人娃娃娃研人m啦性墻艟聵惦性啵嗨啵啵啦鐮啦啦研舳啵嗨鑷”m ?胡鴨啵？蝴昭鑷詔蟾嗨輻啦蟾啵椎”舳嗨蟾蟾？人鉑，礁？蝴蟾椎？娜慨啵增舳？皤人 拋鐮鐮啦魄鐮鐮啵鑷惱輔.圖5Li0425+0.5rTiyZno.15MndFe2.43口1.5y04鐵氧體骯及R的比

15、較有關(guān)。所有這些因素作用的結(jié)果，都有可能帶來(lái)氣孔致寬刪；貢獻(xiàn)的增加，共同掩蓋了T14+取代引起的崩變化圖4中兩種Zn含量的樣品的自旋波線寬A風(fēng)很接近，都隨T14+含量的增加而逐漸減小，其原因還有待進(jìn)一步查明。從圖5可知，隨著T1含量的增加Zn含量x = 0.2的LiTiZn鐵氧體 的剩磁比R呈線性下降，而x=O.15的材料的剩磁比在T1含量x = 00.25區(qū)間變化不大，而后才趨于減小。這是因?yàn)?，磁晶各向異性的減弱不利于 剩磁比的提高，非磁性Zn2+、T14+離子的取代量較大時(shí)都會(huì)帶來(lái)R的下 降Zn2十含量多的鐵氧體的蜀隨T14+離子取代所引起的改變可能會(huì)比Zn 2+含量少的更明顯，因而剩磁比

16、R有顯著下降。圖中矯頑力皿的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，zn含量.棚.2的樣品的皿比X-0.15的材料的要低一些，同樣也是這個(gè)道理。矯頑力對(duì)顯微結(jié)構(gòu)因素也十分敏感，Zn含量x = 0.2的樣品的較低風(fēng)還跟隨Zn含量增加氣孔率減小有一定的關(guān)系。剩磁比尺也與氣孔率等顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)，但礎(chǔ).25后R隨著T1含量的減小，可能主要來(lái)自大量T14+的取代所導(dǎo)致的各向異性顯著減弱。4結(jié)論用SOl.Gel法制備的低溫?zé)Y(jié)L1T1Zn鐵氧體的特性隨Zn2+、 T14+取代的變化與普通陶瓷工藝制備的L1T1Zn鐵氧體的變化規(guī)律,5卅相似：(1)聰隨T14+離子的增加而減小，隨Zn2+的增加而增加;(2)居里溫度隨Ti4+、Zn2+

17、離子的增加而下降：(3)AH隨Zn 2+離子的增加而減小，隨Ti針的變化不大；A鞏隨T14+的增加而下降，隨 zn2+的變化不大；(4)Zn2+取代量越大皿越小，T14+取代引起的R和腹的變化不很明 顯。參考文獻(xiàn)：117.Processforfabr1cat1ngam1crowa vepowerdev1cesP,U.S.Patent5772802.【212YueZX,ZhouJ,LongtuL1LT,eta1 .叨.J MagnMagnMater,2000,208:55 60.3 1韓志全，廖楊，馮濤.【A1 .第十二屆全國(guó)磁學(xué)和磁性材料會(huì)議論文集【C1.武夷山，2005:274.【414韓志

18、全，廖楊，馮濤.陰.磁性材料及器件，2007,38 (3):16.51BabaPD,eta1.【j1.IEEETransMagn,1 9 7 2,MAG8(3):9 0 7.6】6何瑞云，侯居正.993:55.60.A】.第七屆全國(guó)微波磁學(xué)會(huì)議論文集c.廈門(mén)，17】鄧紹清，何瑞云，喻順江.離子代換對(duì)Li鐵氧體旋矩 特性的影響【R】，綿陽(yáng)：西南應(yīng)用磁學(xué)研究所，1 9 8 4.JMagnMaterDevicesVol40No4應(yīng)用阻抗分析儀測(cè)量磁芯復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的不確定度分析作者：吳瓊，王寶燕，胡秀坤，肖小飛，WU Qiong，WANG Bao-yan，HU Xiu-kun ， XIAO Xiao-f

19、ei作者單位：中國(guó)計(jì)量學(xué)院，國(guó)家磁性材料及其制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（浙江,浙江 杭州,310018刊名：磁性材料及器件英文干刊名：JOURNAL OF MAGNETIC MATERIALS AND DEVICES 年，卷(期:2009, 40(4被引用次數(shù)：參考文獻(xiàn)（5條1. 周世昌磁性測(cè)量19942. SJ 20966-2006軟磁鐵氧體材料測(cè)量方法3倪育才 實(shí)用測(cè)量不確定度評(píng)定20084.劉智敏不確定度原理19935. Agile nt Techno logies Agile nt 16454A Mag netic Material Test Fixture Operation and Se

20、rvice Man ual2001相似文獻(xiàn)（3條1.期刊論文 謝天.白建民.馬斌.魏福林.楊正.王安.胡建民.Xie Tian. BaiJia nming. Ma Bi ng. Wei Fuli n. Ya ng Zhe ng . Wang An. Hu Jia nmin 罐形磁芯法測(cè)量軟 磁薄膜復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的研究-蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2000,36（3介紹了罐形磁芯法測(cè)量軟磁薄膜材料磁導(dǎo)率的磁路結(jié)構(gòu)原理；根據(jù)磁路磁通分布，給出了計(jì)算的等效磁路；推導(dǎo)了復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的計(jì)算表達(dá)式；利用罐形磁芯法在阻抗 分析儀上測(cè)量了幾種軟磁薄膜樣品的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率，并與沖擊法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了比較， 獲得了較為一致的結(jié)

21、果.2.期刊論文 劉海順.都有為.張麗萍.張吉雄.殷春浩.繆協(xié)興.LIU Hai-shun. DU You-wei. ZHANG Li-ping. ZHANG Ji-xiong . YIN Chun-hao. MIAO Xie-xing 不同退 火條件對(duì)Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3-xAlx磁導(dǎo)率的影響-功能材料2008,39（5用Al部分替代Nb制備了 Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3-xAlx非晶條帶,通過(guò)4種不同 的退火方式得到其納米晶樣品，采用阻抗分析儀測(cè)量各樣品的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率，并分析了 退火方式對(duì)初始磁導(dǎo)率的影響.研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)退火后，樣品（除x=3.0的磁導(dǎo)率有明顯

22、改 善,明顯高于經(jīng)同樣退火處理的Fin emet配方的樣品；對(duì)于不同退火方式，性能最好的 樣品Al含量不盡相同；對(duì)于不同Al含量的樣品，有各自不同的最佳退火方式；對(duì)于 x=3.0、完全不含Nb的樣品，經(jīng)隨爐升溫或降溫退火后，仍然有較高的磁導(dǎo)率.研究結(jié) 果表明，在Fin emet配方中，用適量Al替代Nb,經(jīng)適當(dāng)退火后，樣品的磁導(dǎo)率得到明顯 改善,從而提供了一條研制低成本高磁導(dǎo)率納米晶合金的可能的途徑.3. 學(xué)位論文 王偉摻Co Sen dust合金的微結(jié)構(gòu)和磁性能研究 2007Sen dust合金由于具有良好的軟磁性能以及低廉的價(jià)格，工業(yè)上廣泛用作磁頭和 磁芯材料的制造，但是也存在工作溫度低、

23、高頻性能不佳等缺點(diǎn).本文在調(diào)整合金配 方的基礎(chǔ)上，采用熔體快淬技術(shù)并改變球磨工藝和熱處理溫度，獲得了具有高工作溫 度和優(yōu)良高頻性能的納米晶摻Co-Se ndust合金.使用快淬法制得了 (Fev,l-xCov,xv,85Siv,9.6Alv,5.4(wt % (x=0,0.05,0.10,0.15,0.20合金快淬帶，經(jīng)高能球磨獲得扁平化程度良好的微粉 球磨粉 在氮?dú)獗Ｗo(hù)下退火處理獲得了最佳的軟磁性能.運(yùn)用SEM、XRD、VSM和MTG等方法系統(tǒng)研究了經(jīng)不同工藝處理的樣品的微觀結(jié)構(gòu)、軟磁性能和居里溫度.采用復(fù)合粘結(jié)技術(shù)制備了摻Co-Sendust合金/樹(shù)脂環(huán)狀材料運(yùn)用阻抗分析儀系統(tǒng)測(cè)試了不 同粉末樣品制備的環(huán)狀樣品的高頻性能.XRD結(jié)果表明,快淬帶呈兩相結(jié)構(gòu)：在無(wú)序aFe相的基礎(chǔ)上有部分DO相析 出,Co添加會(huì)促使無(wú)序相從a-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)閍Fe(Co.球磨有利于晶粒的細(xì)化，同時(shí)也引 起了合金內(nèi)部DO相向無(wú)序相轉(zhuǎn)變球磨20 h后,DO相衍射峰完全消失.使用 SEM觀察了合金材料的表明形貌，確定具有最佳扁平度的球磨時(shí)間為 70 h;熱處理促 使球磨粉內(nèi)部無(wú)序a相向有序DO相轉(zhuǎn)變，隨著熱處理溫度的升高,材料DO 相衍射峰越來(lái)越明顯，長(zhǎng)程有序度越來(lái)越高.球磨是合