中频强磁场空间点测量装置的优化设计

摘要

随着科技与经济的快速发展，中频强磁场在生物医学、安全检测、医疗器械和科学实验等领域的应用越来越广泛，人们也越来越重视对这种磁场检测与定量分析，但中频强磁场的空间点测量技术还很不完善，国内外还没有这方面成熟的仪器产品。空间点测量、测量精度、动态检测与显示和抗干扰等是其中待解决的关键问题。本课题来源于国家自然科学基金项目中的中频强磁场空间点测量装置的研发，针对其中测量仪和传感器存在的一些关键问题进一步开展研究，主要包括磁场传感器和测量仪的误差分析、优化设计和实验测试。
　　中频强磁场传感器的优化设计，首先是对已有磁场传感器的误差分析，深入研究热膨胀效应、线圈绕线倾角、外界磁场干扰和探测线圈在中频强磁场中的特性等多种因素对磁场传感器的测量精度的影响，同时设计制作出不同线径不同匝数和同线圈几何尺寸参数的多层线圈传感器多个。采用同线径不同层、同线圈几何参数的实验对比方法对感应线圈传感器进行分析和测试，得到如下结论:(1)偶数、多层线圈传感器测量误差较小、抗干扰能力强;(2)线圈线径越小的多层磁场传感器具有更好测量精度和一致性;(3)对于不同线径和层数的传感器，只需保持L/D几何参数一致，磁场传感器在同一点磁场参数的测量值基本一致，即测量值只与该点磁场参数有关，与传感器的参数无关。最后，结合空间点测量要求和实验测试结果设计新感应线圈传感器并进行测试，结果表明该磁场传感器具有较高的线性度、较好的测量精度和一致性。
　　设计以微控制器S3C2440A为核心的Linux操作系统的的中频强磁场测量仪，采用Qt编写磁场信号采集界面，实现LCD液晶屏动态显示磁场变化。首先对已有的磁场测量仪的进行误差分析，详细分析磁场信号峰值和频率检测电路对测量精度的影响，对调理后信号直接ADC采样进行优化，采用过采样技术和滤波均值技术提高信号采集的分辨率和信噪比，实现磁场参数的实时检测和动态显示。对优化的测量仪进行测试，结果表明测量仪具有较好的测量精度。
　　因此，优化后的中频强磁场空间点测量装置具有很好的测量精度、实时性和一致性，同时实现中频强磁场信号的实时采集和动态显示。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景与意义

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 本文主要研究的内容

第二章 中频强磁场的测量基础

2．1 中频强磁场的特性

2．1．1 交变磁场对导电或磁性材料的影响

2．1．2 中频强磁场的近场测量特点

2．2 肿瘤感应热疗仪的磁场特性

2．2．1 肿瘤感应热疗仪的结构与磁场分布

2．2．2 磁场检测的干扰源

2．3 误差分析理论与提高测量精度的方法

2．3．1 误差分析理论与数据处理方法

2．3．2 ADC过采样与求均值技术

第三章 磁场传感器的误差分析及优化

3．1 传感器实现的性能与存在问题

3．2 传感器设计要求

3．2．1 传感器的尺寸要求

3．2．2 感应线圈的灵敏度

3．2．3 线圈常数的确定

3．2．4 肿瘤感应热疗机的磁场检测原理

3．3 传感器的误差分析

3．3．1 热膨胀效应引起的误差分析

3．3．2 线圈绕线倾角引起的误差分析

3．3．3 传感器绕线柱位置引起的误差分析

3．3．4 其他因素引起的测量误差

3．3．5 磁场传感器对中频强磁场发生源的影响

3．3．6 阻抗对测量装置的影响

3．3．7 误差分析小结

3．4 多层线圈传感器的测试与分析

3．4．1 不同线径多层线圈传感器的测试

3．4．2 同外径的多层线圈传感器的测试

3．4．3 测试结果分析与结论

3．5 传感器的优化设计

第四章 磁场测量仪的误差分析与优化

4．1 磁场测量仪的性能分析

4．1．1 原磁场测量仪的整体设计

4．1．2 磁场测量仪存在的不足

4．2 磁场测量仪的误差分析

4．2．1 磁场信号峰值检测电路的误差分析

4．2．2 磁场频率检测电路的误差分析

4．3 磁场测量仪的优化设计

4．3．1 磁场信号直接ADC采样

4．3．2 信号调理电路优化

4．4 信号ADC采集模块的设计

4．4．1 信号ADC采集模块的硬件设计

4．4．2 信号ADC采集模块的软件设计

第五章 优化后测试与结果分析

5．1 磁场传感器的测试结果与分析

5．1．1 线性度测试

5．1．2 测量精度测试

5．1．3 一致性测试

5．2 磁场测量仪的测试结果与分析

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文及其他科研成果

声明

致谢