一种基于谐振的磁场发生装置及其设计方法

摘要

本发明公开了一种基于谐振的磁场发生装置及其设计方法，相比于常见的磁场发生装置，其主要创新在于大幅提高了电到磁的转换效率，实现了低噪声、低谐波磁场的产生。在确定磁场发生线圈和检流电阻规格后，计算它们在工作频率f下的串联阻抗Z

说明书

技术领域

本发明属于磁场发生技术领域，更具体地，涉及一种基于谐振的磁场 发生装置，更具体地说，涉及一种基于谐振原理的高效的磁场发生装置， 用来产生高信噪比单频磁场。

背景技术

磁现象是最早被人类认知的物理现象之一，中国古代四大发明之一的 指南针就是利用磁针在地磁场中受磁场力作用，从而加以辨别方向。在近 代，一系列的革命性发现使得人们认识到电与磁之间密切的联系，并利用 已掌握的规律实现了电与磁之间的相互转换。

磁场在生产和科学实验中的应用越来越广泛，例如，磁性材料的磁学 特性测量中，就需要产生一定大小的磁场作为材料的磁化场。特别是需要 精确测量这些磁性材料的物理特性时，磁化场应当具有稳定、低噪、无谐 波的特点。

目前常用的交流磁场产生装置性能主要取决于装置内部的功率放大器 性能。当实验对磁化场有越高要求，功率放大器的性能要求越苛刻，有时 甚至苛刻到现有技术难以实现。为了降低装置性能对功率放大器的依赖性， 有必要设计一种新型的磁场发生装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于谐振的 磁场发生装置以其设计方法。其目的在于大幅提高电到磁的转换效率，由 此解决低噪声、低谐波磁场的产生问题。

按照本发明的一个方面，提供了一种基于谐振的磁场发生装置，所述 装置包括工控机、数据采集卡、功率放大器、滤波器，以及磁场发生线圈 和检流电阻，其中：

所述工控机与数据采集卡之间双向通信，工控机通过数据采集卡输出 激励波形数据，同时数据采集卡也向工控机反馈磁场发生线圈电流信息；

数据采集卡的输出端口连接至功率放大器，激励波形通过功率放大之 后先后作用在滤波器、磁场发生线圈、检流电阻上；

数据采集卡通过采集检流电阻电压获取磁场发生线圈电流信息。

进一步地，所述滤波器包括电阻R₁，串联电容C₁，串联电阻L₁相互串 联,并联电容C₂，并联电感L₂相互并联，其中：

电阻R₁，串联电容C₁与串联电阻L₁相互串联；

并联电容C₂与并联电感L₂相互并联；

串联的电阻R₁，串联电容C₁与串联电阻L₁，再与并联的并联电容C₂与并 联电感L₂串联。

按照本发明的另一方面，还提供了一种上述基于谐振的磁场发生装置 的设计方法，包括如下步骤：

(1)计算磁场发生磁场发生线圈和检流电阻在工作频率f下的串联阻 抗Z_L，其中Z_L＝p+qj，记Z₂为并联电感L₂与并联电容C₂在工作频率f下 的并联阻抗，表示为Z₂＝aj；

(2)绘制函数曲线，找到曲线最大值对应的坐标 [a_opt,I_max]；

(3)将滤波器低截止频率f₂和参数a_opt带入方程组$\left(\begin{array}{c}{f}_2=\frac{1}{\sqrt{\frac{1}{f^2}-\frac{2\pi L_2}{a_{\mathrm{opt}}f}}}\\ f_2=\frac{1}{2\pi \sqrt{L_2{C}_2}}\end{array}\right),$ 求解并联电感L₂、并联电容C₂；

(4)将滤波器高截止频率f₁和参数y_opt带入方程组$\left(\begin{array}{c}{f}_1=\sqrt{f^2-\frac{y_{\mathrm{opt}}f}{2\pi L_1}}\\ f_1=\frac{1}{2\pi \sqrt{L_1{C}_1}}\end{array}\right),$求解串联电感L₁、串联电容C₁，其中y_opt为y的最佳取值，y为Z₁的虚部， y_opt＝-1×imag(Z₂||Z₃)，Z₁为电阻R₁，串联电容C₁，串联电阻L₁的串联阻 抗；

(5)仿真在不同电阻R₁取值情况下，滤波器的幅频特性，选择合适的 R₁以满足通带纹波的要求。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有 以下有益效果：

(1)磁场发生装置基于谐振原理设计，原本需由功率放大器提供的无 功功率转而由滤波器中的无源元件自行提供，产生相同的磁场下，功率放 大器的视在功率大幅降低，从而大幅提高了电到磁的转换效率；

(2)磁场发生装置中的滤波器本身具有滤波功能，因此产生的磁场具 有低谐波失真，低噪声的特点；

(3)通过实时检测磁场发生线圈电流，实现电流的闭环控制可使元件 老化、温度变化对磁场的影响大幅降低，提高了磁场的稳定性。

附图说明

图1为一种常用磁场发生装置结构示意图；

图2为本发明的磁场发生装置结构示意图；

图3为本发明磁场发生装置的电路示意图；

图4为对图3所示的电路示意图的简化；

图5为本发明磁场发生装置设计方法的流程图；

图6为谐振电流比随参数a变化的函数曲线；

图7为本发明实施例中已完成设计装置的电路示意图；

图8为本发明实施例中使用常见的磁场发生装置功率放大器的输出曲 线；

图9为本发明实施例中使用本发明的设计方法功率放大器的输出曲线；

图10为本发明实施例中磁场大小随时间变化的曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

如图1所示，为一种常用的磁场发生装置的结构示意图。通过给磁场 发生线圈通交变电流是产生交变磁场的最常用方法，在图1中工控机控制 数据采集卡输出激励波形输出，经过功率放大器后直接作用在磁场发生线 圈上用以产生交变磁场。

如图2所示，为本发明的磁场发生装置结构示意图，所述磁场发生装 置包括工控机、数据采集卡、功率放大器、滤波器、磁场发生线圈和检流 电阻。工控机与数据采集卡之间双向通信，工控机通过数据采集卡输出激 励波形数据，同时数据采集卡也向工控机反馈磁场发生线圈电流信息。数 据采集卡的输出端口连接至功率放大器，激励波形通过功率放大之后先后 作用在滤波器、磁场发生线圈、检流电阻上。数据采集卡通过采集检流电 阻电压获取磁场发生线圈电流信息,工控机通过磁场发生线圈电流设定值 与反馈值的误差对磁场发生线圈电流进行比例积分控制，使得磁场发生线 圈电流稳定。

如图3所示，所述磁场发生装置的电路示意图包括AC电源、滤波器(虚 线框所示)以及负载阻抗Z_L。AC电源表示功率放大器，虚线框表示滤波器 的结构，负载阻抗Z_L表示发生线圈和检流电阻在工作频率下f下的串联阻 抗。滤波器的结构与二阶带通滤波相类似，电阻R₁、串联电容C₁、串联电 阻L₁相互串联,并联电容C₂、并联电感L₂相互并联。

如图4所示，为对图3所示电路示意图的简化。其中Z₁表示图3中R₁、 C₁、L₁的串联阻抗，Z₂表示图3中C₂、L₂的并联阻抗，Z_L表示发生磁场发生 线圈和检流电阻在工作频率下f的串联阻抗。I₁表示流经Z₁支路电流，I₂表 示流经Z₂支路电流，I_L表示负载支路电流。

在图4所示的磁场发生装置简化图中，负载电流I_L与功放输出电流I₁之比的模值即电流比记为I_ratio满足式(1)：

$I_{\mathrm{ratio}}=\left|\frac{I_L}{I_1}\right|=\left|\frac{Z_2}{Z_L+Z_2}\right|---\left(1\right)$

易知这一比值仅与Z₂，Z_L有关，从电路原理的角度理解，此时Z₂与Z_L构成并联谐振，电流谐振的特点是电路处于谐振时，谐振支路上的电流大 于输入电流，本发明正是基于这一点，使磁场发生线圈和检流电阻与滤波 器中的并联电感和电容发生谐振，以使得磁场发生线圈和检流电阻上的电 流小于功率放大器输出电流，从而提升效率。其中，Z_L是磁场发生线圈与检 流电阻在工作频率f下的串联阻抗，当磁场发生线圈与检流电阻确定后，Z_L值为常量，可表示Z_L＝p+qj；Z₂是并联电感L₂与并联电容C₂在工作频率f 下的并联阻抗，可表示为Z₂＝aj，将Z_L、Z₂带入式(1)中得到式(2)：

$I_{\mathrm{ratio}}=\left|\frac{\mathrm{aj}}{p+(q+a)j}\right|---\left(2\right)$

电流比是I_ratio参数a的函数，通过绘制式(2)所示函数的曲线，找到 曲线最大值对应的坐标[a_opt,I_max]。

滤波器低截止频率f₂与Z₂关系可由方程组(3)表示：

$\left(\begin{array}{c}{Z}_2=\frac{1}{\frac{1}{2\mathrm{\pi f}{L}_2}-2\mathrm{\pi f}{C}_2}j\\ f_2=\frac{1}{2\pi \sqrt{L_2{C}_2}}\end{array}\right)---\left(3\right)$

方程组(3)带入Z₂＝a_optj，并对其同解变形可得到方程组(4)：

$\left(\begin{array}{c}{f}_2=\frac{1}{\sqrt{\frac{1}{f^2}-\frac{2\pi L_2}{a_{\mathrm{opt}}f}}}\\ f_2=\frac{1}{2\pi \sqrt{L_2{C}_2}}\end{array}\right)---\left(4\right)$

方程组(4)更加直接的反应了滤波器低截止频率f₂与并联电感L₂、并 联电容C₂的关系。

C₂,L₂的选择原则是使功率放大器的负载阻抗(即Z₁+Z₂||Z₃)最小。 Z₂，Z₃并联值Z₂||Z₃可表示为式(5)：

$Z_2\left|\right|Z_3=\frac{1}{\frac{1}{a_{\mathrm{opt}}}j+\frac{1}{p+\mathrm{qj}}}---\left(5\right)$

Z₁的虚部与Z_L||Z₃的虚部和值为零是Z₁+Z₂||Z_L取最小值的必要条件。 从电路原理的角度来看，此时电路发生串联谐振，其特点是电路回路呈电 阻性，整个回路阻抗最小，电流I₁达到最大。设Z₁虚部为y，当y与Z₂||Z₃虚部值和值为零时电路发生串联谐振，y的最佳取值y_opt可用式(6)表示：

y_opt＝-1×imag(Z₂||Z_L)   (6)

其中imag表示取虚部函数，y_opt表示Z₁虚部为y的最佳取值。

滤波器高截止频率f₁与Z₁虚部y的关系可由方程组(7)表示：

$\left(\begin{array}{c}y=2\mathrm{\pi f}{L}_1-\frac{1}{2\mathrm{\pi f}{C}_1}\\ f_1=\frac{1}{2\pi \sqrt{L_1{C}_1}}\end{array}\right)---\left(7\right)$

方程组(5)带入y＝y_opt，并对其同解变形可得到方程组(8)：

$\left(\begin{array}{c}{f}_1=\sqrt{f^2-\frac{y_{\mathrm{opt}}f}{2\pi L_1}}\\ f_1=\frac{1}{2\pi \sqrt{L_1{C}_1}}\end{array}\right)---\left(8\right)$

方程组(8)更加直接的反应了滤波器高截止频率f₁与串联电感L₁、串 联电容C₁的关系。

电阻R₁主要影响滤波器在通带内的纹波，当选取值过小，通带内纹波 起伏大，当选取值过大，将会消耗大量能量，降低工作效率。适合的R₁取 值使得通带纹波小并且能量消耗少。

如图5所示，本发明提供了一种基于谐振的磁场发生装置的设计方法， 包括如下步骤：

(1)计算磁场发生磁场发生线圈和检流电阻在工作频率f下的串联阻 抗Z_L。

在一个实际例子中，工作频率f＝1kHz，磁场发生线圈直流阻抗为0.18 Ω,电感量0.35mH，检流电阻大小为0.125Ω，可计算出Z_L＝0.305+2.199j。

(2)绘制函数曲线，找到曲线最大值对应的 坐标[a_opt,I_max]。

其中，p＝0.305，q＝2.199，绘制的函数曲线如图6所示，曲线最大值 对应的坐标为[-2.243,7.26]。因此，a_opt＝-2.24,I_max＝7.28。

(3)将滤波器特征低截止频率f₂和参数a_opt带入方程组 $\left(\begin{array}{c}{f}_2=\frac{1}{\sqrt{\frac{1}{f^2}-\frac{2\pi L_2}{a_{\mathrm{opt}}f}}}\\ f_2=\frac{1}{2\pi \sqrt{L_2{C}_2}}\end{array}\right),$求解并联电感L₂、并联电容C₂。

取f₂＝650Hz，a_opt＝-2.243带入方程组，解得L₂＝485uH，C₂＝124uF。

(4)滤波器高截止频率f₁和参数y_opt带入方程组$\left(\begin{array}{c}{f}_1=\sqrt{f^2-\frac{y_{\mathrm{opt}}f}{2\pi L_1}}\\ f_1=\frac{1}{2\pi \sqrt{L_1{C}_1}}\end{array}\right),$求 解串联电感L₁、串联电容C₁。

$Z_2\left|\right|Z_L=\frac{1}{\frac{1}{-2.24j}+\frac{1}{0.305+2.199j}}=16.16+0.09j---\left(9\right)$

Z₂||Z_L的虚部为0.09，因此取y_opt＝-0.09，f₁＝1350Hz带入方程组，解 得L₁＝17.3uH，C₁＝803uF。

(5)在以上(1)～(4)步给出的滤波器参数下，仿真在不同R₁取值 情况下，滤波器的幅频特性。仿真结果表明，当R₁＝0.6Ω时，滤波器通带 纹波小于0.3dB，滤波器有较好的通带平坦度。

(6)磁场发生装置的组装与调试：以上(1)～(5)步给出的是滤波器 设计的理论参数，实际中元件的参数有一定的规格限制，例如串联电感C₁值为803uF，在实际中这种大容值的电容难以购买，因此需要对元件参数进 行优化。元件参数优化后的装置电路示意图如图7所示。最后对装置组装 调试。

实际测试数据分析：

1.在实际例子中，磁场发生线圈参数为10Gs/A即磁场发生线圈每通过 1A电流会产生10Gs磁场。分别使用图1、图2所示两种装置产生30Gs磁 场，记录功率放大器的输出参数以及磁场大小，如图8、9、10所示。

图8是使用图1所示装置产生30Gs磁场时，功率放大器在一个周期内 的输出曲线。功率放大器输出电流幅值3A，电压幅值6.1V，可计算出视在 功率12.9W。

图9是使用图2所示装置产生30Gs磁场时，功率放大器在一个周期内 的输出曲线。功率放大器输出电流幅值0.46A，电压幅值7.2V，可计算出 视在功率2.34W。

图10是图1、图2所示两种装置所产生磁场在500s内的变化情况，显 然本发明所设计装置产生的磁场更加稳定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。