CN104393785B - 高场不对称电压发生器 - Google Patents

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本发明提供一种高场不对称电压发生器，包括：不对称电压调制电路，用于将输入电压VC与采集自升压输出电路的反馈信号VF进行比较输出不对称尖峰波形后进行整形滤波，获得不对称原始调制波形VS；升压输出电路，用于将VS进行升压放大，并将放大后得到的高场不对称电压信号V0输出至高场非对称波形离子迁移谱技术FAIMS装置；波形锁相反馈电路，用于将波形因温度而造成的变压抖动调节回标准工作状态；工作状态指示电路，用于指示当前波形质量，当波形不对称度下降到一定程度时通知控制系统；升压输出电路与不对称电压调制电路、波形锁相反馈电路、工作状态指示电路分别连接。上述电压发生器能够减小体积，降低功耗和成本，且能够提高稳定性。

Description

高场不对称电压发生器
技术领域
本发明涉及安全检测技术领域，尤其涉及一种高场不对称电压发生器。
背景技术
随着社会的进步和科学技术的发展，民用生化技术的发展带来的潜在危险与国际生化恐怖威胁凸现。爆炸物的威胁不容忽视，每年有数以千计的平民受到恐怖分子的爆炸物伤害。对爆炸物、化学武器和各种危险品的检测技术也不断改进。这些仪器多为进口，并且操作复杂、体积庞大、体积庞大、价格昂贵、便携性差。
高场非对称波形离子迁移谱技术(High-filed Asymmetric Waveform IonMobility Apectrometry，简称FAIMS)这是一种区别于传统离子迁移谱技术(Ion MobilityApectrometry，简称IMS)的新型区分检测方法，爆炸物质探测器。它具有灵敏度高、检测时间短、便携和功耗低的特点，在安防领域有重要的意义。
高场非对称电压是形成FAIMS的主要原因。离子的迁移率系数K受所施加的电场强度影响，在低电场条件下，离子的迁移率系数与电场强度无关；当电场强度高到一定值(约11000V/cm)以后，离子的迁移率系数K就会以一种非线性的方式随电场强度而变化。高场不对称离子迁移谱技术利用离子在高电场中的离子迁移率系数的非线性变化实现离子的纵向分离，从而实现对物质的鉴别。这种变化对于每一离子种类是特定的。
高场不对称波形离子迁移管是FAIMS的核心部件，该迁移管的效果直接影响离子迁移谱仪的性能，为了能够保证高场不对称波形离子迁移管的效果稳定，高场非对称波形电源是非常重要的，是保证离子在迁移区内按要求运动的必要条件。
传统方法是先产生直流高压，而后通过脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)产生不对称波形，但是此种方法需要更大的功耗维持高压，需要高压大功率的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)来产生PWM波。
鉴于此，如何提供一种体积小，功耗低、成本低且稳定性高的高场不对称电压发生器成为当前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种高场不对称电压发生器，其具备反馈调节功能，能够减小体积，降低功耗和成本，且能够提高稳定性。
第一方面，本发明提供一种高场不对称电压发生器，包括：
不对称电压调制电路，用于将输入电压VC与采集自升压输出电路的反馈信号VF进行比较，输出不对称尖峰波形，将所述不对称尖峰波形进行整形滤波，获得不对称原始调制波形VS；
升压输出电路，用于将所述原始波形VS进行升压放大，并将放大后得到的高场不对称电压信号V0输出至高场非对称波形离子迁移谱技术FAIMS装置；
波形锁相反馈电路，用于将波形因温度而造成的变压抖动调节回标准工作状态；
工作状态指示电路，用于指示当前波形质量，当波形不对称度下降到一定程度时通知控制系统；
所述升压输出电路与所述不对称电压调制电路、所述波形锁相反馈电路、所述工作状态指示电路分别连接。
可选地，所述不对称电压调制电路包括：
误差放大器，用于将输入电压VC与采集自升压输出电路的反馈信号VF进行比较，输出不对称尖峰波形；
LRC滤波整形电路，用于将所述不对称尖峰波形进行整形滤波，获得不对称原始调制波形VS。
可选地，所述升压输出电路包括：多绕组小型变压器和高耐压NPN管；
所述多绕组小型变压器配合所述高耐压NPN管将所述原始波形VS进行升压放大，并将放大后得到的高场不对称电压信号输出至FAIMS装置。
可选地，所述高耐压NPN管的VCBO≥250V，VCEO≥120V。
可选地，所述升压输出电路构成主磁通回路H0，所述波形锁相反馈电路构成反馈磁通回路H1，H0和H1由小型磁芯磁性材料以及多绕组线圈共同组成，影响各线圈绕组电感量的总磁通回路为H0+H1；及
所述多绕组线圈包括4个绕组，分别为初级电感线圈L1，次级电感线圈L2，正反馈震荡信号电感线圈L3，反馈调节电感线圈L4。
可选地，所述多绕组线圈的初次线圈匝数比为2:360，理论放大倍数为180倍。
可选地，所述波形锁相反馈电路的主要调节方式为调节旁路的反馈磁通回路H1，在主磁通回路H0侧边搭接一反馈磁通回路H1，通过减小缠绕在H1上的电感线圈L1的电流强度，间接的调节H1的有效磁导率μi，使H1的数值减小，进而保持总磁通回路为H0+H1的波形不变。
可选地，所述升压输出电路的磁芯具备气隙，磁路没有完全封闭，气隙位置附近搭接反馈磁通回路H1。
可选地，所述小型磁芯磁性材料的材质包括：PC40、或PC35、或2K；及
所述小型磁芯形状包括：P型、或PE型、或E型。
可选地，所述不对称电压调制电路的升压倍数为150倍，输出至FAIMS装置的高场不对称电压信号的峰值为4000V；及
所述V0为所述VS的反向输出，正负峰值比为1:2，占空比为2:1，波形频率为150KHz～200KHz；及
所述VC在调节所述V0峰值时，所述VC的调节范围为3.5V～5.5V，所述VC控制所述V0峰值范围为3000V～4500V。
由上述技术方案可知，本发明的高场不对称电压发生器，包括：不对称电压调制电路，用于将输入电压VC与采集自升压输出电路的反馈信号VF进行比较，输出不对称尖峰波形，将所述不对称尖峰波形进行整形滤波，获得不对称原始调制波形VS；升压输出电路，用于将所述原始波形VS进行升压放大，并将放大后得到的高场不对称电压信号V0输出至高场非对称波形离子迁移谱技术FAIMS装置；波形锁相反馈电路，用于将波形因温度而造成的变压抖动调节回标准工作状态；工作状态指示电路，用于指示当前波形质量，当波形不对称度下降到一定程度时通知控制系统；所述升压输出电路与所述不对称电压调制电路、所述波形锁相反馈电路、所述工作状态指示电路分别连接，由此，具备了反馈调节功能，能够减小体积，降低功耗和成本，且能够提高稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的高场不对称电压发生器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的高场不对称电压发生器中不对称原始调制波形VS的示意图；
图3为本发明实施例提供的多绕组线圈的示意图；
图4为本发明实施例提供的高场不对称电压发生器的不对称电压调制电路的示意图；
图5为本发明实施例提供的高场不对称电压发生器的波形锁相反馈电路的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明一实施例提供的高场不对称电压发生器的结构示意图，如图1所示，本实施例的高场不对称电压发生器，包括：不对称电压调制电路1、升压输出电路2、波形锁相反馈电路3和工作状态指示电路4；
不对称电压调制电路1，用于将输入电压VC与采集自升压输出电路2的反馈信号VF进行比较，输出不对称尖峰波形，将所述不对称尖峰波形进行整形滤波，获得不对称原始调制波形VS；
升压输出电路2，用于将所述原始波形VS进行升压放大，并将放大后得到的高场不对称电压信号V0输出至高场非对称波形离子迁移谱技术FAIMS装置；
波形锁相反馈电路3，用于将波形因温度而造成的变压抖动调节回标准工作状态；
工作状态指示电路4，用于指示当前波形质量，当波形不对称度下降到一定程度时通知控制系统；
所述升压输出电路2与所述不对称电压调制电路1、所述波形锁相反馈电路3、所述工作状态指示电路4分别连接。
在具体应用中，所述不对称电压调制电路1可以包括：
误差放大器，用于将输入电压VC与采集自升压输出电路的反馈信号VF进行比较，输出不对称尖峰波形；
LRC滤波整形电路，用于将所述不对称尖峰波形进行整形滤波，获得不对称原始调制波形VS。
图4示出了本发明实施例提供的高场不对称电压发生器的不对称电压调制电路1的示意图。
图2示出了本发明实施例提供的高场不对称电压发生器中不对称原始调制波形VS的示意图，如图2所示，本发明实施例的不对称原始调制波形VS及输出波形V0的形状均属于正弦波经本发明所述不对称电压调制电路1调制变化后所得到电压波形，不属于方波经PWM调制而成的不对称电压波形。
在具体应用中，所述升压输出电路2可以包括：多绕组小型变压器和高耐压NPN管；
所述多绕组小型变压器配合所述高耐压NPN管将所述原始波形VS进行升压放大，并将放大后得到的高场不对称电压信号输出至FAIMS装置。
在具体应用中，所述高耐压NPN管的VCBO≥250V，VCEO≥120V。
在具体应用中，所述不对称电压调制电路1的升压倍数约为150倍，输出至FAIMS装置的高场不对称电压信号的峰值约为4000V。
在具体应用中，所述V0为所述VS的反向输出，正负峰值比约为1:2，占空比约为2:1，波形频率可控制为150KHz～200KHz。
在具体应用中，所述VC在调节所述V0峰值时，所述VC的调节范围为3.5V～5.5V，所述VC控制所述V0峰值范围为3000V～4500V。
在具体应用中，所述升压输出电路2构成主磁通回路H0，所述波形锁相反馈电路3构成反馈磁通回路H1，H0和H1由小型磁芯磁性材料以及多绕组线圈共同组成，影响各线圈绕组电感量的总磁通回路为H0+H1；及
所述多绕组线圈包括4个绕组，分别为初级电感线圈L1，次级电感线圈L2，正反馈震荡信号电感线圈L3，反馈调节电感线圈L4，如图3所示，图3示出了本发明实施例提供的多绕组线圈的示意图。
在具体应用中，所述多绕组线圈的初次线圈匝数比为2:360，理论放大倍数为180倍。
在具体应用中，所述波形锁相反馈电路3的主要调节方式为调节旁路的反馈磁通回路H1，在主磁通回路H0侧边搭接一反馈磁通回路H1，通过减小缠绕在H1上的电感线圈L1的电流强度，间接的调节H1的有效磁导率μi，使H1的数值减小，进而保持总磁通回路为H0+H1的波形不变。
在具体应用中，所述升压输出电路2的磁芯具备气隙，磁路没有完全封闭，可在气隙位置附近搭接反馈磁通回路H1。
在具体应用中，所述小型磁芯磁性材料的材质可以包括：PC40、或PC35、或2K等。
在具体应用中，所述小型磁芯形状可以包括：P型、或PE型、或E型等。
图5示出了本发明实施例提供的高场不对称电压发生器的波形锁相反馈电路3的示意图，如图5所示，波形锁相反馈电路3的波形不对称度检测电路会从反馈调节线圈L4采集到在升压输出电路2内初次线圈上存在的不对称波形，该波形经由T3放大隔离后，进入有正反二极管组成的波形不对称度检测电路，调节R28的电阻值，可使在正常波形下的电压输出V0为0，一旦波形发生偏转变化导致不对称度降低，V0会增大或者减小，从而是U2A的输出电压负向随之改变，进一步控制三极管Q3的B极，最后使流经CE的电流I0相应的减少或增加。I0流入的是旁路的反馈磁通回路H1的线圈L1中，通过I0的改变，间接的改变H1中磁芯的有效磁导率μi，保持总磁通回路H0+H1的总量不变，进而维持波形V0(VS)的不对称度。
本实施例中，如图4所示，在高场不对称电压发生器上电后，VC作为初次激励信号，VF作为正反馈信号，配合比较电路和NPN管，共同组成正反馈震荡电路，其中VC电压幅值与NPN管C端输出的原始波形VS幅值成正比，以达到控制输出电压峰值的作用，C端输出的原始波形VS经由初级线圈L1进入升压输出电路2的多绕组小型变压器进行升压放大，由次级线圈L2的异名端输出得到波形V0，VF是由正反馈震荡线圈L3产生，维持正反馈使电路持续震荡。由于变压器存在磁损，使得磁芯随着运行会发热，而因发热导致的磁导率变化会影响到磁通回路磁阻H0，进而影响到选频网络中电感的电感量，使得波形发生畸变。通过图5所示的电路，我们可以使的这部分因温度上升而产生的变化被抵消掉，达到锁定波形，保持设备稳定的目的。
而在现有技术的传统方法中，是先产生高压，再PWM调制产生不对称方波有一部分原因是为了避免变压器因温度变化而使初始磁导率μ0变化，从而改变了选频网络中的电感值，导致不对称波形无法维持。
本实施例的高场不对称电压发生器，突破了传统高压不对称波形的产生方法，即先通过输入电压VC与反馈波形VF比较，经整形滤波后得到所需的不对称原始波形VS(如图2所示)，此信号的正负峰值比约为2:1，占空比约为1:2，然后通过升压输出电路将原始波形升压至V0，达到使用要求，并且V0的输出幅值可通过输入电压VC调节，以适应FAMIS设备的不同使用模式。
本发明的高场不对称电压发生器，先调制出不对称波形，而后通过小型变压器将信号升压至所需电压强度，故能减小高压发生装置的体积与成本，其创新的旁路的反馈磁通回路的调节方式，可抵消来自磁芯温漂造成的波形偏差。故与现有技术相比，本发明能够极大程度的减小设备体积，同时还能降低产品成本和功耗，提高稳定性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的权利要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种高场不对称电压发生器，其特征在于，包括：
不对称电压调制电路，用于将输入电压VC与采集自升压输出电路的反馈信号VF进行比较，输出不对称尖峰波形，将所述不对称尖峰波形进行整形滤波，获得不对称原始调制波形VS；
升压输出电路，用于将所述原始波形VS进行升压放大，并将放大后得到的高场不对称电压信号V0输出至高场非对称波形离子迁移谱技术FAIMS装置；
波形锁相反馈电路，用于将波形因温度而造成的变压抖动调节回标准工作状态；
工作状态指示电路，用于指示当前波形质量，当波形不对称度下降到一定程度时通知控制系统；
所述升压输出电路与所述不对称电压调制电路、所述波形锁相反馈电路、所述工作状态指示电路分别连接。
2.根据权利要求1所述的电压发生器，其特征在于，所述不对称电压调制电路包括：
误差放大器，用于将输入电压V C 与采集自升压输出电路的反馈信号VF 进行比较，输出不对称尖峰波形；
LRC滤波整形电路，用于将所述不对称尖峰波形进行整形滤波，获得不对称原始调制波形VS。
3.根据权利要求1所述的电压发生器，其特征在于，所述升压输出电路包括：多绕组小型变压器和高耐压NPN管；
所述多绕组小型变压器配合所述高耐压NPN管将所述原始波形VS进行升压放大，并将放大后得到的高场不对称电压信号输出至FAIMS装置。
4.根据权利要求3所述的电压发生器，其特征在于，所述高耐压NPN管的VCBO≥250V，VCEO≥120V。
5.根据权利要求1所述的电压发生器，其特征在于，所述升压输出电路构成主磁通回路H0，所述波形锁相反馈电路构成反馈磁通回路H1，H0和H1由小型磁芯磁性材料以及多绕组线圈共同组成，影响各线圈绕组电感量的总磁通回路为H0+H1；及
所述多绕组线圈包括4个绕组，分别为初级电感线圈L1，次级电感线圈L2，正反馈震荡信号电感线圈L3，反馈调节电感线圈L4。
6.根据权利要求5所述的电压发生器，其特征在于，所述多绕组线圈的初次线圈匝数比为2:360，理论放大倍数为180倍。
7.根据权利要求5所述的电压发生器，其特征在于，所述波形锁相反馈电路的主要调节方式为调节旁路的反馈磁通回路H1，在主磁通回路H0侧边搭接一反馈磁通回路H1，通过减小缠绕在H1上的电感线圈L1的电流强度，间接的调节H1的有效磁导率μi，使H1的数值减小，进而保持总磁通回路为H0+H1的波形不变。
8.根据权利要求7所述的电压发生器，其特征在于，所述升压输出电路的磁芯具备气隙，磁路没有完全封闭，气隙位置附近搭接反馈磁通回路H1。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的电压发生器，其特征在于，所述小型磁芯磁性材料的材质包括：PC40、或PC35、或2K；及
所述小型磁芯形状包括：P型、或PE型、或E型。
10.根据权利要求1所述的电压发生器，其特征在于，所述不对称电压调制电路的升压倍数为150倍，输出至FAIMS装置的高场不对称电压信号的峰值为4000V；及
所述V0为所述VS的反向输出，正负峰值比为1:2，占空比为2:1，波形频率为150KHz～200KHz；及
所述VC在调节所述V0峰值时，所述VC的调节范围为3.5V～5.5V，所述VC控制所述V0峰值范围为3000V～4500V。
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