CN106970209B - 一种可反转模拟地磁场发生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种可反转模拟地磁场发生装置及方法。包括：MCU主控单元；设置在磁场装置箱体内的磁场线圈，用于产生磁场；接受MCU主控单元的控制电流，并通过功率负载接入磁场线圈，开始产生所需要的地磁场的双极性电流控制模块；检测磁场装置箱体内磁场，并传递至MCU主控单元的磁场检测模块；接受MCU主控单元的指令对磁场装置箱体内的温湿度进行控制的温湿控制模块；接受MCU主控单元的指令根据模拟测试要求分别对气体类型和气体含量进行控制，并充入密闭的磁场装置箱体内的气体控制模块。本发明弥补了现有磁场发生装置不能实现瞬间反转的磁场、功能单一等缺点。能够通过该磁场发生装置观察在反转地磁场下细胞的存活情况、分子功能、细胞结构变化情况。

Description

一种可反转模拟地磁场发生装置及方法

技术领域

本发明属于生物细胞培养、实验磁场发生装置，尤其是一种可反转模拟地磁场发生装置及方法。

背景技术

磁场对生物神经系统、血液循环、骨骼再生甚至对人类寿命均有有一定的效用，而地磁场对地球生物影响更是起着至关重要的作用，但近来研究表明，近100年来地磁场经历了剧烈变化，地磁场偶极矩持续而快速衰减，地磁场非偶极子强度却持续快速增强，行星尺度磁异常迅速增强，磁心正在远离地心，向太平洋方向移动，使东西两半球磁场不对称性增强，地磁场反转可能性在持续加大，研究地磁场反转对生物细胞的影响也就十分的重要。为此，需要一种可模拟地磁场及其反转环境的磁场发生装置进行试验研究。

CN105675855A本发明涉及一种用于细胞实验研究的低频磁场发生器，其基本组成包括：磁场发生器部分、线圈部分以及膜片钳记录部分组成，磁场发生器部分主要包括：MCU、人机交互模块、信号发生模块、功率放大模块、电源模块，人机交互模块实现用户命令的输入和显示，MCU作为核心实现信号的发生及各种参数的控制等，线圈通过可移动塑料臂固定在膜片钳显微镜镜臂上，用户通过人机交互部分选择信号的波形、强度和占空比等，单片机根据所选的参数控制信号发生部分输出对应的信号，然后送给功率放大电路,输出大电流驱动膜片钳上线圈产生用户预期磁场，刺激同时通过膜片钳电极记录细胞电生理特性。CN104700978A公开了磁场发生控制装置及方法，包括轴向方向分别处于三维正交坐标系三个坐标轴方向且圆心均处于三维正交坐标原点的三组电磁线圈每一组电磁线圈上安装有用于通入电流的电流控制装置以及用于驱动电磁线圈绕其轴向方向独立转动的驱动装置。该发明的磁场发生控制装置及方法通过在现有磁场发生控制方法的基础上增加转动电磁线圈角度控制磁场发生，解决了现有仅通过电流控制磁场强度的控制方式单一，控制自由度低的技术问题，增加了磁场发生的可操控自由度，降低了电磁线圈调制电流的控制需求，且能产生较大期望磁场强度。上述发明的磁场发生装置的均有良好的测量效果，但各自都存有局限性，无法产生稳定、均匀的模拟地磁场、磁场反转实验环境、而且易受其他实验设备的电磁干扰，影响到实验结果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可反转模拟地磁场发生装置及方法，

本发明是这样实现的，一种可反转模拟地磁场发生装置，该装置包括：

MCU主控单元；

通过通信模块与所述MCU主控单元连接的PC机，通过所述PC机对MCU主控单元进行参数设置；

设置在磁场装置箱体内的磁场线圈，用于产生磁场；

接受MCU主控单元的控制电流，并通过功率负载接入磁场线圈，开始产生所需要的地磁场的双极性电流控制模块；

用于检测磁场装置箱体内磁场，并传递至MCU主控单元的磁场检测模块；

用于接受MCU主控单元的指令对磁场装置箱体内的温湿度进行控制的温湿控制模块；

用于接受MCU主控单元的指令根据模拟测试要求分别对气体类型和气体含量进行控制，并充入密闭的磁场装置箱体内的气体控制模块。

进一步地，磁场装置箱体包括：

屏蔽层，设置在磁场装置箱体内；

可旋转测量平台，包括方盘以及设置在方盘下方的电机，通过电机转动，带动方盘模拟地球本身自转状态，

两向垂直滑轨，用于固定双极性平行线圈；双极性平行线圈平行固定在两向垂直滑轨滑轨槽内，根据不同的方向需求进行移动与变向操作。

进一步地，所述磁场线圈为双极性平行线圈，包括同轴的两组平行大小线圈组成，大线圈直径为D，小线圈直径为d且置于离大线圈D/2位置处，两线圈接线端A、接线端B分别接入双极性电流控制模块两端。

进一步地，启动反转模式下大线圈与小线圈电流相位相差180°，以实现磁场的迅速反转，增强模式下电流相位相差0°，用以实现较大磁场强度对实验细胞的影响。

进一步地，所述磁场检测模块通过霍尔传感器采集箱体内的磁场强度，经过A/D转换模块反馈回给MCU主控单元。

进一步地，所述双极性电流控制模块包括双极性DC-DC模块，与所述MCU主控单元连接，接受所述MCU主控单元的电流控制，通过连接直流电源对功率负载进行电流的控制，通过电流检测功率负载的电流反馈给MCU主控单元。

进一步地，所述温湿控制模块包括采集磁场装置箱体温湿度的温湿传感器，以及接受MCU主控单元的控制分别接受对磁场装置箱体的温度、湿进行动态控制的温度控制装置与湿度控制装置。

一种可反转模拟地磁场发生方法，包括：

通过通信模块与MCU主控单元连接的PC机，通过PC机对MCU主控单元进行参数设置；

通过MCU主控单元的指令对磁场线圈所在环境的温湿度进行控制；

根据模拟测试要求分别对气体类型和气体含量进行控制，并充入密闭的磁场装置箱体内；

通过MCU主控单元的控制电流，并通过功率负载接入磁场线圈，使得磁场线圈开始产生所需要的地磁场；

检测磁场线圈产生的磁场，传递至MCU主控单元。

进一步地，所述磁场线圈为双极性平行线圈，包括同轴的两组平行大小线圈组成，大线圈直径为D，小线圈直径为d且置于离大线圈D/2位置处。

进一步地，启动反转模式下大线圈与小线圈电流相位相差180°，以实现磁场的迅速反转，增强模式下电流相位相差0°，用以实现较大磁场强度对实验细胞的影响。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明模拟不同强度磁场、不同温湿条件以及不同气体情况下的地磁场实验环境，并通过双极性电流线圈来模拟反转地磁场，弥补了现有磁场发生装置不能实现瞬间反转的磁场、功能单一等缺点。而且能够屏蔽外界磁场对实验细胞影响，同时能够通过该磁场发生装置观察在反转地磁场下细胞的存活情况、分子功能、细胞结构变化情况。

附图说明

图1本发明实施例提供的可旋转模拟地磁场发生装置结构框图；

图2本发明实施例提供的磁场线圈结构示意图；

图3-1本发明实施例提供的箱体结构示意图；图中虚线部分为两向垂直滑轨，

图3-2本发明实施例提供的两向垂直滑轨与线圈之间的关系示意图；

图4本发明实施例提供的双极性电流控制模块的结构框图；

图5本发明实施例提供的双极性DC-DC模块的结构框图；

图6本发明实施例提供的温湿控制模块的结构框图；

图7本发明实施例提供的气体控制模块的结构框图；

图8本发明实施例提供的磁场检测模块的结构框图。

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。

参见图1，可反转模拟地磁场发生装置由PC机、通信模块、液晶显示器、MCU主控单元、温湿控制模块、双极性电流控制模块、磁场检测模块、气体控制模块、磁场线圈、屏蔽层构成。其中，液晶显示器、温湿控制模块、气体控制模块、双极性电流模块、磁场检测模块分别与MCU主控单元相连。其中双极性电流控制模块、磁场检测模块分别同时与磁场线圈相连。温湿控制模块、气体控制模块与试验箱体相连。

其中通过通信模块与MCU主控单元连接有PC机，通过PC机对MCU主控单元进行参数设置；磁场线圈设置在磁场装置箱体内，用于产生磁场。

参见图2，本实施例中，磁场线圈为双极性平行线圈，双极性平行线圈包括同轴的两组平行大小线圈组成，大线圈直径为D，小线圈直径为d且置于离大线圈D/2位置处，两线圈接线端A、接线端B分别接入双极性电流控制模块两端。

参见图4，双极性电流控制模块包括双极性DC-DC模块，与MCU主控单元连接，接受所述MCU主控单元的电流控制，通过连接直流电源对功率负载进行电流的控制，通过电流检测功率负载的电流反馈给MCU主控单元。

本实施例中，分为两种工作模式，反转模式与增强模式，启动反转模式下大线圈与小线圈电流相位相差180°，以实现磁场的迅速反转，增强模式下电流相位相差0°，用以实现较大磁场强度对实验细胞的影响。两种工作模式是通过双极性电流控制模块来实现的，双极性电流控制模块通过双极性DC-DC模块具有两个接入端，通过接入两线圈接线端A、接线端B，可以控制电流在大线圈与小线圈中的电流相位相差。双极性电流控制单元主要是由两块DC-DC模块构成。采用低电压大电流DC-DC，通过两个桥路控制桥路驱动电路，驱动全桥逆变电路控制整流输出，双极性控制单元，根据电流反馈，MCU控制桥路控制，实现不同电流、不同极性变换，如图5。

参见图3-1与图3-2所示，为磁场装置箱体包括：

设置在磁场装置箱体内的屏蔽层；

两向垂直滑轨2、可旋转测量平台包括方盘1以及设置在方盘下方的电机，通过电机转动，带动方盘模拟地球本身自转状态、双极性平行线圈等组成。其中屏蔽层主要用于屏蔽周围电磁场、两向垂直滑轨主要用于双极性线圈方向移动，双极性线圈通过塑料骨架支撑，两线圈为同轴固定，两侧大线圈圆心位置的塑料圆珠固定在滑轨槽内，根据不同的方向需求进行移动与变向操作。

参见图6，温湿控制模块包括采集磁场装置箱体温湿度的温湿传感器，以及接受MCU主控单元的控制分别接受对磁场装置箱体的温度、湿进行动态控制的温度控制装置与湿度控制装置温度控制装置通过箱体内置与外置温度传感器测量温差动态调整，首先根据MCU设置温度值与外部温度传感器测量值进行比对，而后控制加热管或者冷却管工作，调整箱体温度；

湿度控制装置通过箱体内置与外置湿度传感器测量湿度差动态调整，首先根据MCU设置湿度值与外部湿度传感器测量值进行比对，而后控制加湿装置的关断并由风扇送入或排出湿度气体。

参见图7，气体控制模块，通过气瓶，气阀，控制电路实现气体控制，温度控制装置通过箱体内置与外置温度传感器测量温差动态调整，首先根据MCU设置温度值与外部温度传感器测量值进行比对，而后控制加热管或者冷却管工作，调整箱体温度；

湿度控制装置通过箱体内置与外置湿度传感器测量湿度差动态调整，首先根据MCU设置湿度值与外部湿度传感器测量值进行比对，而后控制加湿装置的关断并由风扇送入或排出湿度气体。

参见图8，磁场检测模块通过霍尔传感器采集箱体内的磁场强度，经过A/D转换模块反馈回给MCU主控单元。

一种可反转模拟地磁场发生方法，包括：

通过通信模块与MCU主控单元连接的PC机，通过PC机对MCU主控单元进行参数设置；

通过MCU主控单元的指令对磁场线圈所在环境的温湿度进行控制；

根据模拟测试要求分别对气体类型和气体含量进行控制，并充入密闭的磁场装置箱体内；

通过MCU主控单元的控制电流，并通过功率负载接入磁场线圈，使得磁场线圈开始产生所需要的地磁场；

检测磁场线圈产生的磁场，传递至MCU主控单元。

具体包括以下步骤：

a、将实验细胞置于磁场发生装置中心测试盘位置。根据模拟地磁场环境要求，通过上位机软件对磁场的强度、磁场发生箱体温度与湿度、相关气体含量等地磁场相关参数进行设置。

b、MCU主控单元分别对相应的参数进行处理，分别送入温湿控制模块、气体控制模块、双极性电流模块，磁场发生装置开始工作。

为了进一步说明分别引入图：

c、图3所示，磁场内部线圈主要由两组平行大小线圈组成，大线圈直径为D，小线圈直径为d且置于离大线圈D/2位置处，两线圈接线端A、B分别接入双极性电流模块两端。在启动反转模式下大线圈与小线圈电流相位相差180°，增强模式下电流相位相差0°。

图4所示，根据所需要的磁场强度，通过MCU主控单元控制电流输出，启动双极性DC-DC，双极性DC-DC通过功率负载接入线圈，开始产生所需要的地磁场。

d、图6所示，通过上位机对MCU主控单元进行设置，温度控制装置、湿度控制装置分别对箱体温度、湿度进行控制。通过温湿传感器采集到的温度、湿度信息回传给温湿控制单元，而后通过温湿控制动态调整箱体温度与湿度。保证实验所必须的恒温恒湿环境。

e、图7所示，根据模拟测试要求分别对气体类型和气体含量进行控制，并充入密闭的实验箱体内。通过霍尔传感器采集箱体内的磁场强度，经过A/D转换模块反馈回给MCU主控单元，实时动态调整实验箱体内的磁场强度，并通过液晶对采集到的磁场强度进行同步显显示。

f、通过通信模块将反转磁场测量实验数据与电流等相关数据存入PC机记录，为后期实验结果分析提供依据。

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。

Claims (9)

1.一种可反转模拟地磁场发生装置，其特征在于，该装置包括：

MCU主控单元；

通过通信模块与所述MCU主控单元连接的PC机，通过所述PC机对MCU主控单元进行参数设置；

设置在磁场装置箱体内的磁场线圈，用于产生磁场；

接受MCU主控单元的控制电流，并通过功率负载接入磁场线圈，开始产生所需要的地磁场的双极性电流控制模块；

用于检测磁场装置箱体内磁场，并传递至MCU主控单元的磁场检测模块；

用于接受MCU主控单元的指令对磁场装置箱体内的温湿度进行控制的温湿控制模块；

用于接受MCU主控单元的指令根据模拟测试要求分别对气体类型和气体含量进行控制，并充入密闭的磁场装置箱体内的气体控制模块。

2.按照权利要求1所述的可反转模拟地磁场发生装置，其特征在于，磁场装置箱体包括：

屏蔽层，设置在磁场装置箱体内；

可旋转测量平台，包括方盘以及设置在方盘下方的电机，通过电机转动，带动方盘模拟地球本身自转状态，

两向垂直滑轨，用于固定双极性平行线圈；双极性平行线圈平行固定在两向垂直滑轨的滑轨槽内，根据不同的方向需求进行移动与变向操作。

3.按照权利要求1所述的可反转模拟地磁场发生装置，其特征在于，所述磁场线圈为双极性平行线圈，包括同轴的两组平行大小线圈组成，大线圈直径为D，小线圈直径为d且置于离大线圈D/2位置处，两线圈接线端A、接线端B分别接入双极性电流控制模块两端。

4.按照权利要求3所述的可反转模拟地磁场发生装置，其特征在于，启动反转模式下大线圈与小线圈电流相位相差180°，以实现磁场的迅速反转，增强模式下电流相位相差0°，用以实现较大磁场强度对实验细胞的影响。

5.按照权利要求1所述的可反转模拟地磁场发生装置，其特征在于，所述磁场检测模块通过霍尔传感器采集箱体内的磁场强度，经过A/D转换模块反馈回给MCU主控单元。

6.按照权利要求1所述的可反转模拟地磁场发生装置，其特征在于，所述双极性电流控制模块包括双极性DC-DC模块，与所述MCU主控单元连接，接受所述MCU主控单元的电流控制，通过连接直流电源对功率负载进行电流的控制，通过电流检测功率负载的电流反馈给MCU主控单元。

7.按照权利要求1所述的可反转模拟地磁场发生装置，其特征在于，所述温湿控制模块包括采集磁场装置箱体温湿度的温湿传感器，以及接受MCU主控单元的控制分别接受对磁场装置箱体的温度、湿度进行动态控制的温度控制装置与湿度控制装置。

8.一种可反转模拟地磁场发生方法，其特征在于，包括：

通过通信模块与MCU主控单元连接的PC机，通过PC机对MCU主控单元进行参数设置；

通过MCU主控单元的指令对磁场线圈所在环境的温湿度进行控制；

根据模拟测试要求分别对气体类型和气体含量进行控制，并充入密闭的磁场装置箱体内；

通过MCU主控单元的控制电流，并通过功率负载接入磁场线圈，使得磁场线圈开始产生所需要的地磁场；

检测磁场线圈产生的磁场，传递至MCU主控单元；

所述磁场线圈为双极性平行线圈，包括同轴的两组平行大小线圈组成，大线圈直径为D，小线圈直径为d且置于离大线圈D/2位置处。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，启动反转模式下大线圈与小线圈电流相位相差180°，以实现磁场的迅速反转，增强模式下电流相位相差0°，用以实现较大磁场强度对实验细胞的影响。