CN107015175A - 一种磁耦合电感线圈间耦合系数检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电感线圈间耦合系数检测技术领域，提供一种磁耦合电感线圈间耦合系数检测电路及方法，用以克服现有检测方法复杂、计算表达式不唯一、误差较大的缺陷；本发明检测电路包括直流电压电源、逆变器、初级串联电容、初级可变微调电阻、初级电感线圈、次级电感线圈、次级串联电容、次级可变微调电阻及检测电阻；直流电压电源连接所述逆变器两个输入端，初级可变微调电阻、初级串联电容与初级电感线圈依次连接后连接所述逆变器两个输出端，构成初级谐振回路；次级电感线圈、次级串联电容、次级可变微调电阻及检测电阻依次连接构成次级谐振回路。本发明检测电路简单、便于构建，耦合系数的解析表达式精确、高效。

Description

一种磁耦合电感线圈间耦合系数检测电路及方法

技术领域

本发明属于电感线圈间耦合系数检测技术领域，涉及一种磁耦合电感线圈间耦合系数检测电路及方法。

背景技术

现有磁耦合电感线圈间的耦合系数检测，通常采用数值表达式表示，得到耦合系数的数值解，先利用毕奥-萨伐尔定律导出互感系数积分公式，再进行数值计算，然后通过对极端情况的分析和对非极端情况进行猜想，采用幂级数、指数、对数或其组合进行试探，再用数值计算验证，最终尝试性地推导出两线圈在任意距离下(除两电感线圈几乎重合外)互感和耦合系数的近似解析表达式。此种计算方法太过繁琐，采用不同的数学方法得到的表达式也不相同，且在复杂的实际情况下，由于需要考虑的电感线圈实际物理尺寸、形状、体积等参数，会引入较大的误差。基于此，当实际情况下需要检测电感线圈间的耦合系数时，如何利用现有的常规设备、仪器，满足检测电感线圈间耦合系数需求，提供一种耦合电感线圈间耦合系数高效的检测电路及方法成为本发明的研究重点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有磁耦合电感线圈间耦合系数检测方法复杂、计算表达式不唯一、误差较大的缺陷，提供一种磁耦合电感线圈间耦合系数检测电路及方法；本发明采用的技术方案为：

一种磁耦合电感线圈间耦合系数检测电路，包括直流电压电源、逆变器、初级串联电容C₁、初级可变微调电阻R_C1、初级电感线圈L₁、次级电感线圈L₂、次级串联电容C₂、次级可变微调电阻R_C2及检测电阻R_L；其特征在于，所述直流电压电源连接所述逆变器两个输入端，所述初级可变微调电阻R_C1、初级串联电容C₁与初级电感线圈L₁依次连接后连接所述逆变器两个输出端，构成初级谐振回路；所述次级电感线圈L₂、次级串联电容C₂、次级可变微调电阻R_C2及检测电阻R_L依次连接构成次级谐振回路。

进一步的，上述检测电路中，所述初级电感线圈L₁的等效串联电阻与初级可变微调电阻R_C1的电阻值之和等于所述次级电感线圈L₂的等效串联电阻与次级可变微调电阻R_C2的电阻值之和。

上述检测电路中，所述初级谐振回路与次级谐振回路的谐振频率相同。

上述磁耦合电感线圈间耦合系数检测电路的检测方法，包括一下步骤：

步骤1、启动直流电压电源及逆变器，记录初级电感线圈与次级电感线圈之间的间距D；

步骤2、测量检测电阻两端电压值，并根据下式计算电感线圈间耦合系数：

其中，r₀为初级、次级二端等效串联电阻阻值：r₀＝r₁+r_c1＝r₂+r_c2，r₁、r₂分别为初级、次级电感线圈的等效串联电阻阻值，r_c1、r_c2分别为初级、次级可变微调电阻阻值；r_L为检测电阻阻值；U_L为检测电阻两端电压值；U_S为逆变器输出电压值；l₁、l₂分别为初级、次级电感线圈的自感值；f₀为逆变器输出谐振频率；

步骤3、调节初级电感线圈与次级电感线圈之间的间距为D′，记录检测电阻两端电压值U_L′，根据如下规则判定k的唯一解：

若k是二重根，则k为唯一解；否则，

当则判定初级电感线圈与次级电感线圈之间的间距D时，耦合系数k的唯一解为两值中的较大值；

当则判定初级电感线圈与次级电感线圈之间的间距D时，耦合系数k的唯一解为两值中的较小值。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种磁耦合电感线圈间耦合系数的检测电路及方法，其检测电路简单、便于构建，电路中的参数均能够通过常用设备数字电桥、交流电压表、直流电压源进行快速检测确定；同时，本发明通过该检测电路的磁耦合原理以及谐振原理，根据基尔霍夫定律推导出耦合电感线圈间耦合系数的解析表达式，相对于通过毕奥-萨伐尔定律导出的互感系数积分公式进行数值计算更精确、高效、更符合实际情况，也没有特定的限制条件；将检测值直接带入解析表达式即计算得到磁耦合电感线圈间耦合系数，检测过程高效便捷。综上，本发明具有简洁、经济、科学、实用、可操作性强、成本低等优点。

附图说明

图1是本发明磁耦合电感线圈间耦合系数检测电路原理图。

图2是本发明实施例中磁耦合电感线圈间耦合系数检测电路接线图。

图3是本发明实施例汇总电压比μ与η的参考关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本实施例磁耦合电感线圈间耦合系数检测电路，其原理如图1所示，其电路连接图如图2所示；包括直流电压电源、逆变器、初级串联电容C₁、初级可变微调电阻R_C1、初级电感线圈L₁、次级电感线圈L₂、次级串联电容C₂、次级可变微调电阻R_C2及检测电阻R_L；其特征在于，所述直流电压电源连接所述逆变器两个输入端P₀、P₁，所述初级可变微调电阻R_C1、初级串联电容C₁与初级电感线圈L₁依次连接后连接所述逆变器两个输出端，构成初级谐振回路；所述次级电感线圈L₂、次级串联电容C₂、次级可变微调电阻R_C2及检测电阻R_L依次连接构成次级谐振回路。使用交流电压表，将交流电压表的一个探头连接到所述检测电路交流电压表检测端子A，交流电压表的另一个探头连接到所述检测电路交流电压表检测另一端子C。

上述检测电路对应的磁耦合电感线圈间耦合系数计算公式推导如下：

根据检测电路中电感线圈和其串联电容间谐振原理，可知其谐振频率如下：

其中，初级谐振回路与次级谐振回路的谐振频率计算方法相同，且要求谐振频率相同；

在逆变器输出谐振频率f₀和幅值为U_S的电压驱动下根据电路的基尔霍夫定律、磁耦合原理推导出关于两电感线圈间耦合系数的二元一次方程：

μη²-rη+μ(r+1)＝0

其中，μ＝U_L/U_S、r＝r_L/r₀、

解上述方程，得到实数解：

其中，r₀为初级、次级二端等效串联电阻阻值：r₀＝r₁+r_c1＝r₂+r_c2，r₁、r₂分别为初级、次级电感线圈的等效串联电阻阻值，r_c1、r_c2分别为初级、次级可变微调电阻阻值；r_L为检测电阻阻值；U_L为检测电阻两端电压值；U_S为逆变器输出电压值；l₁、l₂分别为初级、次级电感线圈的自感值；f₀为逆变器输出谐振频率。

本实施例中，磁耦合电感线圈间耦合系数测量过程如下：

第一步：根据实际需要选用两电感线圈，根据谐振频率估算与其串联的两电容的电容值，并选用串联电容；

第二步：选取两个电感线圈L₁和L₂、串联电容C₁和C₂、检测电阻R_L、可变微调电阻R_C1和R_C2(检测电阻R_L的电阻值r_L必须远大于初次级二端口等效串联电阻R₀的电阻值r₀)；

第三步：使用数字电桥检测并检验电感线圈L₁的电感值l₁与其等效串联电阻R₁的值r₁，电感线圈L₂的电感值l₂和其等效串联电阻R₂的值r₂，检测电阻R_L的电阻值r_L，串联电容C₁和C₂的电容值c₁和c₂；

第四步：调节可变电阻R_C1和R_C2的值r_c1和r_c2，使得初次级二端口等效串联电阻相同并且定义相同阻值的初次级二端口等效串联为R₀，其值为r₀，那么r₁+r_c1＝r₂+r_c2＝r₀；

第五步：使用谐振频率计算公式计算出谐振频率，将初次级电感线圈的电感值和初次级串联电容的电容值代入计算公式得到初次级谐振频率，初次级谐振频率保证相同，如果初次级电感线圈L₁和L₂的电感值不同，需要选择合适的串联电容C₁和C₂或者增加可变电容器的方式以保证计算出的初次级谐振频率相同；

第六步：按照接线图2构建检测电路；直流电压源的正输出端接到检测电路的端子P0，直流电压源的负输出端接到检测电路的端子P1，使用交流电压表的一个探头接到检测电路的端子A，交流电压表的另一个探头端接到检测电路的端子C；

第七步：启动逆变器，读取逆变器输出电压幅值U_S，观察交流电压表，验证谐振频率和电压是否正常工作，如果不能满足设计要求，那么检查检测电路连接或者设置是否正确并改正；

第八步：在验证检测电路无误后，再次启动逆变器并读取逆变器输出电压幅值U_S，然后让两电感线圈间的距离D开始逐渐递增达到同电感线圈直径相同值处，例如可让D以步长为1cm从0cm逐渐增加到20cm(其中包括所要求检测距离)，并同时观察交流电压表，记录下检测电阻R_L两端电压U_L随两电感线圈间距离D的变化得到电压值；

第九步：将上述所测得的参数r₀、r_L、U_L、U_S、l₁、l₂、f₀带入两电感线圈间耦合系数的计算公式得到所需的耦合系数k，其中代入的数据是所要求距离D时，所得到的相应数据；

第十步：通过利用实际得到的不同距离D值和其对应的检测电阻两端电压U_L判断k的唯一取值，在检测过程中两电感线圈间的距离D是逐渐增加，两电感线圈间的耦合系数k是随D呈减小；检测电阻两端电压U_L随k的减小呈先增大而后减小的特性；根据该特性，针对特定距离D值，耦合系数k的唯一解采用如下规则确定：

若k是二重根，则k为唯一解；否则，当测量得电压U_L变化趋势与D值变化趋势相同时，取两值中的较大值为唯一解，当测量得电压U_L变化趋势与D值变化趋势相反时，取两值中的较小值为唯一解；即，随D的增大，U_L的值有增大的趋势，那么k的取值是取计算出的两值中的较大值；随D的增大，U_L的值有减小的趋势，那么k的取值是取计算出的两值中的较小值；电压比μ(U_L)与η(k)的参考关系如图3，电压比μ和U_L情况情况保持一致，η与k变化情况保持一致。

误差分析，第一、检测开始前应该矫正数字电桥和交流电压变且要求高精度，串联的电容需采用高精度电容；第二、确定两电感线圈之间的距离；第三、针对所得到的耦合系数k，在保证电感两线圈间距离确定的前提下，可多次检测取平均值。

本实施例中：取l₁＝124μH，l₂＝124μH，r_L＝10Ω，r₀＝1Ω，f₀＝148kHz，D＝4cm，U_S＝30.55V，测得U_L＝12.0V，根据耦合系数的计算公式和参考图3的变化情况，得到耦合系数k＝0.2169；

取l₁＝124μH，l₂＝124μH，r_L＝10Ω，r₀＝1Ω，f₀＝148kHz，D＝6cm，U_S＝30.55V，测得U_L＝16.0V，根据耦合系数的计算公式和参考图3的变化情况，得到耦合系数k＝0.1606；

取l₁＝124μH，l₂＝124μH，r_L＝10Ω，r₀＝1Ω，f₀＝148kHz，D＝8cm，U_S＝30.55V，测得U_L＝20.8V，根据耦合系数的计算公式和参考图3的变化情况，得到耦合系数k＝0.1206；

取l₁＝124μH，l₂＝124μH，r_L＝10Ω，r₀＝1Ω，f₀＝148kHz，D＝10cm，U_S＝30.55V，测得U_L＝25.2V，根据耦合系数的计算公式和参考图3的变化情况，得到耦合系数k＝0.0972。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种磁耦合电感线圈间耦合系数检测电路，包括直流电压电源、逆变器、初级串联电容(C₁)、初级可变微调电阻(R_C1)、初级电感线圈(L₁)、次级电感线圈(L₂)、次级串联电容(C₂)、次级可变微调电阻(R_C2)及检测电阻(R_L)；其特征在于，所述直流电压电源连接所述逆变器两个输入端，所述初级可变微调电阻、初级串联电容与初级电感线圈依次连接后连接所述逆变器两个输出端，构成初级谐振回路；所述次级电感线圈、次级串联电容、次级可变微调电阻及检测电阻依次连接构成次级谐振回路。

2.按权利要求1所述磁耦合电感线圈间耦合系数检测电路，其特征在于，所述检测电路中，所述初级电感线圈的等效串联电阻与初级可变微调电阻的电阻值之和等于所述次级电感线圈的等效串联电阻与次级可变微调电阻的电阻值之和。

3.按权利要求1所述磁耦合电感线圈间耦合系数检测电路，其特征在于，所述检测电路中，所述初级谐振回路与次级谐振回路的谐振频率相同。

4.按权利要求1所述磁耦合电感线圈间耦合系数检测电路的检测方法，包括以下步骤：

步骤1、启动直流电压电源及逆变器，记录初级电感线圈与次级电感线圈之间的间距D；

步骤2、测量检测电阻两端电压值，并根据下式计算电感线圈间耦合系数：

其中，r₀为初级、次级二端等效串联电阻阻值：r₀＝r₁+r_c1＝r₂+r_c2，r₁、r₂分别为初级、次级电感线圈的等效串联电阻阻值，r_c1、r_c2分别为初级、次级可变微调电阻阻值；r_L为检测电阻阻值；U_L为检测电阻两端电压值；U_S为逆变器输出电压值；l₁、l₂分别为初级、次级电感线圈的自感值；f₀为逆变器输出谐振频率；

步骤3、调节初级电感线圈与次级电感线圈之间的间距为D′，记录检测电阻两端电压值U_L′，根据如下规则判定k的唯一解：

若k是二重根，则k为唯一解；否则，

当则判定初级电感线圈与次级电感线圈之间的间距D时，耦合系数k的唯一解为两值中的较大值；

当则判定初级电感线圈与次级电感线圈之间的间距D时，耦合系数k的唯一解为两值中的较小值。