CN107607893A - 一种高平坦度中强磁场测量线圈的设计方法 - Google Patents
一种高平坦度中强磁场测量线圈的设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高平坦度中强磁场测量线圈的设计方法，属于交变磁场测量技术领域；首先，设计测量线圈的骨架：然后，根据被测量交变磁场的幅值变化范围和被测量交变磁场的频带变化范围，计算出理论线圈常数值；再根据骨架的外径和封胶厚度确定测量线圈绕组的平均半径；并计算线圈绕组的匝数后并取整；根据以上数值计算测量线圈绕组的结构参数，包括绕组的每层匝数、绕组的层数、绕组的高度、测量线圈绕组的有效半径及实际线圈常数值；根据设计的结构参数加工线圈骨架，使用绕线机绕制，匝数和层数按照设计的参数进行完成绕制，封胶固定完成输出电缆的加工，得到线圈的真实线圈常数值；最后，设计测量线圈匹配的电容和电阻使线圈的阻抗不因频带变化而变化。
Description
技术领域
本发明属于交变磁场测量技术领域，具体涉及一种高平坦度中强磁场测量线圈的设计方法。
背景技术
中强交变磁场主要应用于核磁共振成像、电池感应加热设备、无损检测和电磁兼容等领域，其作用是产生一定频带范围内几百高斯的交变磁场。目前测量中频交变磁场的测量设备一般采用的是霍尔磁强计和感应式线圈，但是市场上出售的霍尔磁强计由于霍尔探头的交流转换系数不准，因此，测量交变磁场的准确度非常低一般为3％左右，并且不能测量出中频交变磁场的实时频率值。而一般感应式线圈由于没有解决电感电容对于常数值的影响，一般都是只能测量单一点频率的幅值，即常规感应式测量线圈因为其测量线圈常数(即敏感系数) 随频率变化，测量频带范围内的交变磁场必须准确知道任意频率点下的线圈常数值，但目前对每个频率点下线圈常数值的标定比较繁琐。
测量线圈通常要绕制几千匝，电感值为mH级，另因线圈的层与层之间，匝与匝之间均具有分布电容,电感和分布电容的存在会使线圈常数值随磁场的频率变化而快速变化，通过实际测量频率从20Hz～1000Hz磁场幅值相同的磁场信号，交变测量线圈的线圈常数值会变化12 倍。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种高平坦度中强磁场测量线圈的设计方法，该方法根据所需测量的交变磁场的幅值和频带宽度来设计测量线圈，线圈的阻抗不因频带变化而变化，并能准确计算出线圈常数值。
一种高平坦度中强磁场测量线圈的设计方法，具体步骤如下：
第一步，设计测量线圈的骨架：
所述测量线圈的骨架由三段直径不同的柱形结构组成，其中中间段的直径最小，从而在两端的柱形结构之间形成一个环形腔，该环形腔为测量线圈的安装槽；
所述测量线圈选用带绝缘漆的铜制导线，导线的线径s为0.06mm～0.1mm，层排系数f为 1.15，层间系数q为1.22；
所述骨架的中心加工有轴向通孔，轴向通孔的半径为r，r为外部绕线机夹具孔距的两倍；所述骨架两端柱形结构中直径较小的柱形结构的外径为D，D为被测量交变磁场均匀区直径的 2/3，所述骨架的整体厚度为H，H为(1/4～1/6)D；所述骨架的壁厚为k；
所述安装槽的宽度即测量线圈绕装形成绕组后的绕组厚度h为H-2k；设所述绕组的封胶厚度为a；
第二步，根据被测量交变磁场的幅值变化范围△B和被测量交变磁场的频带变化范围△f，计算出理论线圈常数值KSW，计算公式为：
其中，△U为设定的测量线圈输出电压的最大变化量；
第三步，根据第一步中已设计好的骨架的外径D和封胶厚度a及公式(2)确定测量线圈绕组的平均半径R′；
第四步，根据第二步的理论线圈常数值KSW和第三步的测量线圈绕组的平均半径R′及公式(3)计算线圈绕组的匝数N′，
得到N′后，对N′进行近似取整后得到匝数N；
第五步，根据第一步中确定的参数及第四步中的匝数N，计算测量线圈绕组的结构参数，包括绕组的每层匝数NC、绕组的层数n、绕组的高度d、测量线圈绕组的有效半径R及实际线圈常数值K′SW；
(1)已知测量线圈绕组的厚度h、测量线圈的线径s及层排系数f，根据得到绕组的每层匝数NC，并对NC进行取整；
(2)已知匝数N和取整后的NC，根据得到绕组的层数n，并对n进行取整；
(3)已知取整后的n、测量线圈的线径s及层间系数q，根据d＝n×q×s，得到绕组的高度d；
(4)已知绕组的高度d、骨架轴向通孔的半径r及骨架的壁厚k，根据得到测量线圈绕组的有效半径R；
(5)已知测量线圈绕组的有效半径R和匝数N，根据KSW'＝N·πR2，得到实际线圈常数值K′SW，即测量线圈的匝面积；
第六步，按照第五步中得到的绕组的每层匝数NC、绕组的层数n及绕组的高度d，将测量线圈通过外部的绕线机绕装在所述安装槽中形成测量线圈绕组，且进、出铜制导线的引线预留设定长度；
绕装完后按照设定的封胶厚度a将测量线圈封胶固定；
在测量线圈封胶固定后，根据公式(4)计算测量线圈的理论电感值L：
使用阻抗分析仪对测量线圈的实际电感值L′进行测量，通过对比理论电感值L和实际电感值L′是否相等，来验证实际绕装的测量线圈的结构参数和绕制的匝数是否准确；若相等，则表明测量线圈的结构参数和绕制的匝数准确；若不相等，则表明测量线圈的结构参数和绕制的匝数不准确，重复第六步，直到理论电感值L和实际电感值L′相等。
在使用时，在测量线圈的两根引线之间并联一个电容后，再串联一个电阻，电容的电容值C的取值大于10倍的被测量磁场的频带上限，电阻的电阻值Q的取值满足：2π·Δf·Q·C＜＜ 1；
使用阻抗分析仪对测量线圈的阻抗Z和电感L进行测量，并绘制阻抗Z和电感L的特性曲线图，在被测量交变磁场的频带范围内验证电容值C和电阻值Q是否满足要求；若阻抗Z和电感L的变化值小于0.1％，则电容值C和电阻值Q满足要求；若阻抗Z和电感L的变化值大于0.1％，则重新选取电容值C和电阻值Q，直到电容值C和电阻值Q满足要求。
进一步的，所述骨架的其中一个水平部分的表面上加工有定位孔及与所述定位孔相通的径向的引线槽，进、出的铜制导线的引线穿过骨架的定位孔后固定在引线槽内。
进一步的，所述引线以双绞线的方式引出，并采用输出电缆分别与引线连接。
进一步的，所述输出电缆采用是带有屏蔽层的同轴电缆。
进一步的，所述骨架的壁厚k为1.5mm～3.0mm。
进一步的，所述绕组的封胶厚度a为1mm～2mm。
进一步的，所述骨架采用非金属材料。
有益效果：(1)本发明的测量线圈可以测量频率和幅值都在变化的交变磁场，频率和幅值的响应速度非常快，能达到实时跟踪。
(2)本发明的测量线圈能测量的频带范围为20Hz～1000Hz，变化倍率为50倍，并且测量出的频率值的准确度达到0.01％水平；该测量线圈能测量的幅值范围为0.1mT～1000mT，将测量线圈的输出电缆连接到数字多用表上，根据定值后测量线圈的常数值和输出的交变电压值得到的交变磁场幅值的准确度能达到0.05％。
(3)本发明的实际线圈常数值在设定的频带范围为定值，即测量线圈的阻抗不因频带的变化而变化。
(4)本发明的测量线圈不需要配置供电电源，使用时不受环境条件的太多限制，只要测量线圈的能放入磁场中心就可以使用；而且输出电缆采用是带有屏蔽层的同轴电缆，测量结果不受输出电缆长度的影响。
(5)本发明的测量线圈结构简单，且可以根据被测量磁场的空间要求来设计，最小可以设计为毫米级。
(6)本发明测量线圈的骨架采用环氧聚酯、聚砜或石英等非金属材料加工，非常轻巧，便于携带。
附图说明
图1是本发明测量线圈的骨架结构截面示意图。
图2是本发明的测量线圈与电容电阻匹配示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种高平坦度中强磁场测量线圈的设计方法，其具体步骤如下：
第一步，参见附图1，选择测量线圈的骨架，该骨架由三段直径不同的柱形结构组成，其中中间段的直径最小，从而在两端的柱形结构之间形成一个环形腔，该环形腔为测量线圈的安装槽，其中一端的柱形结构的端面上加工有定位孔及与所述定位孔相通的径向的引线槽，所述骨架采用无磁性且硬度较大的非金属材料加工，如环氧聚酯、聚砜或石英；
所述测量线圈选用带绝缘漆的铜制导线，导线的线径s为0.06mm～0.1mm，层排系数f为 1.15，层间系数q为1.22；
所述骨架的中心加工有轴向通孔，轴向通孔的半径为r，r为外部绕线机夹具孔距的两倍；所述骨架两端柱形结构中直径较小的柱形结构的外径为D，D为被测量交变磁场均匀区直径的 2/3，所述骨架的整体厚度为H，H为(1/4～1/6)D；所述骨架两端的柱形结构的沿其轴向的长度与中间段的柱形结构的内、外圆周面的距离均为k，即骨架的壁厚为k，k为1.5mm～3.0mm；
所述安装槽的宽度即测量线圈绕装形成绕组后的绕组厚度h为H-2k；设所述绕组的封胶厚度为a，a为1mm～2mm；
第二步，根据被测量交变磁场的幅值变化范围△B和被测量交变磁场的频带变化范围△f，计算出理论线圈常数值KSW，计算公式为：
其中，△U为设定的测量线圈输出电压的最大变化量；
第三步，根据第一步中已设计好的骨架的外径D和封胶厚度a及公式(2)确定测量线圈绕组的平均半径R′；
第四步，根据第二步的理论线圈常数值KSW和第三步的测量线圈绕组的平均半径R′及公式(3)计算线圈绕组的匝数N′，
得到N′后，对N′进行近似取整后得到匝数N；
第五步，根据第一步中确定的参数及第四步中的匝数N，计算测量线圈绕组的结构参数，包括绕组的每层匝数NC、绕组的层数n、绕组的高度d、测量线圈绕组的有效半径R及实际线圈常数值K′SW；
(1)已知测量线圈绕组的厚度h、测量线圈的线径s及层排系数f，根据得到绕组的每层匝数NC，并对NC进行取整；
(2)已知匝数N和取整后的NC，根据得到绕组的层数n，并对n进行取整；
(3)已知取整后的n、测量线圈的线径s及层间系数q，根据d＝n×q×s，得到绕组的高度d；
(4)已知绕组的高度d、骨架轴向通孔的半径r及骨架的壁厚k，根据得到测量线圈绕组的有效半径R；
(5)已知测量线圈绕组的有效半径R和匝数N，根据KSW'＝N·πR2，得到实际线圈常数值K′SW，即测量线圈的匝面积；
第六步，按照第五步中得到的绕组的每层匝数NC、绕组的层数n及绕组的高度d，将测量线圈通过外部的绕线机绕装在所述安装槽中形成测量线圈绕组，且进、出铜制导线的引线预留30mm～50mm；
绕装完后采用热缩套管按照设定的封胶厚度a将测量线圈封胶固定，保证测量线圈绕组不松散；
进、出的铜制导线的引线穿过骨架的定位孔后用硅胶固定在引线槽内，且所述引线以双绞线的方式引出，以减少差模信号带来的干扰，并采用输出电缆分别与引线连接，所述输出电缆采用是带有屏蔽层的同轴电缆；
第七步，根据公式(4)计算测量线圈的理论电感值L：
使用阻抗分析仪对测量线圈的实际电感值L′进行测量，通过对比理论电感值L和实际电感值L′是否相等，来验证实际绕装的测量线圈的结构参数和绕制的匝数是否准确；若相等，则表明测量线圈的结构参数和绕制的匝数准确；若不相等，则表明测量线圈的结构参数和绕制的匝数不准确，重复第六步，直到理论电感值L和实际电感值L′相等。
实际使用时，在测量线圈的两根输出电缆之间并联一个电容后，再串联一个电阻，参见附图2，电容的电容值C的取值大于10倍的被测量磁场的频带上限，电阻的电阻值Q的取值满足：2π·Δf·Q·C＜＜1；
使用阻抗分析仪对测量线圈的阻抗Z和电感L进行测量，并绘制阻抗Z和电感L的特性曲线图，在被测量交变磁场的频带范围内验证电容值C和电阻值Q是否满足要求；若阻抗Z和电感L的变化值小于0.1％，则电容值C和电阻值Q满足要求；若阻抗Z和电感L的变化值大于0.1％，则重新选取电容值C和电阻值Q，直到电容值C和电阻值Q满足要求。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高平坦度中强磁场测量线圈的设计方法，其特征在于，
第一步，设计测量线圈的骨架：
所述测量线圈的骨架由三段直径不同的柱形结构组成，其中中间段的直径最小，从而在两端的柱形结构之间形成一个环形腔，该环形腔为测量线圈的安装槽；
所述测量线圈选用带绝缘漆的铜制导线，导线的线径s为0.06mm～0.1mm，层排系数f为1.15，层间系数q为1.22；
所述骨架的中心加工有轴向通孔，轴向通孔的半径为r，r为外部绕线机夹具孔距的两倍；所述骨架两端柱形结构中直径较小的柱形结构的外径为D，D为被测量交变磁场均匀区直径的2/3，所述骨架的整体厚度为H，H为(1/4～1/6)D；所述骨架的壁厚为k；
所述安装槽的宽度即测量线圈绕装形成绕组后的绕组厚度h为H-2k；设所述绕组的封胶厚度为a；
第二步，根据被测量交变磁场的幅值变化范围△B和被测量交变磁场的频带变化范围△f，计算出理论线圈常数值KSW，计算公式为：
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<mo>-</mo>
<mrow>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，△U为设定的测量线圈输出电压的最大变化量；
第三步，根据第一步中已设计好的骨架的外径D和封胶厚度a及公式(2)确定测量线圈绕组的平均半径R′；
<mrow>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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<mo>)</mo>
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</mrow>
第四步，根据第二步的理论线圈常数值KSW和第三步的测量线圈绕组的平均半径R′及公式(3)计算线圈绕组的匝数N′，
<mrow>
<msup>
<mi>N</mi>
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<mo>-</mo>
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<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
得到N′后，对N′进行近似取整后得到匝数N；
第五步，根据第一步中确定的参数及第四步中的匝数N，计算测量线圈绕组的结构参数，包括绕组的每层匝数NC、绕组的层数n、绕组的高度d、测量线圈绕组的有效半径R及实际线圈常数值K′SW；
(1)已知测量线圈绕组的厚度h、测量线圈的线径s及层排系数f，根据得到绕组的每层匝数NC，并对NC进行取整；
(2)已知匝数N和取整后的NC，根据得到绕组的层数n，并对n进行取整；
(3)已知取整后的n、测量线圈的线径s及层间系数q，根据d＝n×q×s，得到绕组的高度d；
(4)已知绕组的高度d、骨架轴向通孔的半径r及骨架的壁厚k，根据得到测量线圈绕组的有效半径R；
(5)已知测量线圈绕组的有效半径R和匝数N，根据KSW'＝N·πR2，得到实际线圈常数值K′SW，即测量线圈的匝面积；
第六步，按照第五步中得到的绕组的每层匝数NC、绕组的层数n及绕组的高度d，将测量线圈通过外部的绕线机绕装在所述安装槽中形成测量线圈绕组，且进、出铜制导线的引线预留设定长度；
绕装完后按照设定的封胶厚度a将测量线圈封胶固定。
2.如权利要求1所述的一种高平坦度中强磁场测量线圈的设计方法，在测量线圈封胶固定后，根据公式(4)计算测量线圈的理论电感值L：
<mrow>
<mi>L</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>25</mn>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
使用阻抗分析仪对测量线圈的实际电感值L′进行测量，通过对比理论电感值L和实际电感值L′是否相等，来验证实际绕装的测量线圈的结构参数和绕制的匝数是否准确；若相等，则表明测量线圈的结构参数和绕制的匝数准确；若不相等，则表明测量线圈的结构参数和绕制的匝数不准确，重复第六步，直到理论电感值L和实际电感值L′相等。
3.如权利要求2所述的一种高平坦度中强磁场测量线圈的设计方法，其特征在于，在使用时，在测量线圈的两根引线之间并联一个电容后，再串联一个电阻，电容的电容值C的取值大于10倍的被测量磁场的频带上限，电阻的电阻值Q的取值满足：2π·Δf·Q·C＜＜1；
使用阻抗分析仪对测量线圈的阻抗Z和电感L进行测量，并绘制阻抗Z和电感L的特性曲线图，在被测量交变磁场的频带范围内验证电容值C和电阻值Q是否满足要求；若阻抗Z和电感L的变化值小于0.1％，则电容值C和电阻值Q满足要求；若阻抗Z和电感L的变化值大于0.1％，则重新选取电容值C和电阻值Q，直到电容值C和电阻值Q满足要求。
4.如权利要求1所述的一种高平坦度中强磁场测量线圈的设计方法，其特征在于，所述骨架的其中一个水平部分的表面上加工有定位孔及与所述定位孔相通的径向的引线槽，进、出的铜制导线的引线穿过骨架的定位孔后固定在引线槽内。
5.如权利要求1所述的一种高平坦度中强磁场测量线圈的设计方法，其特征在于，所述引线以双绞线的方式引出，并采用输出电缆分别与引线连接。
6.如权利要求5所述的一种高平坦度中强磁场测量线圈的设计方法，其特征在于，所述输出电缆采用是带有屏蔽层的同轴电缆。
7.如权利要求1所述的一种高平坦度中强磁场测量线圈的设计方法，其特征在于，所述骨架的壁厚k为1.5mm～3.0mm。
8.如权利要求1所述的一种高平坦度中强磁场测量线圈的设计方法，其特征在于，所述绕组的封胶厚度a为1mm～2mm。
9.如权利要求1所述的一种高平坦度中强磁场测量线圈的设计方法，其特征在于，所述骨架采用非金属材料。
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