CN107941660A - 一种磁颗粒检测系统的误差提取方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种磁颗粒检测系统的误差提取方法和装置，利用两种相对独立的磁颗粒检测方法，以磁导率为隐变量建立感应线圈电压和感应线圈电感之间的联系，实现感应线圈电感理论值和测量值之间的误差提取，并由此得到感应电压误差和共振频率误差。本发明误差提取装置中，信号运算模块(8)的输入端连接磁颗粒检测系统的感应线圈，测量感应线圈的电压，计算感应线圈电感理论值。信号运算模块(8)的输出端连接误差提取模块(10)的输入端。扫频测量模块(9)的输入端连接磁颗粒检测系统的感应线圈，测量感应线圈的电感值，扫频测量模块(9)的输出端连接误差提取模块(10)的输入端。误差提取模块(10)计算感应线圈电感误差、电压误差和共振频率误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁颗粒检测系统的误差提取方法和装置。
背景技术
磁颗粒(magnetic particle,MP)是一种化学合成材料，采用铁磁材料作为内核，其粒径小(微米级甚至纳米级)，比表面极大，耦联容量高，具有磁响应性、生物相容性及非常高的吸附能力。基于这些特性，磁颗粒在磁性分离、生物样品处理、生物分子检测识别、药物靶向治疗、热疗、及组织工程等生物医药领域获得了广泛应用。
磁颗粒具有高吸附能力，可作为生物大分子的载体，完成靶向治疗任务。另外，通过外加磁场可对磁颗粒进行操控，如聚集、移动、洗脱及定位等。利用磁颗粒的这两个特性可对核酸、蛋白质、病毒及微生物等生物样品进行分离、富集、提纯等处理，国内外也有多家公司开发出多种基于磁颗粒吸附特性的生物样品处理仪器，其检测过程均涉及磁颗粒检测。
非线性磁化(non-linear magnetization)是磁颗粒的一项重要的磁响应特性。由此开发的设备结构简单成本低、不易受外界环境影响、兼容不同的探针分子固定策略，兼容不同的容纳样品的器材的结构模式，正是由于这些特点，其是与样品处理过程集成联接的首选检测技术。
磁颗粒检测(magnetic particle detection,MPD)系统是利用一种磁颗粒非线性磁化特性的检测系统，可用于检测磁颗粒浓度，半径及周边环境状态。其包含激励、接收装置，以及信号处理装置。它的激励磁场主要由通以交变电流的螺线管实现，由感应线圈捕获信号，并传递至信号处理装置进行处理，得到所需信息。MPD检测途径主要有两种，一种是通过检测感应线圈的电感，运用电感和磁颗粒状态之间的物理关系，得到磁颗粒自身及周边信息；另一种是通过检测感应线圈的感应电压，经傅里叶变换得到频谱信息，并通过特定频率的幅值来获取磁颗粒自身及周边信息。目前两种方法各自独立，且均存在一些难以消除的误差，影响磁颗粒检测结构的精度和质量，并对实际运用中的在体测量造成较大障碍。
所述的磁颗粒检测系统两种检测方式产生误差的原因主要有两个：对于磁导率的简化处理，周边环境的影响。传统处理方式是尽可能减小周边环境，如地磁，温度的影响，例如采用差分式感应线圈的方式。而对于磁导率，很少有有效处理，虽部分文献采用加权平均近似的方式进行，并借此衍生出测量电感以实现浓度测量的方法，但并未对磁导率随着外磁场的变化而产生的变化量做出处理。
μ＝wmpμmp+wairμair+wbufferμbuffer+wvμv
μ是感应线圈内部整体的磁导率，μmp是待检测磁颗粒的磁导率，μbuffer是放置磁颗粒的缓冲液的磁导率，μv是感应线圈支撑结构的磁导率，wmp、wair、wbuffer、wv分别是各个材料磁导率占磁导率的权重，含量越高，权值越大。
但这种处理方式仅适合在外磁场影响下磁导率变化不大的情况，对于铁磁材料并不适用。
传统磁颗粒检测(MPD)系统对于磁颗粒浓度的检测主要有两种相对独立的检测方式，一种是通过检测感应线圈的电感，运用电感和磁颗粒状态之间的物理关系，得到磁颗粒自身及周边信息；另一种是通过检测感应线圈的感应电压，经傅里叶变换得到频谱信息，并通过特定频率的幅值来获取磁颗粒自身及周边信息。
所述的磁颗粒检测系统包含激励线圈、感应线圈、激励电源、运算放大器及示波器。激励线圈和激励电源组成激励模块。感应线圈作为感应模块。运算放大器及示波器用于信号处理和显示。
所述的激励模块中，激励电源是交流电源，激励电源连接激励线圈，产生激励磁场。所述的激励线圈采用螺线管结构。所述的感应模块中，感应线圈采用螺线管结构，和激励线圈同轴放置，组成线圈系统。待检测的磁颗粒试剂放置于感应线圈内。
工作时由激励电源产生交流电，通入激励线圈，产生激励磁场，并在感应线圈中得到感应电压信号。
所述的磁颗粒检测系统是通过电磁感应现象，利用激励线圈、磁颗粒和外加交流电源的共同作用，得到感应电压u，即为感应线圈的感应电压信号，表达式为：
其中u为感应电压，k为与线圈结构有关的恒定系数，是真空磁导率、线圈灵敏度以及线圈内部体积的乘积，M为磁化强度。
所述的MPD两种检测方式主要存在的误差因素包含磁导率变化和环境不确定因素。对于磁导率的影响，运用电感进行检测的方法中，普遍将磁导率进行了加权平均近似；运用电压进行检测的方法中，普遍将磁导率假设为定值。虽然这两种方法使得磁颗粒浓度的检测成为可能，但均完全忽视了磁导率在激励磁场下的变动，也就对结果产生了较大的误差。对于环境因素，如地磁的影响，电感法并未考虑，电压法涉及差分式线圈设计，做到了部分补偿以减小影响，但均未对影响效果做出量化分析。
所述的MPD两种检测方式相对独立，以前在磁颗粒检测领域仅有对误差尽可能降低的手段，如差分式线圈设计，中国专利201410018349.8，但仅能对环境磁场影响进行部分去除，且无效果分析，也存在尚未考虑磁导率变化影响的问题。
中国专利201410337351.1，一种基于磁珠非线性磁化特性的生物样品检测器，尚未考虑磁导率变化影响以及环境影响。
发明内容
本发明的目的是克服现有的磁颗粒检测过程中存在较大误差的缺点，提出一种磁颗粒检测系统的误差提取方法和装置。
本发明利用两种相对独立的磁颗粒检测方式，以磁导率为隐变量建立感应线圈电压和感应线圈电感之间的联系，完成感应线圈电感理论值和测量值之间的误差提取，并借此得到感应电压误差和共振频率误差。
本发明利用郎之万顺磁理论，不再将磁导率看做不变的常数，利用已知的两种相对独立的检测手段，提取各自的一个核心变量：感应线圈电压与感应线圈电感，将两者共同的基础——磁导率作为隐变量，建立感应线圈电压与感应线圈电感之间的联系，并将感应线圈电感理论值与测量值进行比较，提取差值，再经一系列运算，完成误差的提取，即可获得核心变量误差随外磁场变化而变化的量化值。在实际测量过程中，通过对感应线圈电感误差的计算，再经计算得到感应线圈电压误差和共振频率误差，可用于完成对测量结果的校准，显著提高精度，也可通过对误差信号的进一步分析，增加对磁颗粒周边环境的认知，有助于磁颗粒成像效果的提升，使磁颗粒检测得以更加广泛的运用。
本发明利用相对独立的两种磁颗粒检测方式，通过理论值和测量值之间的对比，得到相对差值，实现对目标值的测量的误差提取。
本发明误差提取方法包含测量感应线圈电压、计算电感理论值、测量感应线圈电感、计算感应线圈电感误差、计算感应线圈电压误差和计算共振频率误差的步骤。
本发明的误差提取方法步骤如下：
1、通过测量得到感应线圈电压，并通过此感应线圈电压计算感应线圈电感理论值；
2、通过测量感应线圈电感得到感应线圈电感测量值；
3、计算感应线圈电感误差；
4、计算感应线圈电压误差，计算频率误差得到共振频率误差，完成误差提取。
通过提取的误差信号，可实现对测量结果的校准，显著提高测量精度，也可通过对误差信号的进一步分析，增加对磁颗粒周边环境的认知，有助于磁颗粒成像效果的提升，使磁颗粒检测得以更加广泛的运用。
应用本发明的误差提取方法的装置包含扫频测量模块、信号运算模块和误差提取模块。信号运算模块的输入端连接磁颗粒检测系统的感应线圈，测量感应线圈的电压，并计算感应线圈电感理论值；信号运算模块的输出端连接误差提取模块的输入端。扫频测量模块的输入端连接磁颗粒检测系统的感应线圈，测量感应线圈的电感值，扫频测量模块的输出端连接误差提取模块的输入端。误差提取模块获取电感的测量值和理论值，计算感应线圈电感误差、电压误差和共振频率误差。
信号运算模块获取到感应线圈电压信号后，计算得到感应线圈电感理论值，传递给误差提取模块；扫频测量模块测量得到感应线圈电感测量值后，传递给误差提取模块；误差提取模块利用感应线圈电感的测量值和理论值，得到感应线圈电感误差信号，并计算得到感应线圈电压误差信号和共振频率误差信号。
所述的扫频测量模块包含主控制器、直接数字式频率合成器(DDS)模块、滤波模块、自动增益控制(AGC)模块、测量电路、检波器和显示屏。
主控制器采用ARM7单片机，ARM7单片机的输出端连接显示屏的输入端和直接数字式频率合成器(DDS)模块的输入端，直接数字式频率合成器(DDS)模块的输出端连接滤波模块的输入端，滤波模块的输出端连接连接自动增益控制模块的输入端，自动增益控制模块的输出端连接测量电路的电源位置，测量电路的LC串联电路两端连接检波器的输入端，检波器的输出端连接ARM7单片机的输入端。
所述的扫频测量模块通过扫频的方式测量感应线圈电感，得到感应线圈电感的测量值。考虑到传统测量方式多使用电桥进行测量，精度较低，不能满足需求，故本发明采用LC串联电路的方式进行电感的测量，使用渐进式扫描方式，用ARM7单片机控制直接数字式频率合成器(DDS)模块来生成不同频率的信号，作为电源和扫频信号，经信号处理后驱动测量电路。测量电路采用串联谐振的方案，将感应线圈的接线端用测试夹夹持，作为待测电感L，由检波器读取测量电路中的LC串联电路的两端电压，电压数据传送至ARM7单片机。在扫频信号频率从低到高变动时，利用ARM7单片机来捕获电压的最小值点，并同时获取到此电压点所对应的频率，即为共振频率，最后将结果显示于显示屏上。
所述的滤波模块采用椭圆滤波器，用于消除高频噪声。
所述的自动增益控制(AGC)模块用于稳定扫频信号的输出电压。
所述的信号运算模块运用测得的感应电压u和相关物理理论，推导出感应线圈的电感L，得到感应线圈电感L的理论值L1，方法如下：
1、首先通过感应电压u得到磁化强度M，表达式为：
考虑到当M＝0时，u＝0,故取初值M(0)＝0，式中，K为与线圈结构有关的恒定系数，是真空磁导率、线圈灵敏度以及线圈内部体积的乘积；
2、再由磁化强度M得到关于磁导率μ的表达式，
由郎之万顺磁理论可知，
其中Ms是饱和磁化强度，为郎之万方程x和磁颗粒磁导率μmp正相关：
其中，m0是单个磁颗粒的磁矩，kB是玻尔兹曼常数，T是温度，H是激励线圈所激发的磁场的磁场强度；
进一步考虑到磁颗粒检测系统中的感应线圈电感L与磁导率μ的关系：
其中，N1是激励线圈匝数，N2是感应线圈匝数，A是感应线圈横截面面积，l是感应线圈长度，μmp是磁颗粒磁导率，μother是除磁颗粒以外感应线圈内其他物质对磁导率的贡献，可以由磁颗粒检测装置在未放置磁颗粒时测得。
整理可得：
由于磁颗粒是铁磁材料，其磁导率将会远大于线性磁导率的材料的磁导率μother，且考虑到非铁磁性材料磁导率通常很小，故这里使用：
进行近似。
3、整理以上表达式，可以得到感应电压u和感应线圈电感L的关系，结合激励磁场的具体选取情况，即可由感应电压u得到感应线圈电感L,即感应线圈电感理论值L1：
其中，Ms是饱和磁化强度，是郎之万方程的反函数，考虑到是非单调函数，故这里应该用分段函数表示。
所述的信号运算模块根据上述物理关系和相应逻辑电路进行实现，也可以通过可编程逻辑器件(FPGA)进行实现，即：
信号运算模块获取感应电压u、激励磁场H，输出感应线圈电感L。考虑到线圈内禀参数k、A、N1、N2、l的输入，使用可编程逻辑器件(FPGA)将更为灵活。
所述的误差提取模块由感应线圈电感理论值和感应线圈电感测量值计算得到感应线圈电感误差，进一步得到感应线圈电压误差和共振频率误差。
感应线圈电感误差是感应线圈电感L理论值L1与测量值L2之间的差值ΔL＝L1-L2。
感应线圈电压误差和共振频率误差，由感应线圈电感误差ΔL进一步得到。
根据需求，若需用感应电压信号波形的频谱的幅值来反映磁颗粒浓度的变化，则利用ΔL，将下列算式整合，即可得到感应线圈电压误差Δu：
Δu＝u2-u
其中，μmp是磁颗粒磁导率，μother是除磁颗粒以外感应线圈内其他物质对磁导率的贡献，Δμmp是对磁颗粒磁导率的修正值，x2是对郎之万方程自变量的修正后的结果，M2是磁化强度的修正后的结果，u2是感应线圈电压的修正后的结果。
感应线圈电压误差Δu作为补偿电压，弥补由于误差导致的电压变动，提高测量精度，并可借此分析磁颗粒周边环境，提高磁颗粒成像的效果。
若需用感应线圈电感和共振频率来反映磁颗粒浓度的变化，则利用下式算得共振频率误差Δf：
Δf＝f2-f
其中，C是电路中的电容值，L是感应线圈电感，ΔL是感应线圈的电感误差，f2是考虑电感误差后得到的共振频率值，f是考虑电感误差前得到的共振频率值，Δf是共振频率误差。
共振频率误差Δf作为补偿频率，弥补由于误差导致的共振频率变动，提高精度，并可借此分析磁颗粒周边环境，提高磁颗粒成像的效果。
所述的误差提取模块可以根据上述物理关系和相应逻辑电路实现，也可以通过可编程逻辑器件(FPGA)实现。考虑到有线圈内禀参数的输入，使用可编程逻辑器件(FPGA)将更为灵活。
本发明误差提取装置工作过程如下：
1、首先信号运算模块通过磁颗粒检测系统测量得到感应线圈的感应电压信号u，反推得到磁化强度M，利用磁化强度M与感应线圈内部整体的磁导率μ之间的关系，以及感应线圈电感L与感应线圈内部整体的磁导率μ之间的关系，得到理论计算所得的感应线圈电感理论值L1；
2、扫频测量模块通过渐进式扫频的方式直接测量感应线圈的电感，得到感应线圈电感测量值L2；
3、误差提取模块计算得出感应线圈电感理论值L1和感应线圈电感测量值L2的差值ΔL，将此差值ΔL作为感应电感误差，再经前述理论计算可得到感应电压误差Δu以及共振频率误差Δf。
考虑到磁颗粒是铁磁材料，随着外磁场的增大，其磁导率μ会先单调增加后单调减小，故此处：
1、在不同的激励磁场H下，传统MPD设备由于磁导率的变动所产生的误差将会不同，故应该在不同外磁场复制下多次测量，得到感应线圈电感误差ΔL，拟合得出感应线圈电感误差ΔL在不同频率激励磁场下的变动曲线。这里涉及的激励磁场H的变频，可采用和所述的测量电感的扫频测量模块相同的方式驱动，得到可扫频的激励电源。
2、考虑铁磁材料在高频磁场下，磁导率不再是简单的实数，而是与频率相关的复数，故这里对低频磁场下的MPD装置将能更好的完成误差提取。
本发明利用郎之万顺磁理论，不再将磁导率看做不变的常数，利用已知的两种相对独立的检测手段，提取各自的一个核心变量：感应线圈电压与感应线圈电感，将两者共同的基础——磁导率作为隐变量，建立感应线圈电压与感应线圈电感之间的联系，并将感应线圈电感理论值与测量值进行比较，提取差值，再经一系列运算完成误差的提取，即可获得核心变量误差随外磁场变化而变化的量化值。在实际测量过程中，通过对提取的误差的考虑，可完成对测量结果的校准，显著提高精度，也可通过对误差信号的进一步分析，增加对磁颗粒周边环境的认知，有助于磁颗粒成像效果的提升，使磁颗粒检测得以更加广泛的运用。
附图说明
图1是磁颗粒检测系统的误差提取方法框图；
图2是误差提取装置的扫频测量模块框图，图中：1主控制器、2直接数字式频率合成器(DDS)模块、3滤波模块、4自动增益控制(AGC)模块、5测量电路、6检波器、7显示屏；
图3是误差提取装置的扫频测量模块的测量电路5原理图；
图4是误差提取装置的结构框图，图中：8信号运算模块、9扫频测量模块、10误差提取模块；
图5是误差提取装置的扫频测量模块9的原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明磁颗粒检测系统的误差提取方法利用相对独立的两种磁颗粒检测方式，通过理论值和测量值之间的对比，得到相对差值，进一步完成对目标值：感应线圈电感、感应线圈电压或者共振频率的误差提取。
本发明磁颗粒检测系统的误差提取方法首先通过测量得到的感应电压信号，反推得到磁化强度M，利用磁化强度M与感应线圈内部整体的磁导率μ之间的关系和感应线圈L与感应线圈内部整体的磁导率μ之间的关系，得到理论计算所得的感应线圈电感理论值L1。再通过测量感应线圈的电感，得到感应线圈电感测量值L2。最后算得感应线圈电感理论值与感应线圈电感测量值的差值ΔL，以此差值作为感应电感误差，再经理论计算可得到感应电压误差以及共振频率误差。
如图1所示，本发明误差提取方法首先测量感应线圈电压，获取感应线圈的电压值，利用感应线圈的电压值计算感应线圈的电感值；然后测量感应线圈电感值，利用感应线圈电感的测量值和理论值计算得到感应线圈的电感误差值，利用感应线圈的电感误差值计算得到感应线圈的电压误差值；利用感应线圈的电感误差值计算得到共振频率的误差值。
计算电感理论值的公式如下：
其中，Ms是饱和磁化强度，为郎之万方程 是郎之万方程的反函数，k为与线圈结构有关的恒定系数，是真空磁导率、线圈灵敏度以及线圈内部体积的乘积，m0是单个磁颗粒的磁矩，kB是玻尔兹曼常数，T是温度，H是激励线圈所激发的磁场的磁场强度；N1是激励线圈匝数，N2是感应线圈匝数，A是感应线圈截面面积，l是感应线圈长度，u是感应线圈电压，L是电感理论值。
感应线圈电感L理论值L1与测量值L2的差值ΔL为电感误差，
ΔL＝L1-L2
将下列算式整合，可得到感应线圈电压误差Δu：
Δu＝u2-u
其中，μmp是磁颗粒磁导率，μother是除磁颗粒以外感应线圈内其他物质对磁导率的贡献，Δμmp是对磁颗粒磁导率的修正值，x2是对郎之万方程自变量的修正后的结果，M2是磁化强度的修正后的结果，u2是感应线圈电压的修正后的结果。
共振频率误差Δf的计算方法如下：
Δf＝f2-f
其中，C是电路中的电容值，L是感应线圈电感，ΔL是感应线圈的电感误差，f2是考虑电感误差后得到的共振频率值，f是考虑电感误差前得到的共振频率值，Δf是共振频率误差。
本发明通过提取的误差信号，可完成对测量结果的校准，显著提高精度，也可通过对误差信号的进一步分析，增加对磁颗粒周边环境的认知，有助于磁颗粒成像效果的提升，使磁颗粒检测得以更加广泛的运用。
应用本发明误差提取方法的误差提取装置的结构如图4所示。本发明误差提取装置包含信号运算模块8、扫频测量模块9和误差提取模块10。信号运算模块8的输入端连接磁颗粒检测系统的感应线圈，测量感应线圈的电压，并计算感应线圈电感理论值；信号运算模块8的输出端连接误差提取模块10的输入端；扫频测量模块9的输入端连接磁颗粒检测系统的感应线圈，测量感应线圈的电感值，扫频测量模块9的输出端连接误差提取模块10的输入端。误差提取模块10获取电感的测量值和理论值，计算感应线圈电感误差、电压误差和共振频率误差。
信号运算模块8获取到感应线圈电压信号后，计算得到感应线圈电感值，传递给误差提取模块10；扫频测量模块9测量得到感应线圈电感值后，传递给误差提取模块10；误差提取模块10利用感应线圈电感的测量值和理论值，得到感应线圈电感误差信号，再计算得到感应线圈电压误差信号和共振频率误差信号。
信号运算模块8测量得到感应线圈电压信号，运用测得的感应电压u和相关物理理论，推导出感应线圈的电感L，得到感应线圈电感L的理论值L1，方法如下：
根据郎之万顺磁理论，可以得到感应电压u和感应线圈电感L的关系，结合激励磁场的具体选取情况，即可由u得到L,即理论值L1：
其中，Ms是饱和磁化强度，是郎之万方程的反函数，考虑到是非单调函数，故这里用分段函数表示。
信号运算模块8获取感应线圈电压u、激励磁场H，输出感应线圈电感L。考虑到线圈内禀参数k、A、N1、N2、l的输入，使用可编程逻辑器件(FPGA)将更为灵活。
如图2所示，扫频测量模块9包括主控制器1、直接数字式频率合成器(DDS)模块2、滤波模块3、自动增益控制(AGC)模块4、测量电路5、检波器6和显示屏7。
如图5所示，主控制器1采用ARM7单片机，ARM7单片机的输出端分别连接显示屏7的输入端和直接数字式频率合成器(DDS)模块2的输入端，直接数字式频率合成器(DDS)模块2的输出端连接滤波模块3的输入端，滤波模块3的输出端连接连接自动增益控制模块4的输入端，自动增益控制(AGC)模块4的输出端连接测量电路5的电源位置，测量电路5的LC串联电路的两端接检波器6的输入端，检波器6的输出端连接主控制器1的输入端。
扫频测量模块9通过串联谐振来完成对电感值的高精度测量。
测量电路5的结构如图3所示，待测电感L即为磁颗粒检测系统的感应线圈，两端有测试夹，用于连接感应线圈的两端。待测电感L和电容C串联，组成LC串联谐振电路。LC串联电路的两端作为输出，连接检波器6的输入，传递电压信号。
所述的直接数字式频率合成器(DDS)模块2在主控制器1的控制下生成扫频信号，通过滤波模块3消除高频噪声，再通过自动增益控制(AGC)模块4稳定输出电压，输入测量电路5，检波器6将信号整流后送至ARM7模块7处理，完成对DDS的反馈控制，并将结果显示在显示屏7上。
当扫频测量模块9工作时，磁颗粒检测系统感应线圈与测量电路5中的电容C串联，构成LC串联谐振电路。主控制器1控制直接数字式频率合成器(DDS)模块2进行扫频，经低通滤波、稳定、通入测量电路5后得到的电压信号通过检波器6整流后进入主控制器1进行判断。由于当频率处于LC谐振电路共振频率时，LC谐振电路电压最小，通过主控制器1在频率范围内搜索LC谐振电路端电压最小值，即可得到共振频率和通过LC谐振电路的最小电压。
所述的直接数字式频率合成器(DDS)模块2采用芯片AD9851，在主控制器1控制下进行扫频。主控制器1读取检波器6整流所得电压U0，并在扫频中寻找U0最小点，找到时记录此时频率和电压。
所述的滤波模块3采用低通椭圆滤波器，消除仪器噪声。
所述的自动增益控制(AGC)模块4通过负反馈实现输出电压的稳定。
如图3所示，所述的测量电路5包含感应线圈、串联电容C、基准电阻R2、传输线的电阻R1及正弦交流电源VSIN。扫频模块15中的自动增益控制(AGC)模块4的输出端作为正弦交流电源VSIN，即为测量电路5的输入端。感应线圈作为测量电路中的待测电感L，两端与测试夹连接，并与串联电容C串联，组成LC串联谐振电路，与基准电阻R2并联，两端作为测量电路5的输出端，再与传输线电阻R1及正弦交流电源VSIN串联，组成测量电路。当正弦交流电源VSIN扫频至谐振点时，检波器6检测到LC串联谐振部分的两端电压U0最小，并通过主控制器1记录此时的LC串联谐振部分的两端电压值和测量电路5的频率值。
测量电路5中，通过最小化串联谐振电路，即待测电感L和与电感串联的电容C两端的电压，得到共振频率f。
检波器6的输入端接测量电路5的LC串联谐振部分的两端，获取电压信号，并输出该信号的幅值，由输出端传递至主控制器1。
实际测量时将待测电感L两侧的测试夹夹在感应线圈的引线两端，通过主控制器1控制直接数字式频率合成器2，完成渐进式扫频，在LC串联谐振电路两端电压值达到最大时，由检波器6读取最大电压和此时的频率，经测量电路5共振频率和感应线圈电感之间关系进行计算，得到感应线圈电感的测量值。
误差提取模块10由感应线圈电感理论值和感应线圈电感测量值得到感应线圈电感误差，进一步得到感应线圈电压误差和共振频率误差。
感应线圈电感误差为感应线圈电感L理论值L1与测量值L2之间的差值：ΔL＝L1-L2。
感应线圈电压误差和共振频率误差由感应线圈电感误差ΔL进一步得到。根据需求，若需用感应电压信号波形的频谱的幅值来反映磁颗粒浓度的变化，则将下列算式整合即可得到感应线圈电压误差Δu：
Δu＝u2-u
其中，μmp是磁颗粒磁导率，μother是除磁颗粒以外感应线圈内其他物质对磁导率的贡献，Δμmp是对磁颗粒磁导率的修正值，x2是对郎之万方程自变量的修正后的结果，M2是磁化强度的修正后的结果，u2是感应线圈电压的修正后的结果。
感应线圈电压误差Δu作为补偿电压，弥补由于误差导致的电压变动，提高精度，并可借此分析磁颗粒周边环境，提高磁颗粒成像的效果。
若需用感应线圈电感和共振频率来反映磁颗粒浓度的变化，则利用下面两式计算共振频率误差Δf：
Δf＝f2-f
其中，C是电路中的电容值，L是感应线圈电感，ΔL是感应线圈的电感误差，f2是考虑电感误差后得到的共振频率值，f是考虑电感误差前得到的共振频率值，Δf是共振频率误差。
共振频率误差Δf作为补偿频率，弥补由于误差导致的共振频率变动，提高精度，并可借此分析磁颗粒周边环境，提高磁颗粒成像的效果。
误差提取模块10可以根据上述物理关系和相应逻辑电路实现，也可以通过可编程逻辑器件(FPGA)实现。考虑到有线圈内禀参数的输入，使用可编程逻辑器件(FPGA)将更为灵活。
Claims (5)
1.一种磁颗粒检测系统的误差提取方法，其特征是：所述方法利用两种相对独立的磁颗粒检测方式，以磁导率为隐变量建立感应线圈电压和感应线圈电感之间的联系，实现感应线圈电感理论值和测量值之间的误差提取，并由此得到感应电压误差和共振频率误差；具体步骤如下：
(1)通过测量得到感应线圈电压，并使用此感应线圈电压计算感应线圈电感理论值；
(2)通过测量感应线圈电感得到感应线圈电感测量值；
(3)计算感应线圈电感误差；
(4)计算感应线圈电压误差，计算频率误差得到共振频率误差，完成误差提取。
2.应用权利要求1所述的磁颗粒检测系统的误差提取方法的误差提取装置，其特征是：所述的误差提取装置包含信号运算模块(8)、扫频测量模块(9)和误差提取模块(10)；信号运算模块(8)的输入端连接磁颗粒检测系统的感应线圈，测量感应线圈的电压，并计算感应线圈电感理论值；信号运算模块(8)的输出端连接误差提取模块(10)的输入端；扫频测量模块(9)的输入端连接磁颗粒检测系统的感应线圈，测量感应线圈的电感值，扫频测量模块(9)的输出端连接误差提取模块(10)的输入端；误差提取模块(10)获取电感的测量值和理论值，计算感应线圈电感误差、电压误差和共振频率误差。
3.按照权利要求2所述的误差提取装置，其特征是：所述的扫频测量模块(9)包含主控制器(1)、直接数字式频率合成器(DDS)模块(2)、滤波模块(3)、自动增益控制(AGC)模块(4)、测量电路(5)、检波器(6)和显示屏(7)；
主控制器(1)采用ARM7单片机；ARM7单片机的输出端分别连接显示屏(7)的输入端和直接数字式频率合成器(DDS)模块(2)的输入端，直接数字式频率合成器(DDS)模块(2)的输出端连接滤波模块(3)的输入端，滤波模块(3)的输出端连接连接自动增益控制(AGC)模块(4)的输入端，自动增益控制(AGC)模块(4)的输出端连接测量电路(5)的电源端口；测量电路(5)的LC串联电路两端连接在检波器(6)的输入端，检波器(6)的输出端连接主控制器(1)的输入端。
4.按照权利要求2所述的误差提取装置，其特征是：所述的信号运算模块(8)运用测得的感应电压u，推导出感应线圈的电感L，得到感应线圈电感L的理论值L1，方法如下：
(1)首先通过感应电压u得到磁化强度M，表达式为：
<mrow>
<mi>M</mi>
<mo>=</mo>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mi>k</mi>
</mfrac>
<mo>&Integral;</mo>
<mi>u</mi>
<mi>d</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
考虑到当M＝0时，u＝0,故取初值M(0)＝0，式中，K为与线圈结构有关的恒定系数，是真空磁导率、线圈灵敏度以及线圈内部体积的乘积；
(2)再由磁化强度M得到关于磁导率μ的表达式，
由郎之万顺磁理论可知，
其中Ms是饱和磁化强度，为郎之万方程，x和磁颗粒磁导率μmp正相关：
<mrow>
<mi>x</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>m</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<msub>
<mi>&mu;</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</msub>
<mi>H</mi>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>k</mi>
<mi>B</mi>
</msub>
<mi>T</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，m0是单个磁颗粒的磁矩，kB是玻尔兹曼常数，T是温度，H是激励线圈所激发的磁场的磁场强度；
进一步考虑到磁颗粒检测系统中的感应线圈电感L与磁导率μ的关系：
<mrow>
<mi>L</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>&mu;</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>&mu;</mi>
<mrow>
<mi>o</mi>
<mi>t</mi>
<mi>h</mi>
<mi>e</mi>
<mi>r</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>)</mo>
<msub>
<mi>N</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<msub>
<mi>N</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mi>A</mi>
</mrow>
<mi>l</mi>
</mfrac>
</mrow>
其中，N1是激励线圈匝数，N2是感应线圈匝数，A是感应线圈横截面面积，l是感应线圈长度，μmp是磁颗粒磁导率，μother是除磁颗粒以外感应线圈内其他物质对磁导率的贡献，由磁颗粒检测装置在未放置磁颗粒时测得；
整理可得：
<mrow>
<msub>
<mi>&mu;</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>L</mi>
<mi>l</mi>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>N</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<msub>
<mi>N</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mi>A</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>&mu;</mi>
<mrow>
<mi>o</mi>
<mi>t</mi>
<mi>h</mi>
<mi>e</mi>
<mi>r</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
由于磁颗粒是铁磁材料，其磁导率将会远大于线性磁导率的材料的磁导率μother，且考虑到非铁磁性材料磁导率通常很小，故这里使用：
<mrow>
<msub>
<mi>&mu;</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>L</mi>
<mi>l</mi>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>N</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<msub>
<mi>N</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mi>A</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
进行近似；
(3)整理以上表达式，得到感应电压u和感应线圈电感L的关系，结合激励磁场的具体选取情况，即由感应电压u得到感应线圈电感L，即感应线圈电感理论值L1：
其中是郎之万方程的反函数。
5.按照权利要求2所述的误差提取装置，其特征是：所述的误差提取模块(10)由感应线圈电感理论值和感应线圈电感测量值得到感应线圈电感误差，进一步得到感应线圈电压误差和共振频率误差；
感应线圈电感误差为感应线圈电感L理论值L1与测量值L2之间的差值：
ΔL＝L1-L2
感应线圈电压误差和共振频率误差由感应线圈电感误差ΔL进一步得到：
根据需求，若需用感应电压信号波形的频谱的幅值来反映磁颗粒浓度的变化，则将下列算式整合即可得到感应线圈电压误差Δu：
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;&mu;</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>L</mi>
<mi>l</mi>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>N</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<msub>
<mi>N</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mi>A</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>&mu;</mi>
<mrow>
<mi>o</mi>
<mi>t</mi>
<mi>h</mi>
<mi>e</mi>
<mi>r</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mi>x</mi>
<mn>2</mn>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>m</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>&mu;</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>&Delta;&mu;</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>H</mi>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>k</mi>
<mi>B</mi>
</msub>
<mi>T</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
<mrow>
<mi>u</mi>
<mn>2</mn>
<mo>=</mo>
<mo>-</mo>
<mi>k</mi>
<mfrac>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>M</mi>
<mn>2</mn>
</mrow>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
Δu＝u2-u
其中，μmp是磁颗粒磁导率，μother是除磁颗粒以外感应线圈内其他物质对磁导率的贡献，Δμmp是对磁颗粒磁导率的修正值，x2是对郎之万方程自变量的修正后的结果，M2是磁化强度的修正后的结果，u2是感应线圈电压的修正后的结果；
感应线圈电压误差Δu作为补偿电压，弥补由于误差导致的电压变动，或用于对周边环境进行探测，提高磁颗粒成像的效果；
若需用感应线圈电感和共振频率来反映磁颗粒浓度的变化，则利用下面两式计算共振频率误差Δf：
<mrow>
<mi>f</mi>
<mn>2</mn>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>&pi;</mi>
<msqrt>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>L</mi>
<mo>+</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>L</mi>
<mo>)</mo>
<mi>C</mi>
</mrow>
</msqrt>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
Δf＝f2-f
其中，C是电路中的电容值，L是感应线圈电感，ΔL是感应线圈的电感误差，f2是考虑电感误差后得到的共振频率值，f是考虑电感误差前得到的共振频率值，Δf是共振频率误差；
共振频率误差Δf作为补偿频率，弥补由于误差导致的共振频率变动，或用于对周边环境进行探测，提高磁颗粒成像的效果。
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Granted publication date: 20191001 Termination date: 20201026 |