CN114264988B

CN114264988B - 一种用于测量毫米级平面方形电感磁场强度的装置

Info

Publication number: CN114264988B
Application number: CN202111617636.7A
Authority: CN
Inventors: 田磊; 郑羽; 刘绮雯
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2023-10-10
Anticipated expiration: 2041-12-28
Also published as: CN114264988A

Abstract

本发明公开了一种用于测量毫米级平面方形电感磁场强度测量装置，属于生物医学工程领域，实现了检测线圈(Detection coil：DC)和激励线圈(Excitation coil：EC)尺寸比例为1≤S_DC/S_EC＜3时，磁场强度的测量误差为0.05mT，相对误差为2.38％。步骤为：搭建毫米级平面方形电感磁场强度测量装置，推导平面方形螺旋线圈互感系数的计算公式，采用COMSOL构建激励线圈和检测线圈间的互感模型，测量了尺寸为3.6mm×3.6mm和5.5mm×5.5mm两款毫米级微线圈的磁场强度。

Description

一种用于测量毫米级平面方形电感磁场强度的装置

技术领域

本发明属于生物医学工程技术领域，具体涉及一种用于测量毫米级平面方形电感磁场强度的装置。

背景技术

微磁刺激(Micro-magnetic stimulation，μMS)是一种新兴的神经刺激技术，有望彻底改变人类神经系统的治疗刺激。该技术是采用毫米级微电感，通入时变的电流，在组织的聚焦区域产生磁场来实现刺激。2014年，Yang等人设计了一种基于法拉第电磁感应原理的高频脉冲磁场测量装置，测量频率为20-30kHz、幅度为10-20mT。2009年，Miyagi等人开发了一种用硅钢片的高磁通流量测量系统，测量强度达到2T以上。2013年，Chen等人研究了高频脉冲磁场强度测量技术，测量频率为0.5～1.5MHz，激励线圈直径为15cm，检测线圈直径为1.28cm。2017年，George等人提出了一种基于气相铷作为计量标准测量脉冲磁场的新技术，测量强度达到1T以上。2018年，Liu等人提出了一种基于光电机械系统的微弱磁场检测方法，测量精度为0.1nT，磁场测量频率和幅度范围未提及。2018年，Li等人研究了一种采用阵列式霍尔传感器的磁场测量方法，用于测量恒定磁场，测量误差低于0.1％。2018年，Huang等人设计了一个基于电磁感应的交变磁场的测量电路，检测线圈采用半径0.1m，匝数400的亥姆霍兹线圈，测量误差在5％以内。

上述磁场测量系统的频率、磁场强度的测量范围均不适用于毫米级微电感产生的弱磁场。线圈之间的互感是磁场强度计算的一个关键参数，可根据互感间接测量磁场强度，目前在无线电传输系统中对于互感模型的研究有很多。2014年，Joy等人提出了一种平面上不同位置的两个等大空心方形线圈间互感的解析方法，相对误差小于10％；2014年，Raju等人提出了两个平面电感间的互感模型，预测了不同轴向和横向位移下电感器的互感，误差小于10％；2017年，Wu等人提出了一个用于计算不同尺寸矩形线圈间互感的解析模型，互感系数的测量误差小于3.0％。

上述互感模型的研究都是针对直径(边长)厘米以上的线圈，但没从微线圈和电路设计的角度研究不同位置下微线圈间互感的计算。微线圈由于尺寸小磁场弱，并且测量过程需要精确控制检测线圈和被测线圈之间的水平位置，给磁场强度的测量带来困难。因此，本文研究不同位置和尺寸的毫米级平面方形螺旋线圈的互感模型，并设计了一款用于微线圈弱磁场测量装置，验证了其有效性。

发明内容

本发明的目的是测量微线圈产生的高频弱磁场，提出了一种用于测量毫米级平面方形电感磁场强度的装置。

发明技术方案是：

毫米级平面方形电感磁场强度的测量装置，主要用于毫米级平面方形螺旋线圈磁场强度的测量，方法如下：

(1)毫米级平面方形电感磁场强度测量装置的设计

微弱磁场检测装置的机械结构基于千分尺搭建：采用三量数显千分尺，测量范围为0-25mm，测量精度为0.001mm；为了方便测量过程中两线圈相对距离d的读数，通过调节origin按钮，设置两线圈初始位置的距离d为0.000μm、。激励线圈固定在尺寸为2cm×4cm的C板上，为保证C板能稳定固定在千分尺的测微螺杆B上，C板的圆孔直径为6.3mm(测微螺杆B的直径)；检测线圈直接固定在千分尺的测钻端A；在测量过程中，检测线圈位置固定，通过调节螺旋杆B的位置，改变激励线圈和检测线圈的距离d，具体见图1。

A.信号源模块

信号源模块主要包括SDG1020信号源、功率放大模块和散热电阻三部分。SDG1020信号源提供激励线圈所需的信号，由于输出电流驱动能力不够，采用功率放大模块，将信号源输出的信号放大44倍，并进行功率放大；由于激励线圈尺寸小，其电感和电阻数值都很小，需要在电路串联一个散热电阻对激励线圈进行过热保护，散热电阻型号为RX24-100W-10Ω，最大承载电流3.16A。

B.检测模块

检测模块是微弱磁场检测的核心，本设计主要有AD8130差分放大电路和NE5532构成的放大电路组成。AD8130差分放大电路：实现对差分信号的提取，并将信号放大2倍。放大电路：本设计采用两片NE5532实现4级同相放大电路，放大倍数分别为：2.4倍、9.5倍、4倍和1.9倍。

C.微线圈模块

根据功能的不同，微线圈分为激励线圈(Excitation coil：EC)和检测线圈(Detection coil：DC)。激励线圈在空中产生交变磁场，检测线圈用于接收磁场。为了避免微线圈在制作过程中产生的差异，在印刷电路板上和柔性印刷电路板上制作不同规格参数的平面方形螺旋线圈，编号为1-5号(Coil_1～Coil_5)：尺寸依次分别为：3.6mm×3.6mm、5.5mm×5.5mm、11.4mm×11.4mm、16.8mm×16.8mm和8.5mm×8.5mm；匝数依次为：8匝、8匝、16匝、26匝和10匝；电感量依次为：145nH、235nH、1093nH、3480nH和511nH；

编号为Coil_1的微线圈在柔性印刷电路板上制作，微线圈线厚为35μm，线宽为110μm，线间距为70μm；

编号为Coil_2～Coil_5在印刷电路板上制作，微线圈线厚为35μm，线间距依次为150μm、150μm、150μm、200μm；线宽依次为150μm、150μm、150μm、200μm。

其中，激励线圈选用线圈Coil_1，Coil_2，检测线圈选用Coil_1，Coil_2，Coil_3，Coil_4和Coil_5。

(2)微线圈互感系数的预测

推导了两个平面方形螺旋线圈互感系数的计算公式，采用COMSOL构建激励线圈和检测线圈间的互感模型，在仿真过程中通入10～88mV，70kHz的正弦信号，测量结果表明：

当1≤S_DC/S_EC＜3时，微线圈互感模型的建模值和理论值相对误差为2.61％，适应于微线圈间互感系数的预测；当S_DC/S_EC＝3时，微线圈的互感系数建模值和理论值相对误差为15.43％，不适于微线圈间互感系数的预测。

(4)磁场强度测量装置准确度的实际测量

测量尺寸为3.6mm×3.6mm(Coil_1)和5.5mm×5.5mm(Coil_2)平面方形螺旋线圈在空间Z方向的磁场强度，该线圈输入10～87.5mV，70kHz的正弦信号，测量结果表明：

当1≤S_DC/S_EC＜3时，磁场强度的测量误差为0.05mT，相对误差为2.38％，满足毫米级平面方形电感磁场强度测量准确度的要求；当S_DC/S_EC＝3时，磁场强度的测量误差为0.11mT，相对误差为13.63％，不满足毫米级平面方形电感磁场强度测量准确度的要求。

本发明的优点和积极效果是：

本文分析了不同位置下不同尺寸的毫米级平面方形螺旋线圈的互感模型，基于互感模型提出了一种新的微弱磁场检测装置，测量结果表明：该微弱磁场检测装置，检测线圈和激励线圈尺寸比例1≤S_DC/S_EC＜3，能用于互感系数的测量和磁场强度的测量；互感系数测量误差为2.61％，磁场强度的测量误差为0.05mT，相对误差为2.38％。该研究为微磁刺激的定量靶向刺激提供了有效的测量手段，具有重要的参考意义。

附图说明

图1是微弱磁场测量平台装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

实施方式一：

第一步：微线圈磁场检测装置的机械结构设计和搭建，主要包括信号源模块、检测模块和微线圈模块三部分。

第二步：推导了两个平面方形螺旋线圈互感系数的计算公式；

第三步：采用COMSOL有限元构建激励线圈和检测线圈的互感模型，激励线圈选用Coil_1和Coil_2，检测线圈选用Coil_1、Coil_2、Coil_3、Coil_4和Coil_5；

第四步：互感系数的理论值和建模值对比分析；

第五步：测量尺寸为5.5mm×5.5mm(Coil_2)平面方形螺旋线圈磁场强度，通入10～87.5mV，70kHz的正弦信号；

第六步：测量尺寸为3.6mm×3.6mm(Coil_1)平面方形螺旋线圈磁场强度，通入10～87.5mV，70kHz的正弦信号；

第七步：根据上述第四、五、六步骤总结出该微弱磁场检测装置的测量准确度和适用范围。

Claims

1.一种用于测量毫米级平面方形电感磁场强度的装置，其特征在于，包括

毫米级平面方形电感磁场强度测量装置，主要用于毫米级平面方形螺旋线圈磁场强度的测量，方法如下：

(1)毫米级平面方形电感磁场强度测量装置的设计

对所述毫米级平面方形电感磁场强度测量装置进行了设计，该装置主要由信号源模块、检测模块和微线圈模块三个部分组成，其中，

信号源模块主要包括SDG1020信号源、功率放大模块和散热电阻；

检测模块主要包括AD8130差分放大电路，放大倍数为2倍；由NE5532运算放大器构成4级同相放大电路，放大倍数依次分别为：2.4倍、9.5倍、4倍和1.9倍；

微线圈模块主要由编号Coil_1～Coil_5的微线圈组成，微线圈的尺寸依次分别为：3.6mm×3.6mm、5.5mm×5.5mm、11.4mm×11.4mm、16.8mm×16.8mm和8.5mm×8.5mm；匝数依次为：8匝、8匝、16匝、26匝和10匝；电感量依次为：145nH、235nH、1093nH、3480nH和511nH；其中，激励线圈(Excitation coil：EC)选用线圈Coil_1，Coil_2，检测线圈(Detection coil：DC)选用Coil_1，Coil_2，Coil_3，Coil_4和Coil_5；

(2)微线圈互感系数的预测

对所述毫米级平面方形电感磁场强度测量装置的互感系数预测，推导了两个平面方形螺旋线圈互感系数的计算公式，采用COMSOL构建激励线圈和检测线圈间的互感模型；在仿真过程中通入10～88mV，70kHz的正弦信号，结果表明：

当1≤S_DC/S_EC＜3时，微线圈互感模型的建模值和理论值相对误差为2.61％，适应于微线圈间互感系数的预测；当S_DC/S_EC＝3时，微线圈的互感系数建模值和理论值相对误差为15.43％，不适于微线圈间互感系数的预测；

其中，S_DC表示检测线圈的尺寸，S_EC表示激励线圈的尺寸；

(3)磁场强度测量装置准确度的实际测量

对所述毫米级平面方形电感磁场强度测量装置进行实际测量，通入10～87.5mV，70kHz的正弦信号，结果表明：

当1≤S_DC/S_EC＜3时，磁场强度的测量误差为0.05mT，相对误差为2.38％，满足毫米级平面方形电感磁场强度测量准确度的要求。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量毫米级平面方形电感磁场强度的装置，其特征在于，所述编号Coil_1～Coil_5的微线圈在制作方法上具体为：

(1)编号为Coil_1的微线圈在柔性印刷电路板上制作，微线圈线厚为35μm，线宽为110μm，线间距为70μm；

(2)编号为Coil_2～Coil_5在印刷电路板上制作，微线圈线厚为35μm，线间距依次为150μm、150μm、150μm、200μm；线宽依次为150μm、150μm、150μm、200μm。