CN111952035B - 一种摆动磁场发生装置及其控制方法 - Google Patents

一种摆动磁场发生装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种摆动磁场发生装置及其控制方法，所述装置包括一个输出电压可调的直流电源U，一个电容C，一个电阻R1，四个二极管D1～D4，五个开关S1～S5，三个可控硅Q1～Q3，三组线圈L1～L3；三组线圈共用一个高压直流电源和高压电容；在直流电源U对电容C每次充电后，在微控制器的作用下依次让电流经过线圈L1，L2，L3产生摆动磁场，实现在三组正交线圈轴上输出摆动磁场。本发明高压电容通过一次充电依次在三轴线圈中放电，能产生高强度磁场，不但节能，而且显著提高摆动磁场频率。

Description

一种摆动磁场发生装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种摆动磁场发生装置，特别涉及用于生物或者细胞研究的摆动磁场发生装置及控制方法。
背景技术
随着生物医学的不断进步，人们越来越关注生存环境的安全问题。现有的摆动磁场的装置一般是通过直流电源对线圈供电的通断及方向切换来实现，摆动磁场难以做到高场强及快速切换。
发明内容
本发明的目的是克服现有摆动磁场发生装置的不足，提出一种利用自动切换电路和高压电容对线圈放电来实现摆动磁场的装置。本发明可实现XYZ三坐标轴方向的摆动磁场，采用微控制器来控制摆动磁场的幅值。本发明也可以实现任意数量线圈的磁场切换，产生摆动磁场；
本发明采用的技术方案是：一种开关自动切换依次产生正弦脉冲的摆动磁场发生装置，包括一个输出电压可调的直流电源U，一个电容C，一个电阻R1，四个二极管D1～D4，五个开关S1～S5，三个可控硅Q1～Q3，三组线圈L1～L3；电路的连接方式具体为：
直流电源U正极经过开关S1连接到节点a，直流电源负极连接到节点b；高压电容C的两端连接到节点a和节点b；二极管D4的阳极接节点b，二极管D4的阴极串联开关S2和电阻R1后连接到节点a；
可控硅Q1阳极连接节点a，阴极连接节点c；二极管D1阴极连接节点a，二极管D1的阳极和开关S3串联后连接到节点c；线圈L1两端连接节点c和节点b；节点b连接到地线GND；
可控硅Q2阳极连接节点a，阴极连接节点d；二极管D2阴极连接节点a，二极管D2的阳极和开关S4串联后连接到节点d；线圈L2两端连接节点d和节点b；
可控硅Q3阳极连接节点a，阴极连接节点e；二极管D3阴极连接节点a，二极管D3的阳极和开关S5串联后连接到节点e；线圈L3两端连接节点e和节点b；在直流电源U对电容C每次充电后，在微控制器的作用下依次让电流经过线圈L1，L2，L3产生摆动磁场。
进一步的，所述三组线圈是两两相互垂直亥姆霍兹线圈，或者是两两相互垂直方形单线圈，并且从大尺寸到小尺寸嵌套安装，三组线圈L1～L3的中心轴依次对应摆动磁场发生装置的轴，三个线圈的轴线交于坐标原点。
进一步的，所述的三组线圈L1～L3替换为两组，或者替换为更多组线圈；每组线圈中至少包括一个线圈。
进一步的，所述各组线圈之间的位置为：相互垂直放置，或者非垂直放置，设置成互相之间按照一定角度放置。
进一步的，所述线圈是亥姆霍兹线圈、Maxwell线圈、或者两个平行串联或者反串联的线圈，或者是一个单线圈。
进一步的，微控制器控制开关切换电路中开关S1～S5的接通与断开；微控制器通过触发电路触发导通开关切换电路中可控硅Q1～Q3；通过触发电路触发导通开关切换电路中可控硅Q1～Q3产生摆动磁场；微控制器控制高压直流电源U的输出电压，并能够检测C两端的电压，以及检测到可控硅Q1～Q3中的电流过零。
进一步的，所述直流电源为高压直流电源，所述电容为高压电容，所述高压是指电压值在3-20kV。
进一步的，包括如下步骤：
高压直流电源给电容充电后，然后在微控制器的作用下依次对X，Y，Z线圈放电，实现坐标原点附近XYZ轴上场强均匀分布或者梯度均匀分布的摆动磁场。
根据本发明的另一方面，还提出一种利用前述摆动磁场发生装置产生摆动磁场的控制方法，包括如下步骤：
步骤(1)将开关S1，S4闭合，开关S2、S3、S5断开，微控制器控制高压直流电源U开始对电容C充电；
步骤(2)微控制器不断检测电容C两端电压直到电容C两端电压上升到给定的电压V，或者等待预定长时间，保证电容C两端电压上升到给定的电压V，断开充电回路即S1断开；
步骤(3)触发可控硅Q1导通，使得电容C对线圈L1放电；这时通过线圈L1的电流先增加、后减小，直到为0，同时电容C上电压先降低，然后反向充电达到最大值，这时微控制器控制可控硅Q1自动断开，使得在X轴上产生一个半波正弦脉冲磁场。之后电容C经过线圈L2，开关S4，二极管D2开始放电，通过线圈L2的电流先增加，后减小，直到为0，同时，电容C上电压先降低，然后正向充电达到最大值，使得在Y轴上产生一个半波正弦脉冲磁场。
步骤(4)当线圈L2上的电流减小到0时，断开开关S4，触发可控硅Q3使得电容C对线圈L3放电；这时电路中通过L3的电流先增加，后减小，直到为0，使得在Z轴上产生一个半波正弦脉冲磁场。
步骤(5)重复步骤(1)～(4)，实现在XYZ轴上的摆动磁场。
优选的，本发明的三组线圈L1-L3在控制电路上完全相同，所以可以通过控制开关S1～S5的切换次序，可以实现三组线圈中产生脉冲波形的次序及脉冲的方向。
进一步的，在步骤(5)中最后一个正向波形时，闭合开关S2，线圈L3的放电电流经过二极管D4、电阻R1和开关S2释放，使得电容C上最后无电压。
有益效果：
本发明通过电容放电的方式提高通过线圈组中的电流，从而能显著提高产生磁场的强度，通过一次充电依次在三轴线圈中放电不但节能，而且显著提高摆动磁场频率。本装置为研究摆动磁场对细胞、生物的作用提供了一种可用装置。
现有的摆动磁场一般是用电源直接通过开关切换实现，磁场幅值难以做到很高，关键是频率难以达到很快。现有摆动磁场幅度一般小于10mT，频率为几赫兹级别。利用本发明的方法磁场幅值可以做到100mT以上，频率可以提高到几十赫兹甚至更高。三个线圈的放电频率仅仅取决于闭合回路的电容、电感。在电感、电容很小的情况下，频率可以做到很高。
附图说明
图1是本发明的一种摆动磁场发生装置电路示意图；
图2是三组线圈为三个矩形线圈时的配置图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明的摆动磁场发生***包括高压直流电源U，一个高压电容C,一个电阻R1，四个二极管D1～D4，五个开关S1～S5，三个可控硅Q1～Q3，三组线圈L1～L3。
根据本发明的一个实施例，所述的三组线圈L1～L3可替换为两组，，或者可以有更多组线圈；每组线圈中至少包括一个线圈；当只有两组线圈时，相当于三轴线圈缺少一个轴。对应的，当只有两组线圈时，电路中只包括两条线圈充放电支路；同理，当有多组线圈时，对应包括多条线圈充放电放电支路。
XYZ三对线圈的电感对应为L1，L2，L3根据嵌套关系有L1>L2>L3。
微控制器控制开关切换电路中开关S1～S5的接通与断开；微控制器通过触发电路可以触发导通开关切换电路中可控硅Q1～Q3。通过触发电路可以触发导通开关切换电路中可控硅Q1～Q3产生摆动磁场。微控制器可以控制高压直流电源U的输出电压，可以检测C两端的电压，可检测到Q1～Q3中的电流过零。为了表达的简洁性，这里省去了微控制器、触发电路及其他常用电路等。
上述的各组线圈之间可以相互垂直放置，或者可以根据需要非垂直放置，设置成互相之间有一定角度放置。
每组线圈可以是亥姆霍兹线圈、Maxwell线圈、或者两个平行串联或者反串联的线圈，也可以是一个线圈。
优先的，本发明中的三组线圈可以是两两相互垂直亥姆霍兹线圈，也可以是两两相互垂直方形单线圈，如图2所示，并且从大尺寸到小尺寸嵌套安装，三组线圈L1～L3的中心轴依次对应摆动磁场发生装置的X,Y,Z轴，三个线圈的轴线交于坐标原点O。
参见图1所示，高压直流电源U正极经过开关S1连接到节点a，高压直流电源负极连接到节点b；高压电容C的两端分别连接到节点a和节点b；二极管D4的阳极接节点b，D4的阴极串联电阻R1和开关S2后连接到节点a。
可控硅Q1阳极连接节点a，阴极连接节点c；二极管D1阴极连接节点a，D1的阳极和开关S3串联后连接到节点c；线圈L1两端分别连接节点c和节点b，节点b连接到GND。
可控硅Q2阳极连接节点a，阴极连接节点d；二极管D2阴极连接节点a，D2的阳极和开关S4串联后连接到节点d；线圈L2两端连接节点d和节点b。
可控硅Q3阳极连接节点a，阴极连接节点e；二极管D3阴极连接节点a，D3的阳极和开关S5串联后连接到节点e；线圈L3两端连接节点e和节点b。
本发明在产生磁场时，先在高压直流电源U对电容C充电，然后在微控制器的控制下，自动控制三个可控硅Q1-Q3的导通和关断，从而实现在一次充放电的情况下，依次让电流经过L1，L2，L3产生磁场，由于L1、L2、L3线圈位于不同的方位，因此能够产生摆动磁场。
本发明是在所述的高压电容，最高电压值范围为3～20kVDC；通过L1-L3依次对线圈放电来实现XYZ轴上的摆动磁场，其实现方法如下述：
步骤(1)将开关S1，S4闭合，开关S2、S3、S5断开，微控制器(图中未示出)控制高压直流电源U开始对电容C充电；
步骤(2)微控制器不断检测电容C两端电压直到电容C两端电压上升到给定的电压V，或者等待预定长时间，保证电容C两端电压上升到给定的电压V，断开充电回路即S1断开；
步骤(3)触发可控硅Q1导通，使得电容C对线圈L1放电；这时通过线圈L1的电流先增加、后减小，直到为0，同时电容C上电压先降低，然后反向充电达到最大值，这时微控制器控制可控硅Q1自动断开，使得在X轴上产生一个半波正弦脉冲磁场。之后电容C经过线圈L2，开关S4，二极管D2开始放电，通过线圈L2的电流先增加，后减小，直到为0，同时，电容C上电压先降低，然后正向充电达到最大值，使得在Y轴上产生一个半波正弦脉冲磁场。
步骤(4)当线圈L2上的电流减小到0时，断开开关S4，触发可控硅Q3使得电容C对线圈L3放电；这时电路中通过L3的电流先增加，后减小，直到为0，使得在Z轴上产生一个半波正弦脉冲磁场。
步骤(5)重复步骤(1)～(4)，实现在XYZ轴上的摆动磁场。
优选的，本发明的三组线圈L1-L3在控制电路上完全相同，所以可以通过控制开关S1～S5的切换次序，可以实现三组线圈中产生脉冲波形的次序及脉冲的方向。
根据本发明的一个优选实施例，在步骤(5)中最后一个正向波形时，若闭合S2，L3的放电电流经过D4、R1和开关S2释放，则电容C上最后无电压。否则C上还可能有电压存在。
现有的摆动磁场一般是用电源直接通过开关切换实现，磁场幅值难以做到很高，关键是频率难以达到很快。现有摆动磁场幅度一般小于10mT，频率为几赫兹级别。利用本发明的方法磁场幅值可以做到100mT以上，频率可以提高到几十赫兹甚至更高。三个线圈的放电频率仅仅取决于闭合回路的电容、电感。在电感、电容很小的情况下，频率可以做到很高。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种开关自动切换依次产生正弦脉冲的摆动磁场发生装置，其特征在于：包括一个输出电压可调的直流电源U，一个电容C，一个电阻R1，四个二极管D1～D4，五个开关S1～S5，三个可控硅Q1～Q3，三组线圈L1～L3；电路的连接方式具体为：
直流电源U正极经过开关S1连接到节点a，直流电源负极连接到节点b；高压电容 C的两端连接到节点a和节点b；二极管D4的阳极接节点b，二极管D4的阴极串联开关S2和电阻R1后连接到节点a；
可控硅Q1阳极连接节点a，阴极连接节点c；二极管D1阴极连接节点a，二极管D1的阳极和开关S3串联后连接到节点c；线圈L1两端连接节点c和节点b；节点b连接到地线GND；
可控硅Q2阳极连接节点a，阴极连接节点d；二极管D2阴极连接节点a，二极管D2的阳极和开关S4串联后连接到节点d；线圈L2两端连接节点d和节点b；
可控硅Q3阳极连接节点a，阴极连接节点e；二极管D3阴极连接节点a，二极管D3的阳极和开关S5串联后连接到节点e；线圈L3两端连接节点e和节点b；在直流电源U对电容C每次充电后，在微控制器的作用下依次让电流经过线圈L1，L2，L3产生摆动磁场；
通过控制开关S1～S5的切换次序，实现三组线圈中产生脉冲波形的次序及脉冲的方向。
2.根据权利要求1所述的一种开关自动切换依次产生正弦脉冲的摆动磁场发生装置，其特征在于：
所述三组线圈是两两相互垂直亥姆霍兹线圈，或者是两两相互垂直方形单线圈，并且从大尺寸到小尺寸嵌套安装，三组线圈L1～L3的中心轴依次对应摆动磁场发生装置的X，Y，Z轴，三个线圈的轴线交于坐标原点O。
3.根据权利要求1所述的一种开关自动切换依次产生正弦脉冲的摆动磁场发生装置，其特征在于：
所述的三组线圈L1～L3替换为两组，或者替换为更多组线圈；每组线圈中至少包括一个线圈。
4.根据权利要求1所述的一种开关自动切换依次产生正弦脉冲的摆动磁场发生装置，其特征在于：
所述各组线圈之间的位置为：相互垂直放置，或者非垂直放置，设置成互相之间按照一定角度放置。
5.根据权利要求1所述的一种开关自动切换依次产生正弦脉冲的摆动磁场发生装置，其特征在于：
所述线圈是亥姆霍兹线圈、Maxwell线圈、或者两个平行串联或者反串联的线圈，或者是一个单线圈。
6.根据权利要求1所述的一种开关自动切换依次产生正弦脉冲的摆动磁场发生装置，其特征在于：
微控制器控制开关切换电路中开关S1～S5的接通与断开；微控制器通过触发电路触发导通开关切换电路中可控硅Q1～Q3；通过触发电路触发导通开关切换电路中可控硅Q1～Q3产生摆动磁场；微控制器控制高压直流电源U的输出电压，并能够检测C两端的电压，以及检测到可控硅Q1～Q3中的电流过零。
7.根据权利要求1所述的一种开关自动切换依次产生正弦脉冲的摆动磁场发生装置，其特征在于：
所述直流电源为高压直流电源，所述电容为高压电容，所述高压是指电压值在3-20kV。
8.根据权利要求2所述的一种开关自动切换依次产生正弦脉冲的摆动磁场发生装置，其特征在于：
直流电源U给电容充电后，然后在微控制器的作用下依次对X，Y，Z轴的线圈放电，实现坐标原点附近XYZ轴上场强均匀分布或者梯度均匀分布的摆动磁场。
9.一种利用权利要求1～8任一所述的摆动磁场发生装置产生摆动磁场的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1）将开关S1，S4闭合，开关S2、S3、S5断开，微控制器控制高压直流电源U开始对电容C充电；
步骤（2）微控制器不断检测电容C两端电压直到电容C两端电压上升到给定的电压V，或者等待预定长时间，保证电容C 两端电压上升到给定的电压V，断开充电回路即S1断开；
步骤（3）触发可控硅Q1导通，使得电容C对线圈L1放电；这时通过线圈L1的电流先增加、后减小，直到为0，同时电容C上电压先降低，然后反向充电达到最大值，这时微控制器控制可控硅Q1自动断开，使得在X轴上产生一个半波正弦脉冲磁场。之后电容C经过线圈L2，开关S4，二极管D2开始放电，通过线圈L2的电流先增加，后减小，直到为0，同时，电容C上电压先降低，然后正向充电达到最大值，使得在Y轴上产生一个半波正弦脉冲磁场；
步骤（4） 当线圈L2上的电流减小到0时，断开开关S4，触发可控硅Q3使得电容C对线圈L3放电；这时电路中通过L3的电流先增加，后减小，直到为0， 使得在Z轴上产生一个半波正弦脉冲磁场；
步骤（5）重复步骤（1）～（4），实现在XYZ轴上的摆动磁场；
三组线圈L1-L3在控制电路上完全相同，所以通过控制开关S1～S5的切换次序，能够实现三组线圈中产生脉冲波形的次序及脉冲的方向。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，在步骤（5）中最后一个正向波形时，闭合开关S2，线圈L3的放电电流经过二极管D4、电阻R1和开关S2释放，使得电容C上最后无电压。
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