专利名称：一种脉冲强磁场发生装置的制作方法
技术领域：
本发明内容属于电磁技术领域，涉及一种脉冲发生装置，尤其是一种脉冲强磁场发生装置。
背景技术：
磁场较之电场对生物组织有良好的穿透性，用脉冲磁场辐照生物组织可以产生很多生物效应，诸如刺激运动神经，检测神经的状态；诱发靶点处的铁磁纳米材料产热，杀死癌细胞；促使细胞膜破裂，进行细胞融合等。现有的脉冲磁场发生装置，为了产生比较强的磁场，线圈中加有导磁率高的铁磁性材料，这样做的结果是其一线圈的自感很大，di/dt值比较小，产生的脉冲磁场上升沿比较缓，与理想的矩形脉冲磁场相差比较大；其二由于铁磁性材料的使用，脉冲磁场被约束在线圈内或铁磁材料的间隙中，使脉冲磁场的作用区域变小，限制了此类装置的应用领域。 由于对脉冲磁场发生装置缺乏有效的控制，所产生脉冲磁场的参数控制得不到有效的保证，直接影响了脉冲磁场发生装置的使用。鉴于对现有脉冲磁场发生装置背景技术的分析和实际应用的需求，研究一种新的脉冲强磁场发生装置以满足科研和实际应用的需要是非常必要的。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术在应用过程中暴露出的问题，提供一种脉冲强磁场发生装置，该脉冲强磁场发生装置产生的脉冲磁场强度大，磁场作用区域大、脉冲磁场的波形近乎矩形波，并且可以有效控制磁场的幅值、频率和脉宽。要解决的技术问题⑴用空心线圈代替有铁芯的线圈；⑵通过控制电容器中储存的电场能量，保证脉冲磁场幅值的精准；(3)采集所产生的脉冲磁场的信息，并反馈给充电控制，适时调整蓄能的状态；(4)蓄能与释能相互不影响；(5)提供线圈反向电流的释放回路；(6)备有强制电能泄放通路；(7)释能开关无触点并能通过大电流；⑶电路简单，可靠性高；(9)设备使用环境没有特殊的要求。本发明的目的是通过以下技术方案来解决的一种脉冲强磁场发生装置，包括电源、第一控制单元、蓄能开关、蓄能电容、第二控制单元、释能开关、换能器、第一采样单元、第二采样单元和主控电路；所述电源、第一控制单元、蓄能开关、蓄能电容、第二控制单元、释能开关和换能器依次正向连接；所述换能器通过第二采样单元与第一控制单元连接；所述蓄能电容通过第一采样单元与第一控制单元连接；所述主控电路分别与第一控制单元和第二控制单元连接。所述第一采样单元包括串联的第一电阻和第二电阻、串联的第三电阻和第四电阻、串联的第十七电阻和第十八电阻、第一比较器；所述第十七电阻和第十八电阻之间设置有电位器，电位器一端与第一电阻连接，电位器另一端与第十八电阻连接；所述第三电阻一端连接5v电源、另一端连接第一比较器的正端；所述第二电阻一端连接第一比较器的负端，第二电阻另一端接地；所述第一比较器的输出端与第一控制单元的被控制端连接；所述第十七电阻的一端与蓄能电容的正极板连接；所述第十八电阻的接地端与蓄能电容的负极板连接。所述第二采样单元包括串联的第二十电阻和第二十一电阻、串联的第二十二电阻和第二十三电阻、第二比较器；所述第二十电阻一端连接第二比较器的负端、第二十电阻的另一端连接采样小线圈；所述第二十二电阻一端连接第二比较器的正端，另一端接5v电源；所述第二比较器输出端连接第一控制单元的被控制端；所述第二十一电阻和第二十三电阻接地。本发明与现有技术相比，其优点和有益效果如下(I)用空心线圈代替有铁芯的线圈，回路中的自感大大减小，di/dt值很大，产生的脉冲磁场的波形近乎矩形波；(2)采用多路控制，既保证电容器蓄能过程和状态的正确，又保证所产生脉冲磁场幅值的精准；(3)采集所产生的脉冲磁场的信息，并反馈给充电控制，适时调整蓄能的状态；(4)对电容充电，不是采用经过滤波后的稳定直流信号，而是直接用经过全波整流后的脉动直流信号；(5)脉冲磁场不被限制在线圈内或铁隙间，而是外漏在线圈外，磁场的作用区域大；(6)在全波整流后的电压上升部分对蓄能开关触发，实施充电，减小能耗；(7)频率和脉冲磁场的幅值变化范围宽，在这个范围内的脉冲磁场发生装置还未见报道；(8)操作方式多样，可自控、手控和脚控。
图I为本发明装置的结构原理图；图2为本发明装置中的第一控制单元图；图3为本发明装置中的主控单元图；图4为本发明装置中的第一采样单元图；图5为本发明装置中的第二控制单元图；图6为本发明装置中的第二采样单元图；图7为本发明装置中三控制间的联线机构示意图；其中1为电源；2为第一控制单元；3为蓄能开关；4为蓄能电容；5为第二控制单元；6为释能开关；7为换能器；8为第一采样单元；9为第二采样单元；10为主控电路；U1为第一比较器；U2为定时器；U3为定时器；U4为双单稳态触发器；U6为定时器;U7为第二比较器；R1为第一电阻；R2为第二电阻；R3为第三电阻；R4为第四电阻；R5为第五电阻；R6为第六电阻；R7为第七电阻；R8为第八电阻；R9为第九电阻；R10为第十电阻；R11为第十一电阻；R12为第十二电阻；R13为第十三电阻；R14为第十四电阻；R15为第十五电阻；R16为第十六电阻；R17为第十七电阻；R18为第十八电阻；R19为第十九电阻；R20为第二十电阻； R21为第二十一电阻；R22为第二十二电阻；R23为第二十三电阻；Wl为电位器。
具体实施例方式以下将结合附图对本发明内容做进一步说明，但本发明的实际制作结构并不仅限于附图所示的实施例。1、本发明装置的结构原理如图1所示，所述电源、第一控制单元、蓄能开关、蓄能电容、第二控制单元、释能开关和换能器依次正向连接；所述换能器通过第二采样单元与第一控制单元连接；所述蓄能电容通过第一采样单元与第一控制单元连接；所述主控电路分别与第一控制单元和第二控制单元连接。在实际应用中，常对产生脉冲磁场的装置有以下三点要求(1)脉冲磁场的波形近乎矩形波，即在上升沿和下降沿磁感应强度的时间变化率尽可能大；( 产生的脉冲磁场要尽可能在线圈外，而不是被束缚在线圈内，并且沿线圈的轴线方向衰减要小，如刺激脑部运动神经元诱发动作电位；C3)对脉冲磁场发生装置的使用环境没有特殊要求，工作时并不会影响同室的其他设备的正常工作。为了满足实际需要，线圈半径要大，磁场要强，但线圈只有1 2匝，故要提供很大的能量。鉴于此，装置工作框图如图1所示。电源通过蓄能开关(可控硅)向蓄能电容充电(电能储存)，之后通过释能开关(可控硅)给线圈施加电流产生脉冲磁场(电场能转化为磁场能量)；第一控制单元为蓄能开关提供触发信号，控制蓄能开关的导通与关断，同理，第二控制单元控制释能开关的导通与关断；主控电路保证充电不放电，放电不充电；第一采样单元检测蓄能电容的蓄能状态，并反馈给第一控制单元的被控制端；第二采样单元检测所产生磁场的参数，并转化为电压信号反馈给第一控制单元的被控制端。2、控制电路依据实际需要，要精确产生符合要求的脉冲磁场，其关键点就是要对装置的工作过程与状态加以必要和有效的控制。2.1第一控制单元电路第一控制单元电路如图2所示，第一控制单元电路担负着实际控制蓄能开关导通或关断的作用。当被控制端为高电平时，定时器555工作在谐振状态，不断产生方波触发脉冲，使图1中的蓄能开关导通，电源对电容器蓄能。当被控制端为低电平时，三极管Ql处于饱和状态，555的2端输入为高电平，555的3端输出为低电平，蓄能开关不导通，电容器蓄能过程停止。2. 2主控电路主控电路如图3所示，其主要功能是对第一控制单元和对第二控制单元的工作状态加以控制，保证蓄能过程不释能，释能过程不再蓄能；按照具体用途需要，控制输出脉冲磁场的频率和占空比。图中74LS123为双单稳态触发器，将两个触发器首尾相接，就可以谐振产生方波。通过改变外接电阻、电容和控制电压，可以改变频率，此振荡器的频率稳定性很高，可达0. 01 %。该装置取C6、C7为0. 01 μ F，电阻为220Κ的双同轴电位器，输出的控制方波频率为20Hz 20ΚΗζ。
74LS123的输出信号一路提供给第二控制单元，一路与定时器555的输出信号分别经过二极管D5和二极管D6叠加后，提供给第一控制单元的被控制端。74LS123的输出为高电平时，对第一控制单元没作用，但对第二控制单元有作用，反之作用效果相反。74LS123 的输出与阳5的输出都为高电平，对第一控制单元的工作状态无影响，第一控制单元产生方波触发脉冲，使蓄能开关导通，电源对电容器蓄能。74LS123或555中的一个输出为低电平，第一控制单元的被控制端为低电平，图1中555的3端输出为低电平，蓄能开关不导通， 电容器蓄能过程停止。U3工作在单稳态，三极管Q3将全波整流信号反向后提供给555的2 端，控制555的输出，完成只有在全波整流波形的上升部分才能对电容器蓄能的功能。2. 3第一采样电路图4为第一采样电路，目的是检测电容器的蓄能状态，通过检测到的电压，可以得知电容器所蓄存的能量值，控制脉冲磁场的幅值。先将电容器两极板的高电压分压，再通过 Rl和R2分压后，加到比较器LM3M的反向输入端，当反向输入端的电位高于LM3M正向输入端的参考电位时，LM324的输出为低电平，反之，LM3M的输出为高电平，完成通过采样电压控制电容器蓄能的功能。Wl为电位器，可以改变分压的比例。这一电路实现了检测电容器蓄能的过程和状态。2. 4第二控制单元电路图5为第二控制单元电路，目的是确保释能开关的导通与关断。74LS00的1端和 2端与主控电路的输出端相接，74LS00的3端与555的2端相连。该电路对主控电路的输出信号，进行反向、消除抖动和延时后控制释能开关的导通或关断。释能开关导通，电场能量转换为磁场能量，产生脉冲磁场。2. 5第二采样电路利用电磁感应现象，通过小线圈检测脉冲磁场发生装置产生的脉冲磁场。如图6 所示，将测量到的感应电动势通过R20和R21分压后，加到比较器LM324的反向输入端， LM324的输出信号作为反馈信号提供给第一控制单元的被控制端。通过对实际脉冲磁场的检测，反馈给第一控制单元，调整电容器的蓄能状态，保证产生的脉冲磁场为所要求的结^ ο2. 6控制电路间的关系图7为第一控制单元电路、第二控制单元电路和主控电路的联线结构示意图。主控电路对第一控制单元电路和第二控制单元电路都有控制作用，主控电路输出特定频率和占空比的方波，控制强脉冲磁场装置产生脉冲磁场的频率和占空比。主控电路输出高电平， 对第一控制单元电路的工作状态不产生影响，可以蓄能。主控电路输出低电平，致使第二控制单元电路的输出为高电平，释能开关导通，产生脉冲磁场。本发明的优点和效果(1)采用了必要的多路控制，能够精确地控制输出脉冲磁场的频率和幅值等参数， 解决了输出脉冲磁场参数准确性比较差的问题；(2)换能器用半径较大，只有1 2匝的空心线圈，磁场可外漏在空间，并且磁场的作用区域大；(3)放电回路中的电感小，di/dt值大，所产生的脉冲磁场的波形近乎矩形波；(4)将所产生的脉冲磁场的信息反馈给充电控制，可以调整蓄能电容蓄能的状态，CN 102543352 A保证了磁场作用区域对脉冲磁场的要求；(5)对电容器蓄能不采用经滤波后的平坦电流，而是直接用全波整流后的脉动电流，减少了能量损失；(6)控制电路简单，对装置的使用环境没有特殊要求；(7)装置操作方式多样，可自控、手控和脚控。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式
仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
权利要求
1.一种脉冲强磁场发生装置，其特征在于包括电源、第一控制单元、蓄能开关、蓄能电容、第二控制单元、释能开关、换能器、第一采样单元、第二采样单元和主控电路；所述电源、第一控制单元、蓄能开关、蓄能电容、第二控制单元、释能开关和换能器依次正向连接；所述换能器通过第二采样单元与第一控制单元连接；所述蓄能电容通过第一采样单元与第一控制单元连接；所述主控电路分别与第一控制单元和第二控制单元连接。
2.如权利要求I所述脉冲强磁场发生装置，其特征在于所述第一采样单元包括串联的第一电阻和第二电阻、串联的第三电阻和第四电阻、串联的第十七电阻和第十八电阻、第一比较器；所述第十七电阻和第十八电阻之间设置有电位器，电位器一端与第一电阻连接，电位器另一端与第十八电阻连接；所述第三电阻一端连接5v电源、另一端连接第一比较器的正端；所述第二电阻一端连接第一比较器的负端， 第二电阻另一端接地；所述第一比较器的输出端与第一控制单元的被控制端连接；所述第十七电阻的一端与蓄能电容的正极板连接；所述第十八电阻的接地端与蓄能电容的负极板连接。
3.如权利要求I所述脉冲强磁场发生装置，其特征在于所述第二采样单元包括串联的第二十电阻和第二十一电阻、串联的第二十二电阻和第二十三电阻、第二比较器；所述第二十电阻一端连接第二比较器的负端、第二十电阻的另一端连接采样小线圈；所述第二十二电阻一端连接第二比较器的正端，另一端接5v电源；所述第二比较器输出端连接第一控制单元的被控制端；所述第二十一电阻和第二十三电阻接地。
4.如权利要求I所述脉冲强磁场发生装置，其特征在于所述主控电路控制第一控制单元和第二控制单元，主控电路输出方波，控制强脉冲磁场产生脉冲磁场的频率；主控电路输出高电平时，对第一控制单元无作用，并且蓄能，但第二控制单元的输出为低电平，释能开关关断，主控电路输出低电平时，其作用相反。
全文摘要
本发明公开了一种脉冲强磁场发生装置，包括电源、第一控制单元、蓄能开关、蓄能电容、第二控制单元、释能开关、换能器、第一采样单元、第二采样单元和主控电路；所述电源、第一控制单元、蓄能开关、蓄能电容、第二控制单元、释能开关和换能器依次正向连接；所述换能器通过第二采样单元与第一控制单元连接。本发明的优点是该装置采用了必要的控制，能够精确地控制脉冲磁场的产生；利用对电容器的电压采样，适时掌握了电容器的蓄能过程和状态；利用对脉冲磁场的电压采样，反馈控制了电容器的蓄能量为所要求的值；各控制既分工，又协调和配合；装置具有应用的普适性；控制电路简单，成本低。
文档编号H03K3/02GK102543352SQ201210005210
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者刘渊声, 屈学民, 文峻, 文晓成, 王斯刚, 龙开平 申请人:中国人民解放军第四军医大学