磁感应治疗（精选七篇）
磁感应治疗 篇1
目前肿瘤的治疗方法主要是手术、放疗和化疗,经过多年的临床应用和技术发展,这三种治疗方法已非常成熟,但其也很难再进一步提高肿瘤治疗的有效率,从根本上改变肿瘤治疗现状,肿瘤治疗技术亟需新的突破。
肿瘤纳米磁感应治疗技术是一种新的肿瘤治疗方法,其基本原理是:以磁性纳米材料做为介质,通过微创手术将其导入肿瘤组织,或通过静脉注射方式进入体内,特异性地与肿瘤细胞结合,磁性纳米材料在交变磁场下升温,从而达到杀伤肿瘤的目的,它具有靶向性高、副作用小、激发免疫、便于联合治疗等优势,有望达到根治肿瘤的效果;美国卫生及人类服务部(HHS)、国立卫生研究院(NIH)、国家癌症中心(NCI)甚至将肿瘤纳米技术视作“从根本上改变人类诊断、治疗和预防癌症的策略”。
肿瘤纳米磁感应治疗技术的巨大发展潜力得到了世界上几乎所有主要国家的关注,美国、德国、日本、英国、以色列、法国、意大利、俄罗斯和印度等国在此领域进行了大量的
1. 德国
德国的肿瘤纳米磁感应治疗技术临床应用走在世界的前列,其最具代表性的就是Magforce公司。德国洪堡大学在1987年开始从事肿瘤纳米磁感应热疗的研究,经过10年的基础研究,1997年成立Magforce公司,专门进行肿瘤纳米磁感应热疗相关技术和产品的开发。Magforce公司采用氨基硅烷修饰的纳米磁流体作为磁感应介质,其具有生物相容性好、便于功能化等优点,下一代磁感应介质-载药纳米磁研究,取得了很多成果,大大推动了该技术的发展;目前,德国、日本、美国在肿瘤纳米磁感应治疗技术的研究和应用方面走在世界的最前列。流体正在研发之中。2003年Magforce公司的纳米磁流体磁感应治疗开始进入临床试验,2009年对脑胶质瘤的临床试验已经完成,即将正式用于临床,目前对前列腺癌[1]的第二部分临床有效性试验正在进行;Magforce公司的肿瘤磁感应治疗系统已获得欧洲药监部门的批准,其股票于2007年在法兰克福正式上市。2010年11月,Magforce公司凭借肿瘤纳米磁感应治疗系统获得了STEP奖。
2. 日本
日本是最早进行磁感应治疗临床试验的国家,1990年日本就进行了热籽介导的磁感应治疗恶性胶质瘤一期临床试验。近年来,日本加快了肿瘤磁感应治疗技术的发展,有多家单位先后开展了临床试验,如:2006年进行的食道支架磁感应热疗的临床试验,2007年在日本信州大学进行磁流体热疗临床试验,同年在日本北海道医学院进行磁流体热疗临床试验。在基础研究
3. 美国
美国是实力雄厚的工业国家,在肿瘤磁感应治疗领域也处于领先地位,在1992年就进行了热籽磁感应治疗的临床试验。热籽磁感应治疗联合放化疗是美国磁感应治疗发展的特色,近年随着纳米技术的兴起,纳米磁感应治疗技术在美国也得到极大发展。美国堪萨斯大学将多巴胺甘油醇修饰的纳米四氧化三铁[7]作为介质用于恶心黑色素瘤的治疗,取得了较好的前期结果;此外,美国还对肿瘤磁感应治疗临床应用进行了较为系统的分析,论证了磁感应治疗将会解决许多肿瘤治疗目前存在的问题[8]。2008年,美国Oncologic公司和Triton Bio--Systems公司合并组成了Aduro BioTech公司,专门从事纳米磁感应治疗技术的研发,期望能在实体瘤治疗技术方面取得突破,但目前还未见其临床试验报道。2010年,达特茅斯大学癌症纳米研究中心获得美国国家癌症中心(NCI)1280万美元的资助,专门用于肿瘤纳米磁感应治疗技术的研发,预期在5年内取得阶段性的成果。
4. 英国
有鉴于在过去的30年里,肺癌的存活率并未得到提高,伦敦大学癌症研究中心正致力于开发肿瘤纳米磁感应治疗技术,使之能用于放化疗无效后的肺癌的治疗。由于氧化铁纳米颗粒极易排除体外,英国国家卫生服务机构已经批准将其用于人体,设计采用抗体或骨髓肝细胞与磁性纳米粒子结合以增强磁性纳米粒子与肺癌细胞的亲和方面,热与免疫激发一直是日本研究的特色,自发现热的免疫激发效应以来,日本在此领域进行了大量机制研究[2],近年已取得了许多局部性的成果,但还未能全面系统地阐述热激发免疫的机制;此外,日本在功能化介质方面也取得了很大的进展,通过对磁纳米粒子表面进行功能化修饰[3]和电荷改变[4]达到靶向的目的,合成磁纳米复合介质如载药磁性脂质体[5]以进行联合治疗[6]等。性,并采用外部磁靶向技术进一步提高其在肺癌细胞中的聚集程度,在外部交变磁场下使肺癌组织温度上升至42~43℃,从而杀死肺癌细胞。英国研究理事会已经通过给予该项目160万英镑的资助,保障其在3年内完成系统的动物实验,然后进入临床试验,泰晤士报2009年对该项目进行了报道,对其在肺癌治疗中发挥重大作用寄予厚望。
5. 以色列
2008年,以色列特拉维夫大学Iddo M.Gescheit等提出了利用磁性纳米粒子对肿瘤进行检测和治疗的研究计划,计划提出采用肿瘤抗体修饰的磁性纳米粒子,采用瘤内直接注射或静脉注射的方法,使之在体内能特异性地与肿瘤细胞结合,在交变磁场下磁性纳米粒子产热,一方面可以通过热成像来确定肿瘤的位置,一方面利用磁性纳米粒子产生的热杀伤肿瘤细胞,达到治疗的目的(Iddo M.Gescheit,Moshe Ben-David,Israel Gannot et al.A Proposed Method for Thermal Specific Bioimaging and
6. 中国
我国清华大学、东南大学、上海交大等也正在积极地进行功能化磁纳米粒子的研究。清华大学研制出以叶酸作为靶向基团,磁共振成像及磁感应热疗介质功能为一体的功能磁纳米粒子,并在磁纳米材料的生物安全性、靶向性和疗效等方面做了大量的系统研究。目前,清华大学的磁性纳米材料已进入临床前研究阶段,且清华大学已经研发出了系统的磁感应治疗设备,其第一步以热籽作为介质,以软组织肿瘤作为适应证的磁感应治疗临床试验正在进行,预计下一步将开始以靶向磁流体为介质的肿瘤磁感应治疗临床试验。
在目前肿瘤治疗新技术领域,纳米技术被很多研究者认为是未来攻克癌症难题的希望,肿瘤纳米磁感应治疗率先将纳米技术应用到临床,展现了巨大的潜力。因此,在目前的肿瘤磁感应技术的发展中,纳米介质的研发是各国发展的重点,意大利合成了澡酸盐磁性载药磁性纳米粒子[9],具有生物相容性好、可降解的特点,可用于磁感应热化疗;西班牙合成磁性载药脂质体[10],研究其磁靶向药物传递,局部磁感应热疗和磁共振成像方面的应用。纳米介质的研发朝着生物相容性好,功能化(靶向、成像等[11、12]),自控温[13、14]方向发展。此外,法国和英国[15~17]还发现纳米介质可以进入肿瘤细胞内部,产生细胞内热疗的效果,可在进一步增强疗效的同时降低对正常细胞和组织的损伤,从而降低副作用。新型磁性纳米介质不断出现[18~20],其具有更好的磁学性能和分散性,为肿瘤磁感应技术的进一步发展奠定了基础[21]。可以预见,在不远的未来,纳米磁感应技术将给肿瘤治疗带来革命性的变化[22]。
7. 结语
磁感应治疗 篇2
1 设计概述
它包括感应板电路和无接触感应控制主板电路。无接触感应控制主板电路是由电源电路和控制电路组成。
2 硬件设计电路
2.1 微控制器
本设计采用Atmel公司的ATMEGA16作为控制器件, 根据信号持续时间来对不同时间的信号做出不同的处理。
选用Quantum Research Group公司的单通道传感器芯片QT100做为感应器件, 该器件以开关电容感应技术为基础, 使用电子开关对一个未知电容的感应金属板进行充电, 达到一个已知的电位后将感应电荷转移到一个测量电路中, 通过测量在一个或多个充电—转移周期后的电荷, 可以测得感应金属板的电容。电荷采集过程是利用微处理器控制MODFET晶体管的开关切换来以突发脉冲模式实现充电—转移—获取的过程, 从而通过金属板电容的微小改变来确认人手接近感应表面。
在牙科综合治疗机上, 可利用非接触接近方式感应检测人手位置及停留时间长短, 根据不同状态向控制牙科椅升、降、俯、仰等动作或治疗机的冲盂、漱口、加热、口腔灯等功能。微控制器用于接收感应板电路采集到的信号并加以判断处理, 如有人手靠近感应器件, 进一步检测人手停留时间, 根据停留时间的不同, 微控制器通过CAN总线向牙科椅控制板或治疗机控制板发出相应命令, 同时点亮相对应的指示灯。
2.2 感应板电路 (图1)
感应板电路主要由QT100单通道触摸传感器、LED指示灯、MOS管等组成。感应板电源AVCC、AGND (JP1插件3、4脚) 由非接触感应控制主板的JP1插件3、4脚提供 (AVCC, AGND) 。LED指示灯连接微控制器I/O口。QT100单通道触摸传感器1端为检测信号输出端, 提供给微控制器判断感应是否有效。感应有效时, 微控制器点亮D1、D2指示灯。MOS管用于加强信号的驱动能力。
2.3 非接触感应控制主板
非接触感应控制主板由电源电路、控制电路组成。
电源电路 (图2) :+12V (VCC_12V) 电源经电源驱动模块XL4001、二极管D1、电感L1、电阻R25、R24、电容C11、C12、C13、C14、C15组成的转换电路转换为5V电源 (AVCC, AGND) , 可供感应板工作。
AVCC电源经电源隔离芯片DCP01B后, 输出经隔离的5V电源 (VCC_5V, GND) 供CPU控制电路使用。
控制电路 (图3) :CPU处理器输出信号LED0经第一光耦U1后控制感应板上的LED指示灯。感应板电路感应信号 (JP1插件上的2脚) 接第二光耦U2的2端, 经光耦耦合后由第二光耦U2的4端输入到CPU处理器的I/O口, 便于CPU处理器处理识别。JP1插件上的3脚为AGND (电源负端) , JP1插件上的4脚为AVCC (电源正端) , 为感应板提供电源。
3 结语
磁感应治疗 篇3
一、电磁感应中的电路问题
例1 (2009年广东) 如图1所示, 一个电阻值为R, 匝数为n的圆形金属线圈与阻值为2R的电阻R1连结成闭合回路.线圈的半径为r1.在线圈中半径为r2的圆形区域存在垂直于线圈平面向里的匀强磁场, 磁感应强度B随时间t变化的关系图线如图2所示.图线与横、纵轴的截距分别为t0和B0, 导线的电阻不计.求0至t1时间内
(1) 通过电阻R1上的电流大小和方向;
(2) 通过电阻R1上的电量q及电阻R1上产生的热量.
解析: (1) 由图象分析可知, 0至t1时间内
由法拉第电磁感应定律有
联立以上各式解得通过电阻R1上的电流大小为
由愣次定律可判断通过电阻R1上的电流方向为从b到a.
(2) 通过电阻R1上的电量
通过电阻R1上产生的热量
点评:本题属于电磁感应现象与恒定电路相结合的综合题, 分析此类问题时一般遵循“三步曲”, 即:一是用法拉第电磁感应定律和楞次定律确定感应电动势的大小和方向, 找准电源二是区分内外电路路端电压与电动势;三是灵活运用闭合电路欧姆定律, 串、并联电路的性质及电功、电功率、电热等计算公式求解相关物理量.
二、电磁感应中的力学问题
例2 (2009年上海) 如图3所示, 光滑的平行金属导轨水平放置, 电阻不计, 导轨间距为l, 左侧接一阻值为R的电阻.区域cdef内存在垂直轨道平面向下的有界匀强磁场, 磁场宽度为s.一质量为m, 电阻为r的金属棒MN置于导轨上, 与导轨垂直且接触良好, 受到F=0.5v+0.4 (N) (v为金属棒运动速度) 的水平力作用, 从磁场的左边界由静止开始运动, 测得电阻两端电压随时间均匀增大. (已知
(1) 分析并说明该金属棒在磁场中做何种运动;
(2) 求磁感应强度B的大小;
(3) 若撤去外力后棒的速度v随位移x的变化规律满足, 且棒在运动到ef处时恰好静止, 则外力F作用的时间为多少?
(4) 若在棒未出磁场区域时撤去外力, 画出棒在整个运动过程中速度随位移的变化所对应的各种可能的图线.
解析: (1) 金属棒做匀加速运动, R两端电压U∝I∝E∝v, U随时间均匀增大, 即v随时间均匀增大, 所以加速度为恒量.
(2) 根据牛顿第二定律
以F=0.5v+0.4代入得
因为加速度a为恒量, 与v无关, 所以a=0.4m/s2,
(4) 可能图线如图4所示如下:
点评:此题为电磁感应知识与力学、电路知识的综合问题, 此类题目常以导轨运动为背景, 解决此类题的关键是对金属导体作出正确的受力分析, 并通过运动状态的动态分析来得出速度、加速度, 找到解题的突破口, 然后综合运用力学及电学规律分析和解决问题.此类题目有时还要通过运动状态的动态分析来寻找过程的临界状态, 得出速度、加速度的极值条件.
三、电磁感应中的图象问题
例3 (2009年宁夏) 如图5所示, 一导体圆环位于纸面内, O为圆心.环内两个圆心角为90°的扇形区域内分别有匀强磁场, 两磁场磁感应强度的大小相等, 方向相反且均与纸面垂直.导体杆OM可绕O转动, M端通过滑动触点与圆环良好接触.在圆心和圆环间连有电阻R.杆OM以匀角速度ω逆时针转动, t=0时恰好在图示位置.规定从a到b流经电阻R的电流方向为正, 圆环和导体杆的电阻忽略不计, 则杆从t=0开始转动一周的过程中, 电流随ωt变化的图象是如图6所示的哪个图象.
点评:此题考查了电磁感应中的图象问题, 把实际过程对应到图象中去, 然后根据实际过程的物理规律判断.电磁感应现象中的图象问题可分为两种类型:一是通过对电磁感应过程分析选出或画出正确的图象;二是由给定的图象分析电磁感应过程, 确定相关的物理量.解决图象问题的关键是首先要弄清闭合回路中的磁通量变化情况及线框中感应电流I随时间t的变化关系, 再利用右手定则、法拉第电磁感应定律等规律分析解决, 同时注意感应电流的方向与规定正方向之间的关系.
四、电磁感应中的能量问题
例4 (2009年天津) 如图7所示, 竖直放置的两根平行金属导轨之间接有定值电阻R, 质量不能忽略的金属棒与两导轨始终保持垂直并良好接触且无摩擦, 棒与导轨的电阻均不计, 整个装置放在匀强磁场中, 磁场方向与导轨平面垂直, 棒在竖直向上的恒力F作用下加速上升的一段时间内, 力F做的功与安培力做功的代数和等于 ()
(A) 棒的机械能增加量
(B) 棒的动能增加量
(C) 棒的重力势能增加量
(D) 电阻R上放出的热量
解析:棒受重力G、拉力F和安培力F安的作用.由动能定理:
即力F做的功与安培力做功的代数和等于机械能的增加量.正确答案是 (A) .
点评:本题属于电磁感应现象中能量转化类问题, 通过安培力做功实现机械能与其他形式的能之间的转化, 对于电磁感应现象中与能量转化和守恒有关的复杂问题, 常常运用动能定理、能量守恒定律进行综合分析求解.注意当安培力做功无法直接确定的情况下, 只能用能量守恒定律解决, 即用能量守恒定律寻找机械能的变化与回路所消耗的电能及其他形式的能之间的内在联系.
五、电磁感应中的感应电动势及电流方向问题
例5 (2009年山东卷) 如图8所示, 一导线弯成半径为a的半圆形闭合回路.虚线MN右侧有磁感应强度为B的匀强磁场方向垂直于回路所在的平面回路以速度v向右匀速进入磁场, 直径CD始终与MN垂直.从D点到达边界开始到C点进入磁场为止, 下列结论正确的是 ()
(A) 感应电流方向不变
(B) CD段直线始终不受安培力
(C) 感应电动势最大值E=Bav
(D) 感应电动势平均值
解析:在闭合电路进入磁场的过程中, 通过闭合电路的磁通量逐渐增大, 根据楞次定律可知感应电流的方向为逆时针方向不变, (A) 正确.根据左手定则可以判断, CD段受安培力向下, (B) 不正确.当半圆闭合回路进入磁场一半时, 即这时等效长度最大为a, 这时感应电动势最大E=Bav, (C) 正确.感应电动势平均值E=, (D) 正确.正确答案是 (A) 、 (C) 、 (D) .
点评:感应电流的方向判定可用楞次定律或右手定则, 在应用楞次定律时要把握好步骤:先明确回路中原磁场的方向及磁通量的变化情况, 再根据楞次定律确定感应电流的磁场方向, 然后根据安培定则确定感应电流的方向.感应电动势公式只能来计算平均值, 利用感应电动势公式E=Blv计算时, l应是等效长度, 即垂直切割磁感线的长度.
六、电磁感应中的电荷量
例6 (2009年安徽卷) 如图9 (a) 所示, 一个电阻为R, 面积为S的矩形导线框abcd, 水平旋转在匀强磁场中, 磁场的磁感应强度为B, 方向与ad边垂直并与线框平面成45°角, o、o′分别是ab和cd边的中点.现将线框右半边obco′绕oo′逆时针旋转90°到图9 (b) 所示位置.在这一过程中, 导线中通过的电荷量是 ()
解析:对线框的右半边 (obco′) 未旋转时整个回路的磁通量
包装工程中电磁感应电加热技术应用 篇4
电磁感应加热技术的发展历史、应用及优点。电磁感应加热技术的速度比其他的媒介加热的速度快, 电磁感应技术在加热的时候损耗铁屑的数量较少。电磁感应技术在加热的时候起动比较快。电磁感应技术的节能效果比较好, 因为在不用的时候可以将电磁感应加热技术的电源关掉, 比较环保。可以关闭, 因为感应加热有启电磁感应技术的工作效率比较高, 在短时间内加热就可以到达效果, 可以降低成本。除此之外, 感应加热还有几点好处: (1) 便于控制, 易于实现自动化; (2) 减少设备占地面积; (3) 作业环境安静, 安全和洁净; (4) 维护简单。正是因为电磁感应技术技术的很多优点, 所以才将其用于包装工程的工作中, 争取取得更大的效果和最优化的结局。
2 感应电加热技术
电磁感应加热技术法是基于电磁感应技术原理, 当交流电流通过初级线圈时, 环绕着线圈产生交变磁场, 交变磁场在次级线圈上 (金属炉料) 产生感应电动势。由于此感应电动势的作用, 在闭合的线圈 (被加热的金属) 中产生感应电流使金属加热。为中间包侧面感应加热装置。该装置中的感应器由铁芯、线圈和引入钢水的通道组成。当绻圈中通入交流电后, 钢液中产生的感应电流放出焦耳热使钢水加热。在浇注初期, 因中间包耐火材料吸热, 应供以较大的功率使钢水迅速升温。当中间包容量为10t时, 最大功率约为1000k W。采用中间包电加热技术后, 可使中间包中钢水温度相对稳定;而且利用磁感应加热钢水时, 由于电磁搅拌作用, 可使钢中夹杂物上浮。据资料介绍, 在5t中间包中采用电磁感应技术电加热技术, 当功率为1000k W时, 升温速度达25℃/min, 热效率为90%, 可控制钢水温差在士2.5℃范围内。
感应电加热技术依靠两种能量转换过程以达到加热目的, 即焦耳热效应和磁滞效应。第一种是非磁性材料, 如铝, 铜、奥氏不锈钢和高于居里点 (即磁衰变温度) 的碳钢产生热量的唯一途经, 也是铁磁性金属 (如低于居里点温度的碳钢) 中主要产热途径。对于铁磁性金属材料, 感应发热的一少部分来源于磁滞损耗。磁滞发热可以这样来解释, 磁滞现象是由分子 (或称磁性偶极子) 之间的磨擦力导致的。当铁磁性金属被磁化时, 磁性偶极子可以看成是小磁针, 它随着磁场方向变化 (即交流电的变化) 而转动, 这种来回转动所引起的发热, 就是磁滞发热。交流电频率越高, 磁场变化就越快, 单位时间内产生出的热量也就越多。焦耳热效应是由涡流损耗产生的。涡流损耗和焦耳的表达式和直流电、交流电的能量消耗公式相同。和其它电流一样, 涡流也必须有一个闭合回路。假设该电路中电压为V, 电阻为R, 电流为Ⅱ, 由欧姆定律V=ⅡR。当电势降低时, 电能就转变成热能。这种电能的转化过程类似于机械运动过程中势能的转化。势能转化过程是由于在重力作用下, 物体由高处向低处落下时发生的。电势降低时产生热, 其关系式可以给出。必须清楚, 感应加热的机理和直流电或交流电产生的电磁场有密切的关系。对于一个带直流电的导体而言, 磁场 (感生磁场) 的方向垂直于电流方向。距离导体越远, 磁场强度越弱。磁场强度的大小和电流大小成正比。磁场极性或磁力线的方向由右手定则给出。假如直流电流过一螺旋线圈, 则螺旋线圈内的场强大载流体 (中心凋围的磁场 (O箭头) 而线圈外的强度小。相邻两匝线圈之间的场强很小。这是因为相邻两匝之间的磁力线方向相反, 彼此互相抵消了。现在再来考虑在一个通有直流电的螺旋线圈中插入一个实心棒时磁场将会发生怎样的变化。如果棒是非磁性的, 则磁场不受影响;反之, 如果插入磁性钢棒, 则磁力线的数量就会大大增加。这是因为钢的导磁率比非磁性物的导磁率大得多的缘故。实际上, 在电学计算中只需要知道相对导磁率即可。非磁性物质和空气的相对导磁率都定为1, 磁性的物质的相对导磁率都大于1。
3 包装工程的内容和特点
目前我国的包装主要研究和应用的重点是包装理论、技术方法、结构设计、包装测试、包装材料强度和结构;同时发挥多学科综合专业的优势, 在计算机辅助设计、包装机械、市场营销、管理以及造型设计诸方面开展工作。计算机与测试技术可为包装工程设计提供计算、分析、实验和数据处理的手段, 以提高包装设计的质量、效率, 并适应现代包装工程高速化、智能化、自动化的要求。应包括包装CAD、包装测试技术、包装自动控制等。
4 结束语
现代的包装工程是许多技术的综合运用, 因此我们应该加强各个方面的技术的应用, 从包装产品的特点、性能、运输、储藏、安全、销售等等很多方面考虑包装工程的要求。包装工程还有一个重要的步骤就是包装材料的问题。包装材料的好坏是包装完成的第一步, 也是最重要的一个步骤。可以应用电磁感应技术这个技术制造更好的包装材料。如果包装材料都不好的话, 包装的任何一部都无法进行。不仅要包装包装的安全完整, 还要做到美观, 包装材料的安全完整美观才能吸引消费者额眼球, 应该以最安全完整的包装材料达到最完美的包装效果, 让包装发挥最大的视觉冲击, 吸引更多更广的消费者。利用电磁感应技术这个技术为包装工程作出更好的贡献。
摘要：当前, 商品包装行业发展迅速, 产值不断上升, 国家对包装产业经济的关注在不断加强。文章首先简单的介绍包装工程这个行业的当前所存在的基本情况, 分析了包装工程发展路程及以后的发展走向, 根据以往的经验总结, 在结合包装工程这个行业的现状, 针对本行业的薄弱环节, 在以前出现错误的地方进行精心的学习, 详细的分析。争取在以前的工作上有更大的进步。为我们经济的发展, 为包装工程的进步, 进行一系列的分析探讨, 争取取得最优化的效益。
关键词：包装工程,电磁感应技术,电加热技术
参考文献
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磁感应治疗 篇5
关键词：磁感应,相位差,电导率,梯度线圈,SYPD-1
0 引言
磁感应测量是一种新型非接触、无创测量方法,它是基于涡流电磁检测原理,适用于生物组织内部信息的检测以及工业应用场合。磁感应法测量生物组织采用一种频率的交变电流作用于激励线圈,激励线圈产生的磁场通过生物组织,并在其内产生涡流,此涡流又会产生一个扰动磁场,扰动磁场和原来的主磁场都被检测线圈接收产生电压信号输出。接收线圈接收到的总磁场由于扰动磁场相对于原来的主磁场产生了相位偏移[1,2]。根据Konjenversky[3]和Griffth等[4]的研究理论,此相位偏移θ满足:
式中:k为与被测物体几何尺寸相关的系数;σ为被测目标的电导率;ω为交变电流的角频率[3]。
由于生物组织中细胞构成的种类、细胞排列的方式、细胞间质中电解质浓度以及细胞膜穿透性强弱等的不同,使得不同的生物组织以及不同条件状态下的同一生物组织都呈现出不同的电导率特性。因此,只要能够精确测量出磁场穿过生物组织后的相位变化,就能够获取组织内部的电导率分布情况,进而可以反映其内部生理病理状态以及含水量变化,在脑功能病变,如脑水肿、出血等方面有着重要的研究价值和潜在的应用前景[5]。
在磁感应检测中,主磁场信号比扰动磁场信号大很多。根据激励信号的频率以及线圈的几何结构,主磁场信号的幅度是扰动磁场信号的102~106倍[6]。在工作频率为21.4 MHz时,扰动磁场仅有主磁场产生信号的1%,因此给相位检测带来了很大困难,限制了检测精度。通过调整线圈结构和位置,可以有效抵消主磁场。目前,国内外研究抵消主磁场的方法主要有抵消线圈法、梯度线圈法、线圈垂直排列法等,各有优缺点。本文介绍的测量装置采用梯度线圈法抵消主磁场的影响,梯度线圈法具有结构简单、调整灵活、抵消效果好等优点。
磁感应检测生物组织电导率需要高精度的相位测量。由于生物组织的电导率非常小,通常在0.02~2 S/m的范围内,生物组织受到磁场激励后产生的涡流信号非常微弱,所以该磁场引起的主磁场相位变化也非常微小,这对相位测量提出了较高的要求。有研究表明,如果激励信号频率在10 MHz左右,整个测量系统至少需要0.01°的测量精度[7]。
目前,相位检测方法有硬件电路直接鉴相法、降频锁相放大器法、基于虚拟仪器的软件鉴相以及集成鉴相芯片[8]。硬件电路直接鉴相法测量精度低,存在着相位偏移和相位噪声的问题。降频锁相放大器法采用混频器对测量信号降频,内部频繁的锁定和同步过程使电路结构复杂,系统庞大,调整不灵活,工作在较高频率时相位漂移往往较大。此外,锁相放大器内部合成的参考信号如果与外部参考信号之间不能完全同步则影响测量精度。在磁感应测量中,国内外研究小组经常使用市场上的锁相放大器成品,如美国斯坦福研究室研制的SRS系列高精度锁相放大器,这种锁相放大器在实验室研究中不失为一种好方法,但是不利于小型化。当前随着虚拟仪器的兴起,采用高速采集卡以及Labview软件可以方便地实现数据采集和处理。在Labview中采用FFT变换等鉴相算法是当前数字鉴相的主流,此种方法同样存在系统庞大、成本高昂的缺点。集成鉴相芯片是一种简单经济的相位检测方法,当前集成鉴相芯片种类很少,主要有AD公司生产的AD8302等。AD8302应用于磁感应测量中例子屡见不鲜,但AD8302分辨率只有0.5°,精度较低[9]。
本测量装置采用美国Mini-circuit公司最新推出的无源鉴相芯片SYPD-1,该芯片鉴相精度达到0.03°,且为无源器件,使用简单方便。因此,整个测量装置具有小型化和高精度的特点。
1 测量原理
图1为测量装置原理框图。信号发生器输出2路频率为21.4 MHz的正弦波信号,一路输入激励线圈产生主磁场。2个梯度检测线圈分别放在激励线圈的上下侧,3个线圈同轴,被测物靠近其中一个线圈。2个线圈同名端连接在一起,2个梯度线圈的检测信号输入后方的差动放大器,主磁场被抵消,被测物产生的扰动磁场信号被放大。放大器的输出信号经过滤波以后,送入鉴相器的一个输入端,信号发生器输出的另外一路参考信号送入鉴相器的另外一个输入端。鉴相器可以检测出2路输入信号的相位差(与被测物电导率有关),并转换成与相位差成比例的模拟直流电压信号。此信号经过AD转换以后送入单片机。单片机将数字信号校准处理以后换算成相位差,送给显示模块显示。
2 系统设计
2.1 线圈设计
线圈结构如图2所示。激励线圈和2个梯度线圈都和有机玻璃套筒通过螺纹连接在一起,3个线圈之间的距离可以任意调节。有机玻璃套筒又固定在塑料平台上(如图中白色部分所示),另外一个梯度线圈在塑料平台下(图2中未显示)。线圈采用0.8 mm铜漆包线绕制,激励线圈30匝,梯度检测线圈21匝,所有线圈直径Φ=79 mm。激励信号输入到中间的激励线圈,被测物放在其中一个梯度线圈的上端。2个线圈同名端相连,2个梯度线圈的信号输入到后面的差动放大器。
2.2 差动放大电路
本系统工作频率为21.4 MHz,必须采用高带宽的运算放大器。由于线圈受到的干扰因素很多,必须采用高共模抑制比的放大器,因此选用AD公司生产的高性能运放AD8130。AD8130在增益为1时,带宽为270 MHz,转换率为1 090 V/μs,CMRR为94 d B(最小值),1 MΩ高输入阻抗,差分。AD8130只需要外接2个电阻就可以调节增益,连接电路如图3所示。
2.3 鉴相器
鉴相器是本系统的关键元件,其线性度和灵敏度直接关系到测量精度。本系统选用了美国Mini-circuit公司的SYPD-1型鉴相器(如图4所示)。SYPD-1是一款无源鉴相芯片,可以将2路输入的同频率正弦信号的相位差转换成与之成比例的直流电压输出。SYPD-1的鉴相频段范围为1~100 MHz,2个输入信号的隔离度在40 d B以上,灵敏度为8 m V/(°),直流电压输出范围为-1 000~1 000 m V,直流输出偏差典型值为0.2 m V。SYPD-1要求输入信号功率为7 d Bm(约为1.64 VPP)左右,输入阻抗50Ω。经实验发现,输入信号幅度超过1.64 VPP,输入信号失真,过小导致输出电压范围缩小,分辨率降低。在实验过程中发现,2路输入信号的幅度必须一致,否则会造成误差。
2.4 模数转换电路和单片机连接电路
SYPD-1鉴相电路中AD转换器的选择也很重要,如果AD分辨率低于SYPD-1的分辨率,那么整个电路的分辨率反而降低。SYPD-1的输出偏差典型值为0.2 m V,输出范围为-1 000~1 000 m V,由此可计算出分辨率为2 000/0.2=10 000,所以必须选择大于12位的AD。本测量电路使用的AD公司生产的AD7705。AD7705是16位分辨率的A/D转换器,2通道全差分模拟输入,使用+5 V单电源,主要应用于低频测量。它利用了∑-Δ转换技术实现了16位无G失代码性能,三线数字接口,可以通过串行输入接口由软件配置芯片的增益值、输入信号极性和数据更新速率,非常灵活方便,具有自校准和系统校准功能,能够消除器件本身和系统的增益以及偏移误差[10,11]。
单片机使用了宏晶单片机STC89C51RC+,兼容传统51系列单片机。AD与单片机连接电路如图5所示。单片机通过DIN、DOUT、SCLK 3条线与AD7705串行通信,用于设置AD7705内部寄存器等,并读取其转换的16位数据。RE-SET7705用于上电复位AD7705,DRDY连接到AD7705输出的转换完成信号,AD7705每转换完成1次,就会输出1个触发信号,此触发信号会触发单片机中断,单片机在中断服务程序中读取转换数据。DINLED、LOADLED、CLKLED分别连接到显示模块的数据线,控制显示模块显示相位差数据。
3 实验结果
3.1 线性度测试
为了测量系统的线性度,在系统处于无待测物状态下,将信号发生器输出的相位差为40°(抵消系统相位偏差)、频率为21.4 MHz的2路正弦信号输入到测量装置。每次将信号源的相位差调整增加1°,直到50°。对于每一个信号源相位差,使用本测量装置测量10次,并计算平均值。最后得到的线性度曲线如图6所示。
3.2 电导率分辨能力测试
分别配置3种200 m L Na Cl溶液,电导率分别为0.5、1.3、7.8 S/m,分别模拟不同的生物组织。使用本测量装置测量3种Na Cl溶液产生的相位差。测量时,将装有待测溶液的烧杯放置于某一梯度线圈的上部,并同轴,每次保持位置不变。对于每种溶液测量10次相位差,并计算平均值,测量结果如图7所示。按照电导率从小到大,3种Na Cl溶液产生的相位差依次为0.768 81°、0.869 03°、0.886 61°。
4 讨论
从实验结果来看,本文建立的磁感应测量系统的线性度非常好,对不同溶液的电导率有一定的分辨能力。但是在实验中也存在一些问题:(1)电导率分辨率不高,对于生物组织的较小电导率范围为0.02~2 S/m,分辨能力不足;(2)系统整体漂移较大,在实验中经过测试,系统在1 h内的相位差漂移为0.047°。
造成这些问题的原因主要是:(1)线圈没有找到主磁场抵消最大的相互距离,主磁场没有完全抵消,以后还要继续调整;(2)差动电路与线圈之间较远,之间的连线较长,信号衰减较大,受到的干扰较大。下一步工作将优化鉴相器与AD的电路设计,采用4层板,使AD7705受到的干扰最小,这样才能达到较高的精度,经过改造后磁感应测量装置性能将会得到很大提升。
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磁感应治疗 篇6
关键词：高中,物理,电磁感应,融入教学方式
在高中物理电磁感应知识的教学过程中,可以融入学生对物理知识以及自然现象的熟悉度,结合学生兴趣培养、个性养成等多方面的因素,尤其是启发高中学生在观察实验现象,领悟教学重点等多方面的知识素养,从而促使学生对电磁场中电流产生的条件等知识点进行归纳总结,同时,在有效的实验教学环节中培养和实现学生的知识运用水平及其分析问题和解决问题的综合能力。
一、电磁感应知识融入高中物理教学的重要性
1.兴趣培养的重要手段
通过高中物理基础知识的融入,尤其是采用现代化的教学手段,将电磁感应知识与学生的兴趣培养相融入,构建多层次、多角度、多视角的教学创新,让学生在自我学习中感受到物理知识带来的乐趣,增强物理学习的能力,尤其是加强物理实验的运用,更好的将电磁感应知识作为物理知识学习的重要方式,形成高中生自主探究、自我学习的运用方式,并加强对公式的运用、定理的把握等,更好的发挥出整体的教学效应。譬如,在“电流磁效应的发现”环节的教学中,在过程叙事与逻辑分析结合的基础上,层层递进地将奥斯特如何思考并最终发现电流的周围存在磁场这一现象的过程呈现给学生,有利其更好地领会物理规律自身所包含的本质与内涵,从而起到良好的兴趣引导作用,将学生的个性思维与智力开发充分地调动起来。
2.创新知识的重要载体
当前,在我国的物理教学课程指标中明确提出,物理教学的重要任务是培样学生的基本物理知识并训练其技能,通过对物理学的基本理论知识及其原理认真学习,使学生对物理现象与科学研究的方法有的更为深入的了解,并且使得学生的创新意识和实践能力得到增强。伴随我国物流教学方法的完善及教学水平的不断提升,物理教学和实验的内容不一再追求物理学本身的完善性及全面性,而是在教学题材和课程目标中融入了学生们应当重点掌握的一些更有价值的物理学内容,这样更加接近实践化的教学设置,使学生在科学教学中更好的掌握科学研究方法、学科思想、及学科知识。
二、分析高中物理教学中电磁感应教学存在的问题
1.新课程理念的“高要求”与教学实践的“超现实”脱节
虽然在新课改初期所有任课老师都参与了各级培训,但不同的教师,对课程标准的解读和落实都有自己的观点,并且对新方法及新模式的理解与把握存在很大差异。对于绝大多数的一线教师在课堂教学实践中不能及时解决所遇到的问题,使得他们“穿新鞋走老路”。电磁感应教学及实践需要教师将现实生活与物理理论知识很好的结合起来,为了强化学生更好的掌握电磁感应理论,可以利用一些经典的实验,但当前,我国面临着新课程要求脱离教学实践的物理教学,值得教师反思。
2.教学课时少与教学内容多的矛盾突出
以高中课堂的电磁感应教学为例,首先,按照教学规定,教学年度总计40课时,但此课时计算是建立在平均指标之上的,而各教学部门的实际教学计划安排往往会因为学生水平层次的差异而产生有所不同的课时量。从一线教师的实际授课情况来看,如果依据实际情况进行排课,至少需要55课时才能完成教学。物理教师难以适应每周3节的物理课,人均教学班数增加是周课时少面临的又一问题,批改作业工作量随之大大增加,师生之间交流的机会骤减,对学生学习过程的评价难度也随之增加。其次,由于学生可分配到电磁感应环节的自习时间存在较大不足的问题,且其在校期间物理课总体自主学习时间同时也受到诸如主科学习时间、课外活动安排等各方面因素的限制,加之任课教师个别辅导的时间极为有限,在一定程度上造成了学生较高的知识点遗忘率,使得学生物理学习的困难情绪与恐惧心理不断增加。
3.实验教学与实验设备的相对滞后
在电磁感应的教学活动中,将理论和现实紧密连接的一个重要方面是实验教学,学生对于理论知识的把握在不同教学环节中的互动能够得到进一步的提升。新课程的教学要求更为注重教学的过程与模式,强调对学生实践能力的培养,对实验教学过程中演示性和探究性的实验类型数量要求也有了明显的提高,这也就对教学部门的实验室配备标准提出了更高的要求。同时,在“迷你实验室”和“实验与探究”两个栏目中出现了诸多的实验内容,而现实的情况是,许多学校物理实验室的建设与配备标准仍然落后于新课程对实验环节的教学要求,部分实验室存在缺少相关实验所需器材与设备的现象,现行实验室标准仍不能完全实现完全的“与时俱进”,从而导致课前需要准备的教学仪器让教师费时费力。并且,依照新课程理念,教学要接近学生的实际生活,生活中常用物品可以作为探究实验的器材,而教师在准备教学的过程中需要消耗大量的时间,也需要较长的时间来逐步积累实验器材。
三、概述高中物理电磁感应知识教学中探究式融入教学的特点
1.全面拓宽教学资源
学生在课前对电磁感应知识点内容进行预习与自主学习,依照课本中所列出的相关实验设备仿制楞次定律演示仪,可利用的材料从日常用品中获取,如金属易拉罐、泡沫块、长针和吸管等,磁铁和铝管等材料则可以用于对比落体实验,学生从此类实验中能够自发探究相关知识点所涉及的物理规律,从而能够实现从体验到思考,再到发现的过程。学生在课前利用网络资源查阅电磁感应与相关历史人物方面的资料,既可保证新知识学习前的充分准备,也能为之后的课堂学习与实验探究环节奠定有效的前期基础。通过这样的环环相接的教学与自主学习模式,学生在利用现代科技手段进行实际动手收集、筛选、加工、整理和归纳信息方面的能力能够得到合理有效的培养与提升。另外,在课后总结与作业环节,可鼓励学生进行一定的自制研究,如制作一个简易小型发电机模型等,这样可以促使学生自觉利用网络查询电力知识模块方面的相关资料与操作方法,使其能够将课堂学习、生活实际与所掌握的物理知识紧密联系,从而拓展学生运用知识进行探究的渠道,也能在很大程度上拓展探究式学习的空间。
2.激发思维以巩固认知
学生作为知识框架构建下自主学习的主体,其在问题探究过程中所表现出来的热情与精神状态对教学效果有着直接的影响作用。举例来看,在新课的教学中,适当引入如军事武器中的电磁轨道炮、“神州五号”装备的太阳能电池帆以及“三峡电站”等与现阶段的重大科技事件和热点新闻密切关联的内容,可以突出教学内容的时代感,能够贴近学生的实际关注点与兴趣爱好方向。
在实验环节中,引导学生利用自制的实验器材进行知识点和物理规律的实际演示,从一个侧面激发了学生的探究兴趣和求知欲望。例如,将法拉第“电生磁”产生“磁生电”的设想引入到学生的自制器材实验中,可拓宽学生的思维空间,使其对物理探究产生兴趣乃至热情。教师在整个过程中需要不断激励学生勇于创新的精神,鼓励学生尝试不同于传统课本范例的新方式:在实验探究中,将原线圈置于副线圈中保持静止状态,将铁芯插入或拔出,或者,将原线圈放于副线圈外侧,通过两者距离的变化来产生感应电流。此类多样化的方法设计,使得学生能够体会到发自内心的快乐与成就感。在实验探究的过程中,设置开放的讨论环境,让学生进行实验心得的交流讨论,从而归纳出感应电流的产生条件。教师再利用多媒体来呈现磁感线条数数量变化与磁通量变化的关系,帮助学生巩固知识点,循序渐进地构建学生的认知结构框架。最后,教师伺机提出提出问题,在仅有线圈、检流计、导线的情况下如何使其产生感应电流,以此来进一步激发学生的认知与思维冲突。这样的实验涉及能够激发学生的思维想象与动手能力,巩固学生的认知基础。
3.领悟科学研究的方法
在实验探究的基础上,需要同时将研究性学习有效融入实际课堂教学中,首先,以法拉第“磁生电”设想为主线引导,让学生自主在第一阶段有效完成实验探究,获得亲身经历与感性认识。然后,引导学生在第二阶段进行小组合作实验与分析,随即进行交流讨论并进行研究分析得出结论,并再次通过实验进行充分的验证,最后在第三阶段设计思维拓展活动来巩固学生知识的应用能力。这样的设计旨在将科学研究的一般方法融合到实验教学的过程中,即提出设想—实验探究—理论分析—实验验证—投入应用,使学生在实验、探究与研究的过程中领悟科学研究的一般方法,提升学生的科学素养。需要注意的是,学生探究式学习与研究性课堂的设计必须以学生的学习发展和知识结构框架构建为中心,不能盲目脱离教学大纲的要求。此类学习的目标在于掌握探究步骤,领悟实验与研究方法,构建知识框架,教师在探究式学习的课堂中需要对学生进行适当和必要的引导或指导,对于实验教学的设计要求较高,需要体现实验教学循序渐进的特点,使探究与研究学习能够逐步递进,同时凸显学生在实验环节的自主性,使其能够在过程中领悟探究的本质与方法。
四、探讨提升电磁感应教学及实验水平的对策
1.注重探究精神培养
现阶段学生所使用的物理教学学习资料中,对于电磁感应环节的学习部分更加突显了学生探究精神的培养,一个人探究精神培养的最好时机是学生时代,科学家们探究自然界、并以对此提出各类证据的一个过程就是科学探究,物理教学在学习和教学的环节中由于自身特点研究内容必不可少,所以需要教学人员高度重视,对于培养学生的探究精神,往往以启发式教学为主,以教学实验为保证。首先教师不能将灌输式教学体现在教学环节中,应当不断的联系生活实践,将一些有意思,有启发的现象利用物理理论表达出来,让学生的学习兴趣得到更好的培养。同时,电磁感应也是物理学中一个非常重要的教学内容,需要大量的实验得到保证,教师可以充分的通过实验环节启发学生自行发现问题、解决问题的能力,这种探究式教学对于提高学生的学习能力以及课堂的教学效果来说都具有非常重要的作用。
2.培养学生的创新能力,鼓励自主设计
步入二十一世纪,对于学生创新能力的培养是一个相当重要的方面。物理教学中学生自主探究问题的一个重要部分是实验环节,鼓励学生像科学家们一样沉浸到实验环节中去,这样可以让学生的科学研究能力科学精神、科学的学习态度得到培养。因此,教师在电磁感应的教学实验环节中,不能给出学生成型的研究设计和研究方案,更不应该给予学生全面的指导和监督,而是应该恰当的扩大开放性,鼓励学生自主思考,自主解决问题。当然,开放的程度也要有适当的度,否则学生或许会由于缺乏合理的指导而没有办法继续进行下去。学生们必须培养自己的探究性学习方法,提出属于自己的探究性研究方案,例如在楞次定律的教学中,学生们就需要首先熟悉电流的方向和红黑线的关系,这样学生们才可以更好培养出自己的探究性研究方案能力,也更加适应现代年轻人的认知水平。
3.强化实践意识,培养学习兴趣
实验环节在物理教学中具有非常突出和重要的作用,是物理教学的一大特点,充分理解与强化理论知识就是实践环节的一个重要部分和目标,其也是学生学习兴趣培养的一个重要环节,电磁感应的实践教学环节主要通过物理教学中的一些典型的实验得到保证,当前,教师需在此基础上不断开发与创新教学实践部分和内容。比如,演示实验—条形磁铁插入线圈观察:“1.将条形磁铁插入或抽出时,可见电流表的指针偏转。2.磁铁与线圈相对静止时,可见电流表指针不偏转。现象分析:(师生讨论)对线圈回路,当线圈与磁铁有沿轴线的相对运动时,所处磁场因磁铁的远离和靠近而变化,而S未变,故穿过线圈的磁通变化,产生感应电流,而当磁铁不动时,线圈处B,S不变,故无感应电流”。通过实验教学中的现象分析,学生可以直观的了解到电磁感应这一知识点,从而产生兴趣,主动掌握更多的知识与应用技能。
4.创新教学方法,引导学生思维
思维引导在高中物理教学过程中扮演着极为重要的角色,也是学生形成物理知识构成体系的需要,教师需要在学生所掌握的物理基础知识上,引导其学会融会贯通,自主拓展相关知识面,拜托固有思维模式的限制。在教学中,可以按知识的“学习巩固—回顾联系—融会贯通—思维拓展—能力培养”这样的步骤顺序展开教学,使学生的知识和能力能够得到同步提高。
例如,在电磁感应现象的教学中,首先从内容导入教学:奥斯特实验搭建的电、磁连通桥梁使人们对电能产生磁这一规律深信不疑,但同时又存在磁是否能产生电的疑问。英国物理学家法拉第则坚信电与磁决不是两个孤立的单位,两者之间有着必然的密切联系,他认为在磁场中放置的导线内产生电流需要一定的条件,法拉第通过十年大量的实验,最终发现了这一条件,从而开创了物理学的新空间。其次,该教学环节的第二步应为教师演示实验和学生的实践实验,即观察导体在磁场中切割磁力线的运动现象:AB做切割磁感线运动,电流表指针可见明显的偏转。由此,可以得到初步结论:当闭合回路中的部分导体做切割磁感线的运动时,电路中会产生电流。相应现象分析为:导体在不切割磁力线时,电路中不产生电流,反之,导体在切割磁力线时闭合电路中存在电流。此处,教师引导学生回顾磁通量的定义。第三个环节设计为师生间的相互讨论:相对闭合回路而言,所处磁场未变,仅因为AB的运动使回路在磁场中部分面积产生变化,导致穿过回路的磁通发生变化,故回路中产生了电流。因此,教师通过对教学方法的不断改革与创新,引导学生在新理念基础上拓宽思维模式,有益于学生对所学物理知识的实际运用能力,同时也提高了其具体分析与解题的能力。
五、结语
高中物理教学中电磁感应知识的融入教学,是作为推动整个课程教学的关键点,在实际的教学过程中,既要全面思考整个教学过程的应用,也要从围绕学生思维能力的拓宽,更多的融入整个教学模式的创新手段,让学生在知识的构建中学到解题、分析问题的能力,拓展自己的思维能力。同时,物理学科的教学必须与实践探究、分析归纳与实验验证等要素紧密联系。教师在教学的过程中需要利用现代教育技术与互联网资源,不断创新教学设计与教学方法,将物理基础知识点与实验、分析、验证、解题、理解、巩固等诸多方面的过程相结合,合理有效的引导学生,激发学习兴趣,培养动手与分析能力,从而构建完整的知识结构框架,发挥课堂教学与实验实践相结合的优势,实现素质教育与能力培养目标,提升教学效果。
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高频感应加热弯板成型感应器的设计 篇7
感应加热是利用交变电流通过闭合的线圈产生交变磁场, 感应磁场内金属工件使其迅速升温的一种加热方式。由于电磁感应加热具有升温快、效率高、污染少等优点, 是人们当前重点研究的“水火弯板”新型热源。
1 感应加热原理
1) 交变的电流产生交变的磁场。当某一导体上有交变的电流通过时, 它的内部和周围就会产生交变的磁场。
2) 交变的磁感生电流。闭合导体回路所包围的磁场发生变化时, 这个回路中就会感生电流。
3) 电流流动产生热。电流在金属内的流动过程中会因克服电阻而产生热量。
上述的这3个方面, 清楚表达出了感应加热的原理。感应加热的全过程就是:高频变压器产生交变的电流, 感应器将交变的电流转化为交变的磁场, 交变的磁场在钢板内部感生电流, 感生电流流动时因克服电阻而产生热量。
2 感应器的组成及种类
2.1 感应器的组成
感应器通常是由施感导体、导磁介质、汇流排、冷却系统和连接机构等5个部分组成的。
1) 施感导体, 是将交变电流转化为磁场的装置, 一般采用方形或圆形的紫铜管绕制。
2) 导磁介质, 是减少磁力线散失的物质, 使用导磁体可以提高感应器的效率。
3) 汇流排, 是向施感导体传输电流的装置, 一般采用厚度为4mm左右的铜板制造。
4) 冷却系统, 是冷却施感导体和汇流排的装置, 一般直接在施感导体铜管内通循环冷却水。
5) 连接机构, 是连接汇流排与高频变压器的部件, 通常使用铜制螺栓紧固。
2.2 感应器的种类
按感应器的用途和形状可以分为很多种, 但本文只研究用于线形加热平面钢板的感应器。平面线形感应器主要分为单线形、双线形和多线形等几种。
3 设计感应器的要点
3.1 高频电流的三种效应
设计感应器前, 应当充分了解高频电流的三种效应。
1) 邻近效应, 指的是导体内高频电流的密度因受相邻导体中电流的影响而分布不均匀的现象。当两个相互平行的导体通入方向相反的高频电流时, 电流就会大量集中在两个导体的邻近侧;反之, 则会分布在最远侧。
2) 趋肤效应, 指的是导体表面的电流密度大于导体内部电流密度的现象。交变电流的频率越高, 密度差就越大。
3) 圆环效应, 指的是高频电流通过圆环形线圈时, 电流会大量集中在线圈内侧的现象。
3.2 感应器应满足的条件
1) 结构简单、机械强度足够;
2) 效率高、损耗小;
3) 加热面积呈线形;
4) 具有良好的冷却效果。
3.3 绕制施感导体的铜管选用
1) 截面形状的选择。加热平面钢板时, 方铜管与钢板表面的贴合度好、磁力线散失少, 并且冷却效果也优于圆铜管, 因此采用方铜管为佳。
2) 高宽比的选择。方形铜管截面的高宽比h/b越小, 圆环效应就越弱、电效率就越高;但h/b过小会影响到感应器的冷却效果和机械强度。综合考虑各种因素并参考经验数据, 高度h取5~9mm、宽度b取9~11mm为合适。
3) 铜管厚度的选择。生产实践经验表明, 在加热时间较短 (感应加热弯板的加热时间通常都比较短) 的情况下, 如果铜管内不通水冷却, 壁厚δp应取1.5±0.5mm;如果铜管内通水冷却, 则壁厚δp取1±0.5mm为佳。
b、截面宽度h、截面高度
L、感应器的长度c、感应导体内侧间距
3.4 施感导体的形状及尺寸的选择
1) 施感导体形状的选择。单线形施感导体长度较短, 效率低;多线形施感导体的磁场较为复杂, 难以实现线形加热;相比之下, 双线形施感导体符合要求, 双线形施感导体又分为异向电流型和同向电流型两种。
当两个平行导体内通上异向高频电流时, 在临近效应和圆环效应的影响下, 高频电流会大量积聚在导体的内侧。同时根据右手定则, 两个导体的内侧会叠加方向相同的磁场、外侧则产生反向抵消的磁场。而当两个平行导体通上同向电流时, 情况正好相反。由此可以看出, 采用U型施感导体 (双线形异向电流) 符合线状加热的要求, 如图3.2所示。
2) 感应器长度L的选择。从工作效率的角度来看, 感应器越长越好;但从水火弯板的加工过程来看, 由于钢板会逐渐的弯曲变形, 感应器太长则难以与钢板相合。综合考虑上述因素并结合国内外的资料分析, L值取在140~220mm范围内为好。
3) 施感导体内侧间距C的选择。两平行导体内通上异向高频电流时, 会在其下方产生方向相反的感应涡流, 如果间距C过小将导致感应涡流相互消弱、过大则不能满足线状加热的要求, 根据参考资料分析, C值选在5~20mm范围内为佳。
3.5 感应器电效率的计算
感应器电效率的高低主要取决于感应器自身的阻抗损耗, 电效率可采用下式进行计算:
式中ηE为感应器的电效率;L1为汇流排的电感;L2为施感导体的电感;z1为汇流排的阻抗;ω为高频变压器输出电流的频率;z2为施感导体的阻抗。由此公式可以看出, 汇流排的阻抗z1越小, 感应器的电效率就越高。3.1式中的汇流排电感L1和施感导体电感L2可采用下式计算:
式中a1、b1、b2、l1、l2、l3如图3.3中所注;;a为钢板与感应器的间距;lu为施感导体的长度;h为感应器的高度。
由3.1式和3.2式可以看出, 降低L1或L2增大都可以提高感应器的电效率。若要降低L1, 可以通过减小l1、l2、l3或α来实现;但如果想增大L2, 只能够提高lu/h的比值 (比值通常都大于5) , 而不应该增大钢板和感应器的间距α (增大α会导致漏磁量增大) 。
a1、汇流排之间的间隙b1、汇流排的宽度b2、铜管的高度l1、连接机构与导磁体间距l2、汇流排转角处与导磁体间距l3、导磁体与铜管顶部间距
4 感应加热温度场的数值模拟
依据前述的各项感应器的设计要求, 运用ANSYS软件, 按照4.1表列出的参数建立如4.2图所示的感应加热钢板的系统有限元模型, 进行磁热耦合场瞬态分析。分析的结果如图4.3“钢板温度云图”和图4.4“垂直加热线方向温度分布曲线”所示, 加热面积的中心线是钢板产生最高温度 (765℃) 的位置, 温度沿加热线长度方向均匀分布、在宽度方向对称分布。从宽度方向来看, 高于580℃以上的区域宽度约为30mm。
通过感应加热温度场的数值模拟, 可以较为准确的检查出加热线的长度、宽度、温度值的高低和分布范围等, 如不符合标准, 可在更改参数后再次分析运算, 直至符合要求为止。
5 结语
设计制造感应加热设备已经有了几十年的历程, 在长期的生产实践中积累了很多的经验方法和经验数据, 但这些经验方法存在一定的离散性, 需要不断的加以探索和改进。利用磁热耦合场的数值模拟结果, 不但可以检验经验设计方法的准确程度, 还可以通过修正参数来得到感应加热钢板的最佳温度分布, 从而达到提高设计效率、降低制造成本的目的。
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