线圈技术

线圈技术（精选十篇）

线圈技术 篇1

在次级线圈中电阻正比于火花塞电极间的间隙, 电极间隙越大, 电阻就越大, 因此所需击穿的电压就越高。电喷发动机击穿火花塞电极间隙的电压需10 000 V, 点火线圈的次级线圈可提供30 000 V电压。正常需要电压和最大的次级电压之间的差值叫做次级储备电压, 它可以补偿节气门开度大 (发动机大负荷时) 、发动机高速运转、高气缸压力及火花塞间隙变大时 (燃烧室温度过高, 造成电极烧蚀) 次级电阻增大的需要, 保证工作的可靠性。次级储备电压越高, 工作的可靠性越好。

点火线圈的初级线圈通电时, 其周围产生磁场, 并由于铁心作用而加强。点火模块断开低压电路, 初级电路电压迅速降为0, 铁心中的磁场随之迅速衰减以至消失, 匝数多、导线细的次级线圈中感应出30 000 V电压, 使火花塞电极间隙被击穿, 产生电火花。

点火线圈虽然不象火花塞和高压点火线那样容易损坏, 但是如果使用方法不当, 就会很容易造成点火线圈的损坏。因此, 我们要学会检测点火线圈的技术状态的好坏。

1. 外观检查。

察看点火线圈外表, 若发现绝缘盖破裂或外壳损坏, 接柱松动或滑丝, 充填物外溢, 高压插座接触不良以及接头生锈等现象, 应予以更换。因为盖壳破裂、损坏后, 很容易使点火线圈受潮而失去点火能力。另外, 在发动机工作时, 也可用手触摸点火线圈, 感知它的温度状况。若稍有微热, 则为点火线圈良好;若是感到很烫手, 说明点火线圈已经损坏, 应予更换。

2. 跳火检查。

在没有设备的情况下, 可在发动机上用试火法进行粗略检查, 或进行对比检查。首先调整好断电器触点间隙, 保持电容器状况良好, 然后接通点火开关, 将分电器盖上的中央高压线拔出, 并置于距发动机机体 (不要沾着油类易燃物) 表面约6 mm处。一手拨动断电器活动触点, 使之由闭合到断开, 此时高压线端头与机体之间应有强烈的蓝色火花跳过, 且各缸均如此, 可认为点火线圈正常。若高压线与缸体间无跳火, 则为点火线圈技术状况不良。若其跳火微弱, 则点火线圈低压线路有搭铁故障, 应予检修。当一时难以确定时, 可将可疑的点火线圈与良好的点火线圈分别作跳火试验, 若两者火花差别很大, 则可疑的点火线圈确实有故障, 应予更换。

3. 初级绕组电阻的检查。

用万用表测量初级绕组, 可检查初级绕组有无短路、断路故障。其方法是:将万用表两表笔分别接初级绕组的两个接柱, 测量其阻值应符合规定 (DQ125型点火线圈初级绕组在20℃时的电阻值约为1.8Ω) 。若阻值过小, 说明绕组有短路故障;若表针不动, 阻值无限大, 说明绕组有断路故障。然后再将万用表的两表笔分别接低压接柱 (正、负接柱均可) 和外壳, 其阻值应为无穷大;如果阻值为0, 则低压绕组有搭铁故障, 应检修或更换。

4. 次级绕组的检验。

用万用表检查次级绕组的电阻。万用表的一只表笔接高压插孔, 另一只表笔接低压接线柱。对于DQ125型点火线圈, 其次级绕组正常值应为5 kΩ左右。若过小, 说明有短路故障;若为无限大, 说明有断路故障。也可采用220 V交流试灯进行检查。用220 V交流电为电源, 串联一只15 W试灯。用试灯的一根触针插进高压线插孔, 用另一根触针划碰“-”接线柱, 若试灯暗红, 且划碰处出现微火, 表明次级绕组良好;若试灯不亮, 划碰处无火花出现, 说明次级绕组断路, 应换用新件。

5. 点火线圈绝缘性能的检查。

点火线圈的绝缘性能可采用220 V交流灯检查低压线圈的绝缘情况。将试灯的一端直接接点火线圈外壳, 另一端通过220 V交流电源接其初级绕组接线柱。若试灯发亮, 表明初级绕组与外壳连通 (搭铁) , 绝缘性能极差, 应予以更换。若试灯不亮, 说明低压线圈绝缘性能良好, 无搭铁故障。对于高压线圈, 因为它的两个头一个接于高压插孔, 另一个一般与低压线圈相接。但也有与外壳相接的, 所以在检验是否有短路故障时, 应将试灯的一个触针接高压插孔, 另一触针接低压接柱或外壳。此时, 如试灯暗红或不亮, 即表示没有短路, 否则如发出亮光, 则表示已经短路。

6. 点火线圈发光强度的检查。

线圈车间工艺纪律 篇2

0TB.910.001.1 共1页 第1页

本工艺纪律适用于线圈班组的生产过程和工艺准备等工作 保持室内干净清洁，地面无灰尘、杂物。2 工装分类摆放、齐全、完好。3 生产前工艺准备充分。包括：

① 任务明确，理解并熟悉技术条件、生产图纸、工艺守则。② 工、卡、量、模具齐全完好备用。

线圈技术 篇3

【关键词】电气操作；跳闸线圈烧损；技术措施

众所周知，电力专业人员在进行跳闸以及合闸线圈的设计工作中都是按照短时通电的情况来进行设计的，在实际的工作中，一旦出现跳闸和合闸的线圈烧毁问题，多数都是由于回路电流发生了变化，使其不能进行正常的切断和接通，使得线圈造成长时间通电。也就是说，电力系统的通电情况不受人为的控制，开关装置形同虚设。

1.分闸线圈长时间通电的故障原因和解决措施

1.1分闸电磁铁机械故障

在电力系统运行的过程中，如果线圈出现了松动的现象就会造成断路器在分闸时电磁铁芯出现位移的现象，如果接触不严就会造成电流的运行不畅，导致线圈烧毁。如果铁芯的活动冲程较小也会造成线圈的损坏。如果在这一过程中接通回路的电源，就会使得铁芯出现脱扣，导致线圈的长时间通电。

解决措施：针对这一问题，应该对线圈的松紧程度进行控制。要根据设备的运行特点来对线圈的松动情况进行检测和维护，同时还要将铁心的活动冲程控制在规范的范围内。

1.2断路器拒分

如果控制回路的相应设备等都处于正常运行的状态，断路器出现拒分的问题就是因为连杆机构出现了严重的问题，对其的调节程度不当。断路器的拒分是一个较为严重的问题，在电力系统的运行过程中出现的频率较大，如果故障严重就睡使得机构出现脱扣问题，增强线圈的承载量，造成严重的烧毁问题。

解决措施：为了改善断路器的拒分问题，需要对连杆机构进行有效地调整，同时要对相关的工作人员提出较高的要求。要在实际的工作中，加强对电流的检测工作，避免出现合闸线圈烧毁的现象。

1.3辅助开关分合闸状态位置调整不当

当断路器处于分合闸状态的时候，应该对辅助开关进行调整，将其控制在标准的范围内，要对断路器的开关和相应的行程数据等进行有效地调整。对分合闸的状态进行相应的调整，而开关的位置区没有出现任何变动，就会使得无法正常切换，导致线圈的烧毁现象。

解决措施：如果遇到这种问题，就要保证断路器的分合闸状态和辅助开关的状态保持一致。要对开关分合闸的状态位置进行合理地调整，这样才能保证分闸的线圈不出现烧毁的现象，减少电力设备的损失以及电力工程的造价。

1.4分闸控制回路辅助开关接点使用不当

通常情况下，分闸控制回路上都会有一堆延时性的动合接点，设置这一接点的目的就是为了保证断路器在合闸的过程中出现短路或者是短路的现象时，可以进行自由的脱扣。但是在实际的操作过程中，如果断路器的合闸时间相对较短，或者是小于分闸的时间，就会使得断路器设备出现故障的问题。这时，分闸控制回路的辅助开关设置的接点就失去了其应有的作用。如果这一延时性接点在分闸的时候触头的绝缘性也相对较小，就会产生拉弧的问题。由于电力系统正在不断运行，久而久之就会造成线圈的烧毁现象。

解决措施：为了有效地解决这一问题，需要对辅助开关的接点进行控制，要保证其作用得到有效地发挥。另外，分闸控制管理人员需要定时对电力系统进行检查，保证其运行的安全性和稳定性。

1.5分闸回路电阻偏大

分闸线圈回路绝缘降低，或是线路过细造成电阻偏大，使得分闸回路电压有衰减，导致控制电压达不到线圈分闸电压动作值，分闸线圈长期带电，线圈烧毁。

解决措施：

（1）将分闸回路的延时动合接点改接为一对普通的常开接点，经常检查辅助开关的接点及辅助开关的拐臂螺丝，正确调整辅助开关的位置，使辅助开关与断路器分合闸位置正确、有效地配合。

（2）固定好分闸线圈，经常检查分闸线圈的铁芯有无卡涩。

（3）每年的检修工作中，正确调整好断路器的连桿机构，经常检查断路器的自由脱扣是否正常，断路器的低电压动作试验是否在额定电压的30%-65%时可靠跳闸。

2.合闸线圈长时间通电造成线圈烧毁的原因以及解决措施

2.1断路器机构故障

当断路器合闸控制回路正常时，断路器本体的内导电杆、传动连杆等卡涩，或是因为断路器操作机构连板配合不好，死点调得偏高，导致断路器拒合闸，使合闸铁芯过载，引起线圈烧坏。

2.2辅助开关位置不当

正常合闸时，断路器的合闸接触器的线圈回路与辅助开关的常闭延时接点串联，断路器合闸后，辅助开关接点自动切断合闸回路，辅助接点打不开或拉弧，合闸接触器通过重合闸回路或绿灯回路自保持，合闸线圈长时间带电而被烧毁。

2.3合闸接触器故障

断路器合闸时，由于合闸电流比较大，控制回路不能直接控制合闸线圈，只能通过合闸接触器间接接通合闸线圈。因此，当合闸接触器发生故障时，不能及时断开，使合闸线圈通电时间过长，烧毁线圈。另外，合闸接触器的线圈电阻变大，会使合闸接触器正常通电时吸合力度不够，主触点产生拉弧，久而久之，合闸接触器的主触点接触电阻增大，间接地影响断路器合闸线圈的励磁电流，使合闸线圈的励磁力度不足，铁芯不能正确动作，使线圈过载，造成线圈烧毁。

2.4合闸电源容量下降，或者合闸回路电阻偏大，使合闸瞬间合闸线圈两端电压低于80%。

合闸线圈烧毁的预防措施：

（1）加强合闸接触器的检查、维护。每次开关小修、周期大修都要对其进行检查动、静触头表面接触面积、接触压力等。

（2）正确调整辅助开关的位置。

（3）要求值班员在许可工作前，除必须取下控制回路熔断器外，还应将重合闸投切回路打开，避免检修、试验工作中造成烧合闸线圈的可能。

以上分合闸线圈烧毁的原因和防范措施，都是在正常操作和设备检修中过程中发现总结出来的，只要我们对此类问题高度重视和加强管理，就可以减少此类事故发生的机率。

3.总结

综上所述，由于电力设备的跳闸线圈容易出现烧毁的问题，因此，需要相关的工作人员根据电力系统的运行特点，找到产生线圈损坏的原因，并且针对具体的故障问题找到解决的措施和方法。同时电力操作的技术人员和操作人员都应该加强对自身素质的培养。这样才能更好地解决电力设备出现的诸多问题，减少电力设备故障带来的损失。

【参考文献】

[1]刘胜利，潘白浪，沈联芳，张建勋.AVC控制下的断路器跳闸线圈烧毁[J].农村电气化，2013（01）.

[2]乔翠红.高压断路器常见问题及处理方法[J].北方钒钛，2010（02）.

线圈技术 篇4

关键词：螺旋平面线圈,感应电能传输,有限元分析,数学模型

0 引言

近年来,电动汽车的感应电能传输技术迅猛发展。学者对感应电能传输技术的效率进行了研究,指出耦合系数与传输效率密切相关［1 ～ 3］。为了提高效率,日本学者提出了附加耦合电容的方法,这种方法对于参数变化的鲁棒性更强［4］。文献[5]分析了原边线圈和副边线圈在没有对准的情况下的传输效率。新西兰奥克兰大学的学者提出了双向流动的三相逆变器,仿真结果表明该系统适用于5 k W的电池充电系统。文献[6]分析了太阳能和风能同时接入汽车时对充电系统的影响,分析了电动汽车感应电能传输时的响应情况。韩国学者提出了利用EECS机构进行汽车非接触式电能传输的方法［7］。该系统可在间隙为20 cm时,实现60 k W的功率传输,同时效率保持在80% 左右。但是由于在汽车底盘加装了大量的金属电刷,使得随着机车行驶距离的增加,会导致金属刷脱落使得充电系统的可靠性降低,因而导致EECS机构没有大规模商业应用的价值。同时,美国政府在加州大学建成了非接触式充电校园公交系统,该系统可在25 mm的距离下实现50 k W电能传输。

虽然利用电磁感应方式进行电动汽车的电能传输已经有了大量的研究,但是还存在充电距离太短( 一般为线圈直径的1 /3)和对停车位置准确度要求过高的问题。本文提出一种在较大气隙长度下(传输距离与线圈直径相等)进行感应电能传输的平面无铁芯式耦合线圈。为了分析系统性能,首先通过耦合线圈的几何参数计算获得耦合系数。同时使用工作在稍高于谐振点的等效LLC串联谐振逆变装置,进行松耦合状态下的补偿。通过理论分析,建立了一个包含输出调节特性的封闭方程组。仿真和试验结果验证了理论分析模型以及电路性能的准确性,当初次级线圈距离为100 mm时,满载情况下传输功率达到2 000 W,同时传输效率保持在93%。

1 分析模型

平面线圈如图1 所示,其磁场3D分布如图3 所示。建立包含初级侧、次级侧自感和互感的变压器模型,如式( 1) 所示。其中L11,L22为初级侧和次级侧绕组的自感,M为绕组之间的互感。v1,v2为初级侧和次级侧电压,Ψ1和Ψ2为初级侧和次级侧磁链。耦合系数定义为:

通过Neumann方法可以得到互感值,其中 μ0= 4π × 10－ 1,R12为线圈相对位置。

与普通的具有高耦合系数的变压器不同,感应电能传输系统中自感比漏感小得多。因此通过自感的电压要小于漏感电压。通过使用如图4 所示的谐振电路,在谐振工作点附近可以补偿由于漏感造成的电压降。为了与式( 1) 所示的模型保持一致性,必须满足式( 4) 至式( 6) 的约束。

为了建立包含直流输出性能的模型,建立在谐振点附近电流波形为近似正弦时的包含整流模型的精确模型。谐振角频率和特征阻抗为:

1. 1 逆变器模型条件

除整流电流为正弦外,还考虑到如下情况:

1)次级侧电流在θ/ω0时刻为0:

2) 整流电路输出电流平均值等于负载电流:

3) 整流电压vi与次级侧线圈输出电压之差等于谐振电路初级电压与漏感电压之和:

1. 2 运行在谐振点附近的逆变器模型

当系统工作在谐振点附近,逆变电压为:

根据以上的定义,初级侧电流为正弦,可以表示为:

次级侧输出电压和次级侧电流均为交替的方波。考虑到次级侧电压,流过Lmx的电流为:

滤波电容电压与整流二极管输入电压和整流电流同步,因此Vsec为:

次级侧电流为:

对以上方程进行联立求解,即可得到谐振电流输出电流和输出电压为:

其中

如图5 所示为由分析模型计算所得的变量时域变化图,图8为实验结果,通过对比可以验证模型的准确性。

2 实验结果

在实验室搭建如图4 所示的电路模型进行试验,Np= Ns=20,f = 20. 5( k Hz) ,Cp= Cs= 0. 57( μF) ,设计参数如表1 所示。当线圈距离100 mm,输入电压24 V时,逆变器输出电压,初级侧电流,输出电压实验波形如图6所示。实验得到螺旋平面线圈在偏芯情况下的性能,在轴向偏移下的性能和带载能力如图9至图11所示。

在电压增益方面,由图7可以看出,螺旋平面线圈电磁耦合器对于偏芯偏移有很好的适应性,偏芯100 mm时,电压增益仍稳定在5.8%。由图8可以看出,螺旋平面线圈电磁耦合器对于轴向偏移较为敏感,在距离较小和较大时,电压增益误差较大。这是因为在轴向偏移时,漏感变化较大,导致谐振工作点发生偏移所致。在实际使用时可以对谐振频率进行动态调整,以跟踪最佳频率。如图9所示,螺旋平面线圈电磁耦合器可以在较大的负载范围内实现稳定的电压输出并且实验效率在偏芯情况下仍保持90%左右。

3 结束语

中望3D绘制感应线圈 篇5

中望3D在个行业的三维CAD/CAM方面的应用非常广，并且非常易学易用，对于在电子领域中常用的感应线圈，也是可以轻松完成，购买了中望3D的一家电子公司工程师表示，感应线圈虽是比较常用的小零件，用中望3D的智能三维CAD/CAM可以快速就完成绘制，接下来就跟大家分享具体的三维CAD/CAM建模过程。

1.以截面为正方形旋转一个环，锐边倒适当的圆角，2.创建两个草图，一个画一个圆，另一个画一直线。3.使用造型模块里的扫描功能 扫描出环形螺旋曲面。注意扫描功能里的高级设置选项，在扭曲选项按下图参数设置，下面参数设置是螺旋20圈。4.用线框模块里的相交曲线功能，分别选择环形和螺旋曲面。5.删除封闭的一段并延长两条线。6.环形外表面偏移缩小。7.用曲线列表功能创建螺旋线组，并用杆状扫描扫出感应线圈，完成整个建模过程。

小线圈绕出大成功 篇6

这家线圈制品厂生产的产品种类特别繁多，黄炜森进入公司后,自然是从工厂的最底层做起。因为这个行业非常吃香，所以复杂多样的产品，工人们都是竞相研究着，力争做“全才”，而厂里也总是进行这些方面的选拔和竞赛，成绩优秀的人就往往会得到提拔和重用。

黄炜森当然不甘于只做一个小小的工人，要改变命运就必须要奋发努力,所以就特别虚心地学习产品制作技术和生产流程。然而对于前途,黄炜森觉得，盲目地多学并不是一件好事，技术要求精而不求博，技术学得太多，结果只有一个，就是没有一项能做得精，与其如此，不如只在一个领域中慢慢提升自己,通过对技术的掌握,使自己的人生增值。那么到底该着重选择哪一项呢？

黄炜森经过观察后觉得，随着电子工业的发展，在所有生产环节中那个最不起眼的小线圈，作用将会越来越大，市场也会越来越大。更何况，当时香港的电子工业才刚刚起步,许多产品都需要依赖进口,单是电子线圈制品就需要从台湾或者日本进口。

黄炜森毅然选择了电子线圈的生产作为自己的主攻方向，然而这在当时来说是一只从未有人吃过的螃蟹，要付诸实施就需要敢为人先的勇气。接下来的几年里，黄炜森一边继续在工厂打工,一边几乎把所有的精力都用来研究小线圈的生产和改良技术。

1985年，黄炜森利用自己已经掌握的技术,创办了景泰线圈制品有限公司。目的就是由香港本地人自己来生产电子线圈,做到自给自足。

万事开头难,虽然名义上是成立了公司，但是地点是家里,员工是自己一家人，既在家里从事生产,也在家里接下订单,然后下样本、送货,全部都由黄炜森一个人跑进跑出。他就像一台马力十足的机器,一刻不停地运转。

因为对专业技术的掌握，黄炜森生产出来的线圈质量甚至比日本、中国台湾地区进口来的还要好，而价格又便宜许多，所以他的产品很快得到了市场的认可。仅仅用了三年时间，黄炜森的香港作坊式公司就扩大成了拥有200名员工的工厂，而且已经无法满足生产的正常运作，便将工厂开到了内地的多个省市。他公司的业务,也由电子线圈的生产,走向了多元化，发展到包括色码电感器、电子钟表线圈、扼流圈、射频线圈、可调电感器、磁环线圈等等，产品几乎覆盖了东南亚、美国、德国及其它欧洲国家。

前不久，黄炜森被荣选为香港湾仔中西区工商业联合会会长。同时，香港《紫荆》杂志对黄炜森作出了这样的评论：“他凭着一个小小的线圈,绕出了自己成功的一生，这里面体现出来的正是一种独特的睿智与眼光！”

线圈技术 篇7

雷击故障是输电线路的主要故障[1]。雷电参数在电网防雷中具有非常重要的作用, 准确的雷电参数不仅是电网防雷设计的基础, 还是研究雷电特性、分析雷害事故等的前提[2]。自积分式Rogowski线圈 (简称罗氏线圈) 具有测量频带宽、线性度好、结构简单、抗干扰能力强等优点, 被用于输电线路雷击故障雷电参数的测量[3,4,5,6]。由于雷电流低频成分丰富, 罗氏线圈自积分条件无法满足, 往往导致测量的雷电流出现低频失真问题, 给雷电参数准确测量带来较大的误差。为了能够满足罗氏线圈自积分的条件, 应尽量增大线圈电感L, 减小线圈电阻Rc及负载电阻R0, 但该方法增加了罗氏线圈的杂散参数, 降低了罗氏线圈的高频动态响应特性[7];也可把罗氏线圈测量电流信号作为系统传递函数的输入, 根据校正系统是对原测量系统进行逆向还原这一特性, 通过模拟测量自积分式罗氏线圈的输入、输出值来间接取得校正系统的输入和输出[8], 但每个罗氏线圈的电磁参数存在差异且分布电容、互感系数等不易测量, 导致难以得到精确的校正系统传递函数, 在实际产品应用中, 增加了批量生产的复杂度。

本文分析了自积分式罗氏线圈低频失真的原因并对雷电流频谱作了简要分析;提出了一种基于新型模拟积分补偿电路的低频失真校正方法, 分析了其工作原理。最后, 对该电路进行了实验验证。结果表明:本文提出的方法简单有效, 解决了自积分式罗氏线圈用于输电线路雷电流测量时因低频失真导致测量精度不高的问题。

1 基于自积分式罗氏线圈的雷电流测量

1.1 自积分式罗氏线圈测量原理

罗氏线圈的结构如图1所示。将副边导线均匀地密绕在一个截面均匀的非磁性材料的骨架上, 根据电磁感应定律, 当穿过罗氏线圈的被测导体电流i1 (t) 变化时, 磁场将在副边线圈内感应出一个电动势。

自积分式罗氏线圈的等效电路如图2所示。

图2中:i1 (t) 为被测母线电流;M为罗氏线圈与被测电流母线之间的互感系数;L0, R0, C0和r分别为罗氏线圈的自感系数、内阻、分布电容和终端采样电阻[6,9,10]。

为简化分析, 忽略分布电容参数, 根据图2自积分式罗氏线圈等效电路模型, 可列出电路方程为:

对于自积分式罗氏线圈, 电阻R0+r往往很小, 当被测电流i1 (t) 变化率很高时, 满足ωL0R0+r, 得到:

由式 (2) 可知, 当自积分条件满足时, 采样电阻上的压降i2 (t) r与被测电流i1 (t) 呈线性关系。

1.2 自积分式罗氏线圈低频失真产生机理

当考虑分布电容时, 根据图2中罗氏线圈等效电路模型, 设罗氏线圈初始条件为0时, 可以定义罗氏线圈的传递函数为[11,12,13]:

根据式 (3) 求得其下限频率fL和上限频率fH分别为[7]:

对于雷电流含有的低频成分, 电流变化率较小, 在测量雷电流时, 低频成分频率可能在下限频率以下, 不能满足自积分条件, 则终端采样电阻输出信号中就含有微分量。又由式 (1) 可知, 忽略线圈中的低频成分 (R0+r) i2 (t) , 罗氏线圈输出信号i2 (t) r与真实电流i1 (t) 不再呈线性关系, 因此使得罗氏线圈测量的雷电流出现低频失真。

2 自积分式罗氏线圈低频校正方法

2.1 雷电流频谱分析

根据国家建筑物防雷设计规范GB 50057—94, 雷电流所包含的频率从低频到高频都有, 但主要集中在低频部分。雷电波的频谱很宽, 其能量频谱主要集中在几千赫兹到几百千赫兹。对于双指数形式和IEC 1312-1提供的雷电流来说, 大部分雷电流的频谱分布在小于100kHz的范围内, 而对于脉冲函数形式的雷电流, 其频率则分布在小于500kHz的范围内[13,14]。

雷电引起输电线路故障跳闸时, 输电导线上产生的雷电流传至端母线会发生折反射, 其经过母线电容的影响及传播过程中的色散、波头频率、幅值均会发生衰减和畸变, 且雷电流极易受到高压环境中电晕放电、无线电干扰的影响, 往往含有丰富的低频成分。基于自积分式罗氏线圈的雷电流测量方法, 由于不能对低频段很好地响应, 则对于雷电波折反射波的波头和波尾难以辨识。

为了能够精确测量输电线路沿线传播的雷电流, 特别是其在传播过程中经端母线或雷击故障点产生的折反射波的精确测量, 则需对其低频成分在终端采样电阻r中产生的微分量进行积分补偿, 使得经校正电路后的信号输出与被测电流i1 (t) 呈比例关系。假设罗氏线圈初始条件为0, 由式 (1) 变换得到:

2.2 新型模拟积分校正电路的设计

根据自积分式罗氏线圈低频波形失真产生的机理可知, 对于低频失真部分的校正必须对内阻及终端采样电阻的电压降进行积分补偿。模拟积分器具有成本低、动态响应速度快和输入信号范围大的优点[15], 因此本文采用基于模拟积分器的低频失真校正方法, 对被测电流进行逆向还原。

由于理想积分电路中积分电容存在“记忆效应”, 因此实际应用中的积分电路在电容C1两端并联一个较大阻值的电阻, 与积分电容构成放电回路。根据式 (6) 设计的校正电路把i2 (t) 逆向还原成被测电流i1 (t) 。但用于输电线路雷电流测量时, 自积分式罗氏线圈能够感应到输电线路中的工频负荷电流, 积分环节会对工频信号放大很多倍, 给雷电流的准确测量带来极大的影响。因此, 在电路设计方面, 终端采样电阻输出信号Ur首先经电压跟随器, 再由设计的带加法功能的新型模拟积分补偿电路对输出信号Ur进行低频积分补偿, 最后通过二阶有源高通滤波电路对补偿后的信号Uc进行滤波处理, 可以滤除工频负荷电流给罗氏线圈带来的工频干扰, 校正电路如图3所示。

由图3得出经新型模拟积分补偿校正电路后的输出电压信号Uc和输入端Ur的关系为:

对式 (3) 两端同时积分, 得到

也即

对比式 (7) 和式 (9) 可知, 为使两者有相同的比例关系, 则必须满足:

则最终得出:

由式 (11) 可知, 在不考虑积分过程中运放非理想特性及罗氏线圈分布电容的影响时, 经校正电路后的输出信号与i1 (t) 完全呈线性关系。

2.3 新型模拟积分校正电路误差分析

新型模拟积分校正电路在实际应用中, 为了解决积分电容长期工作时引起的积分漂移问题, 在积分电容两端并联了较大的电阻, 使积分电容形成了放电回路, 这使得模拟积分器与理想积分器存在误差, 相当于引入了惯性环节。此外, 为提高罗氏线圈的抗干扰性, 电路中增加了二阶有源高通滤波器, 但两者均会给校正电路带来一定的幅值和相位误差。对如图3所示的校正电路进行系统误差分析时, 为便于分析, 设输入信号为正弦波。

设Ur=Acos (ωt+φ) , 由图3所示的校正电路的电气关系得到:

式中:A, ω, φ分别为正弦信号的幅值、角频率、初始相位角;Uc′为考虑电阻R2对校正电路引入误差时的输出电压信号。

二阶高通滤波电路幅频和相频特性分别为:

式中:Avp为二阶高通滤波电路的通带增益倍数;R=R3=R4;C=C3=C4。

校正电路的幅值误差EA和相位误差Δθ分别为:

当输入正弦信号变化时, 校正电路引起的系统误差与校正前的比较如表1所示。

根据表1可知, 随着被测雷电流频率的增加, 其校正前后的相位误差和幅值误差均逐渐减小。罗氏线圈在校正前的相位误差和幅值误差比校正后大很多, 以5kHz的正弦波信号为例, 校正前幅值误差为33.48%, 校正后为2.06%;校正前的相位误差为41.48°, 校正后为0.81°。在测量低频信号时, 校正后的罗氏线圈与校正前相比大大降低了幅值误差及相位误差, 拓宽了罗氏线圈的测量频段。

3 实测试验及结果分析

实验用的罗氏线圈为自制的环形自积分式罗氏线圈, 其结构参数及电气参数如表2所示。根据罗氏线圈电气参数设计的新型模拟积分补偿校正电路参数如表3所示。

实测试验中, 雷电流发生装置实物图见附录A图A1。图中, 将罗氏线圈安装在雷电流发生器的输出回路中, 分流器串接在放电回路中, 示波器用于捕捉测量输出波形。

在示波器捕捉波形中, 自积分式罗氏线圈未经校正电路前采样电阻输出电压波形见附录A图A2, 校正前后的波形比较见附录A图A3, 校正后的波形与分流器的电压输出波形的比较见附录A图A4。由图A2可知, 未经校正的自积分式罗氏线圈, 终端采样电阻输出电压信号因被测电流波形的波尾段频率较低导致测量的波形低频部分出现严重失真。根据图A3中模拟积分校正前后波形的比较, 校正后的波形由于加入了积分补偿部分, 消除了低频段波形失真问题。图A4中校正后的波形与分流器输出波形基本重合, 一致性良好。因此, 经校正后的罗氏线圈测量出的波形能够真实还原被测电流波形, 使输出电压信号与被测电流呈比例关系, 有效解决了低频波形失真问题。

4 现场雷电流实测波形

本文提出的自积分式罗氏线圈低频失真校正电路已在海南电网公司输电线路雷击故障定位系统中投入使用, 根据现场运行数据, 未经校正的自积分式罗氏线圈采集到的故障波形如图4所示。

图4中, 0.1~0.2ms时间段内为雷击故障点波形, 在波尾处出现低频失真, 其特征与实测实验结果一致, 而故障行波沿输电线路传播过程中会发生衰减及畸变;对于0.4~1.0ms时间段内的波形, 由于罗氏线圈测量的波形存在波尾低频失真, 且失真波形与雷击故障波形流经端母线及故障点的折反射波产生叠加效果, 导致折反射波波头难以辨识, 给雷击故障定位带来了极大的影响, 甚至导致无法精确地测量雷击故障点[16]。

图5为经校正后的自积分式罗氏线圈采集到的故障波形。可以看出, 0~0.2 ms时间段内为雷击故障点波形, 与图4相比, 在波尾端未出现严重失真现象;在0.2~1.0ms时间段内能够清晰地辨识出故障行波在端母线及故障点产生的折反射波。该方法的使用有效地提高了系统雷电参数的测量精度, 解决了雷电流波形因低频失真导致难以辨识故障波形的折反射波的问题。

5 结语

根据自积分式罗氏线圈低频波形失真产生的机理, 提出了基于新型模拟积分补偿电路的低频失真校正方法, 根据实测试验结果可知, 该方法简单有效, 解决了罗氏线圈低频失真问题;二阶高通滤波电路可滤除电网中低频干扰噪声, 提高了罗氏线圈的抗干扰性。在输电线路雷击故障定位系统的实际应用中, 经校正后的自积分式罗氏线圈, 拓宽了其测量频带, 提高了雷击故障电流的测量精度, 增强了雷击故障诊断的可靠性, 该方法也可应用于其他脉冲电流的测量, 具有一定的推广价值。

附录见本刊网络版 (http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx) 。

线圈技术 篇8

随着铁路大提速和高速铁路的发展, 目前我国铁路信号系统以地面信号为主, 这远远不能满足列车行车安全要求。所以对接收线圈的可靠性、稳定性、安全性要求更高, 信号系统将由以地面信号为主的信号系统转为以机车信号为主体的信号系统。JT-C型机车信号双路接收线圈, 具有无维修、少维护、安装方便、使用寿命长、不丢码等特点, 各种指标完全满足TB/T 3021-2001《铁道机车车辆电子装置》、TB/T2859-1997《JT1型通用式机车信号设备》和《JT-C系列机车信号车载系统设备技术规范》等标准的要求, 通过了铁道部产品质量监督检验中心通信信号检验站的检验, 并已在广州铁路局长沙段、沈阳铁路局长春电务段、哈尔滨铁路局哈尔滨电务段、齐齐哈尔电务段进行上路现场试验检测, 项目产品的技术性能现居国内领先水平。该产品的研发成功与应用, 为促进以主体机车信号为主的信号系统的改造升级和我国铁路全面提速具有重要意义。

二、总体技术方案

1.依据的技术原理

JT-C型机车信号双路接收线圈为适应现有电化、非电化区段和各种型号机车的通用主体机车信号设备, 接收各种制式的地面信号设备发送的信息而研制的。技术原理是通过电磁感应接收轨道电路钢轨中传输的电流信号, 并转换成频率特征相同的电压信号, 供给机车信号设备和自动停车装置使用, 从而为列车速度控制提供安全可靠的控制数据。在接收线圈中的感应电动势有效值为Erms:

则Erms=4.44·N·f·Bpk·Ae

式中:Erms感应电动势, 4.44常数, N线圈圈数, F频率, Ae磁路截面积。

当线圈圈数和有效磁路面积一定时, 接收电动势与频率成正比。

undefined

式中:L为电感量, μ0介质常数, μ初导磁率, N线圈数, Ae磁路截面积, Je有效磁路长度。

则电感量与导磁材料的导磁率成正比, 所以, 接收不同频率的信号选择不同导磁率的材质, 进行科学组合, 使感应电动势符合系统技术要求。

主要技术指标:绝缘电阻≥25Ω (500V) ;绝缘耐压:1000V 50Hz 1min 无闪络击穿;直流电阻≤8Ω、电感≥60mH、品质因数≥5.5。

常温性能指标:25Hz 1050mA:9.3±7.5%mV;750Hz 69mA:12.4±7.5%mV;2600Hz 235mA:100±7.5%mV。

高温性能试验+70℃ 6h:直流电阻≤8Ω、电感≥60mH、品质因数≥5.5。

低温性能试验-40℃ 2h:直流电阻≤8Ω、电感≥60mH、品质因数≥5.5。

结构创新:双路线圈在结构上, 打破系统的单磁芯两端绕线的结构, 采用两根磁棒平行放置、两个线圈平行绕制的结构, 在国内属首创, 这种结构的双路接收线圈, 其主要优点是轨内外线圈平衡、抗电磁干扰强, 但制作上技术难度很大。

工艺创新:外壳采用玻璃钢材料, 外形设计为流线形, 造形新颖、结构合理, 抗击打、耐热、耐寒、适应性能好。从铸钢吊架内孔引出电磁引出线, 使电磁线免受外界因素破坏, 延长使用寿命, 确保安全运行。

应用创新:在磁性材料应用上, 除主磁芯采用常用的铁磁材料如硒钢片、硅钢片和铁氧体磁芯材料外, 为克服常用磁性材料对低频 (如25Hz时) 磁性偏低, 线圈感应电压也偏低的问题, 采用了特种复合磁芯, 利用控制其在磁场中产生的涡流, 实现对低频信号的感应的增强, 提高双路接收线圈低频段接收的幅值, 这在理论和实践上都是一个全新的应用。

技术创新:JT-C型机车信号双路接收线圈, 在解决电磁干扰问题上采用了平行摆放, 平衡绕线的双平结构, 极大地提高了接收线圈抗电磁干扰能力, 特别适合在大弯道多、电磁干扰严重区段使用。该双路接收线圈因磁路部分由主磁芯和辅磁芯二部分组成, 其综合接收的幅值, 由两部分相加各取所长, 互补互成, 最终频率响应完全达到JT-C系列车载系统要求标准。

2.技术先进性 (含量)

抗干扰先进性:现在铁路上使用的双路接收线圈, 结构是单磁芯两端绕线的方式, 其最大缺点是一路或二路输出的二组线圈, 其位置一个在钢轨里侧, 一个在钢轨外侧, 这样在二根钢轨里侧和外侧信号电流产生的磁场有强度不一样的情况, 二个线圈接收的信号电压幅值是不相等的, 当机车在大弯道和环境电磁干扰源较强时, 造成信号错误显示。本公司研制的“双平”式JT-C型机车信号双路接收线圈, 克服了上述问题, 在接收信号上幅值是相等的, 同样干扰信号幅值也是相等的, 每路输出干扰信号相减, 达到了零干扰目的, 实现了主机解码正确、接收波形清晰、信号显示正确的目标。

系统电气指标先进性:其磁路部分由二部分组成, 主磁路用来接收2600Hz-550Hz这一频段上的信号, 550Hz-25Hz的信号由辅助磁芯来完成, 使信号频率响应完全达到标准要求。

三、主要研究开发内容

该产品是铁道部重点计划解决的技术攻关课题, 必须具备冗余线圈, 两线圈接收值不大于15%。主要解决机车感应器接收信号系统不平稳, 以及不同区段信号接收不了的难题, 高低频率都要兼顾, 从而确保主体机车信号系统的可靠应用。此产品关键技术是利用高、低导磁率的磁性材料的复合技术, 使接收线圈高低频率接收的信号都能兼容, 以确保适应不同的轨道电路。

接收线圈的安装位置应符合TB/T2859-1997标准。要求具有冗余线圈、结构牢固, 能抗最高允许车速下冰雪、飞石等冲击, 具有良好的防水防潮性能。接收线圈可接收ZPW-2000系列、交流计数、移频信号。接收线圈每路开路下测试, 线圈直流电阻值应不大于标称值±5%, 在1000Hz条件下测试, 电感量误差应不大于标称值±5%。

项目技术路线描述:选择μo>4000以上的圆柱氧化铁, 加工成长度L的有效体, 测初磁导率>2000以上, 有效磁路长度1.030mm, 截面积>1000 mm2, 再选择低导磁率μ<500材料, 取长度1/L, 二者合成复合导磁率在50～4000之间, 这样通过导磁材料的加工与匹配, 得到导磁体, 导磁体线圈缠绕、浸绝缘漆真空干燥后, 再与导出线缆组装 , 长度为100～90 mm, 电感量为90～120Mh, 组成两个接收线圈, 经与玻璃钢壳体组装, 热固性绝缘胶灌封固化后, 安装防护件, 经整机质量性能检验, 合格产品包装入库。

关键技术实现的依据:JT-C型机车信号双路接收线圈是通过电磁感应接收轨道电路钢轨中传输的电流信号, 并转换成频率特征相同的电压信号, 供给机车信号设备和自动停车装置使用, 从而为列车速度控制提供安全可靠的控制数据。其关键技术是将高、低频信号都能真实、及时地采集、传输并反馈给机车监测控制系统。复合磁芯接收线圈的生产加工技术的依据, 是不同磁性材料的导磁特性对不同频率的信号反应时间、反应程度的不同, 以实现高、低频信号的平衡点为目标确定复合磁芯的不同磁性材料的组成及组合方式。

生产工艺流程 (软件除外) :

(1) 磁芯加工:高、低导磁材料匹配组合与加工, 得到产品的复合磁芯; (2) 绕线与浸漆:在磁芯上缠绕一定圈数的铜线, 得到线圈, 并将线圈浸入绝缘漆中做绝缘处理, 真空干燥后, 制成产品的机芯; (3) 玻璃钢外壳加工:采用SMC玻璃钢材料液压成型, 制成产品外壳; (4) 其它金属零部件机械加工:产品安装专用配件加工、产品金属保护件加工等; (5) 外购电缆性能检验与剪裁:按标准检测外购电缆的电导率、绝缘性等相关技术指标, 经检验合格的剪裁成要求的长度备用; (6) 产品的组装及封胶:先将机芯与电缆按要求连接, 再将机心与玻璃钢外壳及其它零部件组装后, 采用负压吸入的方法灌制已调制好的绝缘胶, 封口固化, 制成产品; (7) 产品检验及包装:依据TB/T3021-2001、TB/T2859-1997等标准检测产品性能指标, 合格后与其它附件一同包装入库。

四、产品的技术优势及市场前景

目前, 我国铁路信号系统整体装备技术水平较低。从机车信号运用情况看, 存在着机车信号装备水平低、可靠性差、超大修期使用等问题, 是当前故障多发、运行质量不高的主要原因。目前发达国家机车信号采集居世界领先水平, 对发展中国家不单独转让技术, 而是成套设备出售, 价格昂贵, 我国难以全面采用国外先进技术改造现有的全国铁路信号系统。根据铁道部140号文件《机车信号整治工作会议》的要求, 随着铁路跨越式发展和即有线路提速计划的实施, 主体机车信号系统已成为铁路行车安全必不可少的技术装备。 JT-C型机车信号双路接收线圈 (机车传感器) 作为主体机车信号系统的关键技术部件, 具有广阔的市场前景。

线圈技术 篇9

随着医疗卫生行业的快速发展,磁共振检查应用更加频繁,已成为医生的一种常用的检查方法和手段,提高了疾病的诊断率。在磁共振检查的过程中,射频线圈的选择对于检查结果的准确性非常重要[1]。硬线圈由于其结构上的优势,对人体浅层组织能得到比柔性线圈更好的信噪比(signal noise ratio,SNR),理论计算表明,硬线圈在等于其半径的深度以内能获得很好的SNR和图像均匀度,并降低几何失真度。

近年来,对于柔性线圈和硬线圈在强磁场中的特点有较多的研究,而对于做同一部位检测的硬线圈与柔性线圈的性能差异研究较少。临床医生在对同一部位进行检测时,无法区别选择硬线圈或者柔性线圈,给选择造成了很多困扰。

本研究通过实验并对实验所得数据进行分析,将硬线圈与柔性线圈的性能进行比较,找出其各自的优势和缺点,重点分析其各自性能的优劣,为临床检查提供更好的理论依据和选择标准。同时,讨论提出解决方案,找出提高检测精度的方法,具有非常重要的临床意义。另外,本文发现在不得不选择柔性线圈的时候我们需要采用不同的方式来提高图像的检测精度,提高检查结果。

1 实验过程与数据分析

本研究选择江苏省人民医院老年科西门子3.0T磁共振进行试验。分别利用肩关节柔性线圈和肩关节硬线圈对同一个体模进行试验,得到图像。利用西门子读片软件对试验所得图像进行读取,读取图像各个位置的SNR、信号强度,并利用数据软件进行计算分析,得到硬线圈和柔性线圈的SNR、几何失真度及均匀度的折线统计图,进而对实验数据和实验图像进行分析。

1.1 SNR的测量和计算方法

利用西门子专用软件读取图片,获取图像的信号强度,每幅图像取5~6个点。试验所得图像如图1所示,其中,点1位于体模中心,半径为体模半径的8%左右;点2、3、4、5位于图像边缘,点6为背景。

SNR按照式(1)进行计算:

通过获取到的信号强度值,利用式(1)计算图像的SNR,结果见表1。

各个线圈不同位置的SNR统计结果如图2所示。其中横坐标代表所扫描的图像编号,可近似代表每幅图像的位置。由图2可以看到SNR的分布情况以及不同的扫描线圈、不同的扫描位置的SNR有很大的不同,其中柔性线圈的信噪比较低,硬线圈的SNR较高。对于硬线圈中心位置或者边缘位置而言,其SNR总体趋势是慢慢降低的,其前面的图像SNR较高;而对于柔性线圈而言,其SNR呈逐渐攀升的趋势,后面图像的SNR先增大,然后再逐渐降低。无论是柔性线圈还是硬线圈,中心位置的SNR都比边缘位置高,所以,对于临床检查而言,为了提高图像的SNR,应尽量选用硬线圈进行检测,且选择中心位置要比边缘位置更好。

1.2 均匀度的测量和计算方法

在与SNR测量相同的图像中,设置5个大小相同的圆形(半径为体模的30%,均匀分布),分别测量其平均信号强度,按式(2)计算均匀度U:

其中,SMax为信号强度最大值,SMin为信号强度最小值。

通过软件读取试验所得图像,每幅图像上取5~6个点,获取信号的最大值和最小值。试验所得图像如图3所示,得到6个点的信号强度值。

如图3所示,SMax为所测6个圆形区域中信号的最大值,点1为6个圆形区域中的最大像素值,SMin为所测6个圆形区域中信号的最小值,点5即为6个图形区域中的最小像素值。

通过试验所得图像得到信号的最大值和最小值,利用式(2)计算图像的均匀度,结果见表2。

信号均匀度归一化值折线统计结果如图4所示。其中,横坐标代表代表图像编号,可以近似地代表每幅图像的位置。由图4可以清晰地看到硬线圈中心位置在第15幅图以前的均匀性比硬线圈中心位置、柔性线圈中心位置、柔性线圈边缘位置都高,而在第15幅图以后,也就是在水模中心位置偏后方,硬线圈边缘均匀性要比柔性线圈好[2];而对于柔性线圈而言,中心位置的均匀性总体上比边缘位置好,而且柔性线圈中心位置前几幅和后几幅图像的信号均匀性比其他位置的均匀性高。所以在做磁共振检查的时候,应尽量选择硬线圈,而且选择的区域应尽量靠近中间区域,这样的检测效果最好,也更精确,具有更好的信号均匀度。

1.3 几何失真度检测

柔性线圈边缘位置试验所得图像如图5所示。扫描时,采用的窗宽为3 000,窗位为1 292,回波时间(echo time,TE)为23 ms,重复时间(repetition time,TR)为720 ms,所使用的线圈为柔性线圈,并且是利用其边缘位置进行扫描所得图像。由图5可直观地看出其几何失真度较大。

柔性线圈中心位置试验所得图像如图6所示。扫描时,采用的窗宽为2 715,窗位为1 187,TE为23 ms,TR为720 ms。对于柔性线圈而言,其中心区域信号的均匀性和SNR都比边缘区域好。因此,从图6可以看出,其几何失真度比柔性线圈边缘位置小。

硬线圈边缘位置试验所得图像如图7所示。采用的窗宽为3 054,窗位为1 460,TE为23 ms,TR为720 ms。由于硬线圈相对于柔性线圈而言,其信号强度、信号的均匀性都较好,所以从图7可以看出其几何失真度较小。

硬线圈中心位置试验所得图像如图8所示。采用的窗宽为3 080,窗位为1 498,TE为23 ms,TR为720 ms。所得图像是4种情况中几何失真度最小的。

通过量取每个横向断层图水模的半径,利用半径的差别来直观地反映图像的几何失真度,结果见表3。

图像的几何失真度又叫几何畸变,是描述MRI图像几何变形程度的指标,体现MRI系统重现物体几何尺寸的能力[3]。可用图像中2点的距离与被测物体相应2点的实际尺寸相比较,计算线性度。一般用畸变百分率表示,即

其中,LR为实际距离,LM为测量距离。

畸变百分率的折线统计图如图9所示。由图9可以看出,硬线圈中心区域的畸变百分率最小,也最稳定,而相应的柔性线圈的畸变百分率最大,且变化较明显。硬线圈的几何失真度要比柔性线圈的几何失真度小得多,而从其几何半径的数据分析可以看出硬线圈中心位置的标准差最小,几何失真度更小,更准确。对于磁共振检查过程,能够精确和良好地展现所需检查的组织结构非常重要[4],所以如何减少图像的几何失真度尤为重要。从以上试验可以看出,硬线圈的几何失真度要比柔性线圈好得多,所以在可能允许的情况下,选择硬线圈较好,这样可以有效地减少图像的几何失真度,完整精确地展示图像,便于临床医生诊断,提高检查的准确性。

2 实验结果

从理论的角度,柔性线圈采集MRI信号可提高图像的SNR,但与硬线圈相比,表面线圈接收MRI信号在整个采集容积区域是不均匀的,越靠近线圈的部位采集到的信号越高,而越远离线圈的部位采集的信号越低。实验得到,硬线圈在信号均匀性、几何失真度、SNR 3个方面相对于柔性线圈而言都具有相对的优势,所以在进行磁共振检查的过程中,在条件允许的情况下,应尽量选择硬线圈,这样可以获得较好的SNR、均匀性和几何失真度。虽然硬线圈更容易得到较好的检查结果,但是我们也要考虑到工作中其他因素对成像质量的影响。对于柔性线圈而言,我们可以通过改进高场系统中的线圈布局结构以及摆放位置来进一步提高图像的SNR和均匀度,进而得到更好的检测信号。

3 讨论

磁共振成像是一种多参数的成像技术,影响磁共振图像质量的指标很多,如SNR、激励时间、扫描层厚、接收带宽、激发时间、TE、空间分辨力以及密度分辨力等很多因素[5,6]。在MRI检查中只有掌握各种成像参数与MRI图像质量的各种指标的相关性,并合理地加以控制,才能获得可靠的、高质量的MRI图像。

均匀度是指图像的均匀程度,它描述了MRI系统对体模内同一区域的再现能力。图像的均匀度与静磁场本身的均匀性、射频线圈质量、涡流效应及梯度脉冲等因素有关[7]。由均匀度的折线统计图4可以看出,硬线圈的均匀性要比柔性线圈高得多,而柔性线圈2个方向上的不均匀性主要是由柔性线圈的特点(离人体表面越近,SNR越好)所引起的,另外还受到表面线圈摆放位置的影响(左右双侧各个通道并没有围绕人体均匀分布),柔性线圈褶皱也会影响到信号的均匀性。另外,无论是柔性线圈还是硬线圈,其中心部分的均匀性是最好的,而在不断远离中心部分的时候,信号的均匀性就会变差。因为其中心频率最稳定,当其不断远离中心的时候,信号衰减较大,频率稳定性较差,所得信号均匀度较差。如果可以调整该线圈在人体表面的位置,则其图像均匀度会有相应提升。而从图4中可以清晰地看到硬线圈的信号分布均保持稳定,其在边缘部分的突起是由于信号在介质临界处的失真引起的。

本组实验的所有数据是采用同一成像系统、同一扫描参数,由2套不同的线圈得来的[8]。结果显示,采用硬线圈采集图像的SNR明显优于柔性线圈;MRI成像质量也优于柔性线圈,而且硬线圈所测得的数值也具有相当的准确性[9]。硬线圈在图像SNR方面相较柔性线圈而言具有很大的优势。为了提高图像的SNR,可以在一定范围内增加磁场强度B0。B0越高,SNR越高。但因B0过高也可带来一些不利因素,故并非B0越高越好[10]。

另外,图像的几何失真度非常重要,磁共振图像的空间几何失真主要来源于梯度磁场的非线性、主磁场的非均匀性、射频场的不均匀性[10]、信号不完全采集、磁敏感性改变及脉冲序列等。表面线圈是一种可紧贴成像部位放置的接收线圈,其常见的结构为扁平型或者微曲型,致使射频发射场和接收场极不均匀,表现为越靠近线圈轴线位置,射频信号越强,偏离轴线后,射频信号急剧下降。而对于肩关节而言,表面线圈是部分容积线圈,这种线圈在一定容积内有比较均匀的发射及接收射频场,因而适宜某些躯干中央部位的成像,所以在磁共振检查的过程中应将患者放在中间位置,采用高阶匀场[11]以降低其几何失真度。

尽管硬线圈相对于柔性线圈而言具有很大的优势,但对于某些病症而言,较适合使用柔性线圈。因为柔性线圈可以随意地改变形状,且可以紧贴身体,所以具有硬线圈所不具备的优点。而硬线圈无法随意改变形状,大小也不可调,这是其固有的缺点。例如肩关节骨折的患者就不适合使用硬线圈,而只能采用柔性线圈,因为柔性线圈易于包裹,易于改变形状,方便检测。

在我们不得不选择柔性线圈的时候,我们可以从以下几个方面对其进行改进,以提高检查的准确性和高效性:磁共振检查时,在选用柔性线圈的时候,我们应采用梯度回波序列,这样的检查效果更好[12]。在选用梯度回波序列以后,为了减少患者的检测时间,在图像质量满足临床检查的需求时,我们应选择较短的T1,T1越长,扫面时间就越长,但是图像的对比度会下降,不利于对患者的检测。还有一些方法可以使用,例如:减少偏转角度,改变扫描阵列。扫描阵列越大,图像就越精细,但伴随而来的就是扫描时间过长,这样对于一些肩关节脱臼的患者或者伴随有剧痛的患者来说并不适合。另外,从扫描矩阵的角度,我们可以采用减小扫描矩阵的方式以缩短扫描时间和患者舒适度。同时,对中间低频区域进行过采集,而对边缘部分的高频信号进行欠采集,也可以提高对比度。

4 结语

硬线圈在SNR及信号均匀性方面都要比柔性线圈好,且几何失真度小,因此在做磁共振检查的过程中,我们应尽量选择硬线圈。当不得不选择柔性线圈的时候,我们可以从序列的选择、位置、偏转角度、扫描矩阵等多个方面选择较优的方案,以提高检测精度。

参考文献

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线圈技术 篇10

近年来,许多研究揭示了3.0T磁共振成像(MRI)方面的优势[1,2,3]。相对于较低场强3.0T MRI的一个明显优势是能获得较高的信噪比。不过,在高场MRI中,由于射频场的均匀性变差,图像的均匀度恶化[1、4],其典型表现是T1权重的自旋回波所得到的图像的中心变得更亮了[1]。

表面线圈由于其结构上的优势,对人体浅层组织能得到比容积线圈更好的信噪比[5],理论计算表明,表面线圈在等于其半径的深度以内能获得很好的信噪比和图像均匀度[6]。临床上对颈部成像,大多采用头颈联合容积线圈。本文在相关文献[7]的基础上,分析比较表面线圈和头颈联合容积线圈的性能。

1 材料和方法

1.1 材料

磁共振成像设备为3.0T Intera Achiva(Philips Medical System,Best,Netherlands)。采用Philips标配的圆柱形的体模,容积2000mL,半径6cm。内部填充Philips配送的矿物油(Mineral Oil)溶液。两个线圈分别为:8通道相控阵颈动脉表面线圈,Philips相控阵16通道头颈联合容积线圈。扫描序列采用T1权重的自旋回波T1W-SE(重复时间TR=450ms、回波时间TE=11ms、视野FOV=15cm、层厚=4mm、层间距=1mm、层数=20、成像矩阵=256×256、采集次数NSA=2)和T2权重的快速自选回波T2W-TSE(TR=4500ms、TE=90ms、回波链数=16、FOV=15cm、层厚=4mm、层间距=1mm、成像矩阵=256×256),成像层面为横轴面。志愿者性别男,年龄25岁,体重55kg。扫描序列采用2D TOF(TR=30ms、TE=最小、翻转角=45°、FOV=18cm、层厚=1.5mm、层间距=0、层数=180、成像矩阵=256×256),成像层面为冠状面。

1.2 方法

1.2.1 信噪比的测量

信噪比的测量常用的有两种方法[8、9],这两种方法的实际效果相差不大,而且两种方法所测得的结果存在一种直接的线性关系[10]。信噪比测量时感兴趣区(ROI)和背景噪声区域的选择如图1。其中,ROI位于体模中心,半径为体模半径的90%左右;四个背景噪声区域位于视野(FOV)的四个角上,半径为体模半径的10%左右。

考虑到操作中的简便性,本文采用单幅图像的测试方法,即信噪比(SNR)按照式(1)计算:

其中,S为感兴趣区的平均信号强度,在图1中,S即为感兴趣区域的平均像素值,S的单位为1;SD为噪声信号强度,在图1中,SD即为各小图形区域A~D的像素标准差,SD的单位为1。信噪比SNR的单位为1。本文所测量的信噪比包括感兴趣区域内的信噪比以及感兴趣区域前后方向(A-P)和左右方向(L-R)上的信噪比曲线。同时,将感兴趣区域内的像素值投影至三维,得到均匀度的三维图形,其结果既能反映感兴趣区信噪比的总体表现,又能反映出信噪比在某个方向上的变化情况。

1.2.2 图像均匀度的测量

均匀度的测量和计算方法采用AAPM(美国医学物理师学会)推荐的方案[9]。在与信噪比测量相同的图像中,设置5个大小相同的圆形(半径为体模的30%,均匀分布),分别测量其平均信号强度。计算公式为式(2):

其中,表示均匀度;为所测5个圆形区域中信号的最大值,在图3中,为五个圆形区域中的最大平均像素值;

为所测5个圆形区域中信号的最小值,在图3中,即为五个图形区域中最小平均像素值。

1.2.3 颈部血管成像对照

在上面定量计算的基础上,对同一名志愿者,分别用两种不同的线圈,采用无需造影剂的2D TOF(二维时间飞逝)序列进行成像,对得到的实际效果进行评价。

2 结果

2.1 信噪比

根据上文所述的方法,在视野(FOV)的四个角取四个小圆形区域A-D,在图像中心区域取感兴趣区域(ROI),分别测量四个小圆形区域A~D像素值的标准差SD,以及感兴趣区ROI像素值的平均值。根据实验所得到的测量数据如表1、表2。

根据表1~2中的数据可以发现,在采用T1W-SE序列时,表面线圈的信噪比是容积线圈的3.29倍;在采用T2W-TSE时,表面线圈的信噪比是容积线圈的3.18倍。

根据实验数据,得到两个序列所得图像分别在横向和纵向的信噪比曲线(如图2)。

(a)T1W-SE序列作用下的左右方向(R-L)信噪比曲线;(b)T1W-SE序列作用下的前后方向(A-P)信噪比曲线;(c)T2W-TSE序列作用下的左右方向(R-L)信噪比曲线;(d)T1W-TSE序列作用下的前后方向(A-P)信噪比曲线。黑线为8通道表面线圈,灰线为16通道头颈联合线圈。

从图2可知,在这两个序列中,在左右方向(R-L)上,表面线圈在图像中心位置的信噪比都会相对于图像边缘位置的信噪比有较大的衰减,而容积线圈则在成像区域内保持基本稳定的信噪比,但无论是在边缘位置还是在中心位置,前者的信噪比都要明显的大于后者的信噪比,而且在边缘位置这种优势更为明显;在两个序列中,在前后方向(A-P)上,表面线圈中心位置的信噪比都会相对于图像边缘位置的信噪比有较明显的增大,而容积线圈则在成像区域内保持基本稳定的信噪比,但无论是在边缘位置还是在中心位置,前者的信噪比都要明显的大于后者,且在图像的中心位置更明显。

2.2 图像均匀度

(a)表面线圈在T1W-SE序列下的体模图像;(b)表面线圈在T2W-TSE序列下的体模图像;(c)容积线圈在T1W-SE序列下的体模图像;(d)容积线圈在T2W-TSE序列下的体模图像。圆环为所选区域,其中的数字为该区域的像素平均值。

根据上文所述的测量方法,所得图像的测量结果如图3所示。

根据图3中的数据,利用公式(2),可以得到四个图像的均匀度分别为Ua=47.51%、Ub=46.62%、Uc=95.37%、Ud=95.27%。可以看出,表面线圈的图像均匀度明显低于容积线圈的图像均匀度。

本文将上面四幅图像的像素值投影至三维坐标,且用伪彩色(渐变)来标记,如图4所示。

(a)表面线圈在T1W-SE序列下的体模图像投影;(b)表面线圈在T2W-TSE序列下的体模图像投影;(c)容积线圈在T1W-SE序列下的体模图像投影;(d)容积线圈在T2W-TSE序列下的体模图像投影。

2.3 颈部血管成像对照

在实际对照上,采用2D TOF序列对同一名志愿者采集得到颈部冠状面图像如图5所示。

(a)容积线圈所成的颈部图像;(b)表面线圈所成的颈部图像。

由图5可以看出采用表面线圈所得到的图像对比度比容积线圈所得到的图像更好,且细节显示更为清楚。采用上文中的方法,计算图5中颈部左侧黄色标记的血管的信噪比(数据测量如表3)。

由上面的计算可以看出,表面线圈在血管处的信噪比是容积线圈的1.26倍。

3 讨论

图像中央区域增亮问题,也是高场强磁共振成像中的突出问题[1]。主要的原因可能是在高场强情况下,电磁波长度变短导致射频场在人体介质中均匀性变差。有报道[11]指出,当采用CuSO4或者NiSO4作为体模溶质时,这种不均匀性会增强。也就是说,如果能采用介电常数更小的体模溶质,则得到的结果就更能准确地反映线圈的本征特性。因此,本文实验中采用的是Philips公司标配的2L oil Phantom(油质体模),相对于一般的水模,更适合用于本次实验。

在图2中,根据表面线圈的左右方向(R-L)的信噪比曲线和前后方向(A-P)的信噪比曲线可知,在整个体模成像侧面上的信噪比分布基本呈马鞍形,这一点可以在图4的三维投影图中有更清晰的观察。表面线圈两个方向上的不均匀性主要是由表面线圈的特点(离人体表面越近信噪比越好)所引起的,另外还受到表面线圈在人体摆放位置的影响(左右双侧各4个通道并没有围绕人体均匀分布)。如果可以调整该线圈在人体表面的位置,则其图像均匀度会有相应的提升。图2和图4中看到的容积线圈的信噪比分布均保持稳定,其在边缘部分的突起是由于信号在介质临界处的失真引起的。

表面线圈相比于容积线圈能得到更好的图像信噪比,但表面线圈的图像均匀度则明显要低于容积线圈。本实验中,当感兴趣区的半径为7cm左右时,前者在感兴趣区域内信噪比均大于后者,这时,图像的不均匀在一定程度上是可以忍受的。对于更大的感兴趣区域而言,两种线圈在具体应用上的优劣则应具体分析。

虽然我们的实验结果表明,表面线圈更容易得到较好的实验结果,但是我们也要考虑到实际工作中其他因素对成像质量的影响。对于体重特别大的患者,表面线圈会在图像的中心产生较低的信噪比,在图像均匀度不高的情况下,不利于疾病的诊断;另外,某些高级序列对射频场的均匀性要求较高,这时候可考虑采用能产生更均匀射频场的容积线圈或者是收发兼用型线圈。

4 结论

我们目前所做的实验表明,在3.0T磁共振颈部成像中,相对于容积线圈而言,表面线圈能明显提高图像的信噪比,在颈部成像中有很大的优势;同时,也存在均匀度较差的劣势。对于表面线圈,通过改进高场系统中相控阵线圈的布局结构以及摆放位置,可以进一步提高图像的信噪比和均匀度,进而得到更高质量的临床诊断图像。

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