一種掃頻式磁共振探測電感測量儀
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作者；張毅
本文采用掃頻方式確定核磁共振找水儀發(fā)射線圈的最佳諧振電感值，為獲得更加理想的核磁共振找水信號提供幫助。
1掃頻式電感測量儀的整體設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)主要是利用LC串聯(lián)諧振電路的原理來測量被測電感的值。圖1為掃頻式電感測量儀的整體結(jié)構(gòu)框圖，包括電源模塊、DDS掃頻信號發(fā)生模塊、IGBT驅(qū)動(dòng)模塊、IGBT橋路模塊、被測電感線圈和配諧電容。信號部分通過軟件編程控制AD9850芯片獲得兩個(gè)相位相差180。的掃頻方波信號，同時(shí)主機(jī)向電流采集電路中的從機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)頻率值。電路驅(qū)動(dòng)部分利用H橋路技術(shù)，為保護(hù)橋路安全，橋路的兩路控制信號需有十幾微秒的死區(qū)時(shí)間。為此，這里使用CPLD技術(shù)獲得死區(qū)時(shí)間，信號經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路加在電感線圈上。當(dāng)電路在最大諧振點(diǎn)時(shí)，從機(jī)從主機(jī)獲得此刻的頻率值f。電感值L與頻率f滿足如下關(guān)系：
其中：C為配諧電容值。
2軟、硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1硬件設(shè)計(jì)
2.1.1 基于IGBT的H橋路設(shè)計(jì)
掃頻信號發(fā)射回路基于開關(guān)逆變技術(shù)，其核心單元為由電感線圈和配諧電容組成的串聯(lián)諧振回路。由IGBT構(gòu)成的H橋路將單極性電源電壓逆變?yōu)榻涣鞣讲ǎ佑诖?lián)諧振回路兩端，并在線圈中形成正弦電流。
掃頻信號在諧振時(shí)電壓較大，同時(shí)工作頻率在1 kHz～3 kHz之間，因此選用的橋路功率器件應(yīng)是大功率、能夠?qū)崿F(xiàn)快速切換的器件。
IGBT是先進(jìn)的第三代功率模塊，其工作頻率為1 kHz～20 kHz，主要應(yīng)用在變頻器的主回路逆變器及一切逆變電路，即DC／AC變換中。單個(gè)元件電壓可達(dá)4.0 kV(PT結(jié)構(gòu))～6.5 kV（NPT結(jié)構(gòu)），電流可達(dá)1.5 kA，是較為理想的功率模塊，其具有控制電路簡單、開關(guān)損耗小、通斷速度快及元件容量大等優(yōu)點(diǎn)。
圖2為基于IGBT全橋路的發(fā)射回路電路圖。其中，U出為橋路輸入電壓，Q1～Q4組成H橋路，WA和WB為橋路控制信號，L1為電感線圈，C1為配諧電容，C2為濾波電容，Ri為回路電阻，D1～D4為IGBT反向吸收二極管。
2.1.2 IGBT的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)電路采用TX-DA962D驅(qū)動(dòng)板，其特點(diǎn)是：①每路輸出6A電流，可驅(qū)動(dòng)300 A／l 700V以下的IGBT；②有專門設(shè)計(jì)的輸出插座，每單元既可驅(qū)動(dòng)一只IGBT，也可驅(qū)動(dòng)兩只并聯(lián)的IGBT；③保護(hù)報(bào)警輸出部分與其他部分是電源隔離的，用戶可靈活處置，每路均有故障指示燈；④每兩個(gè)單元自帶一個(gè)獨(dú)立的DC/DC輔助電源，各單元的隔離度好，用戶只需提供一個(gè)獨(dú)立的15 V驅(qū)動(dòng)電源；⑤支持多種輸入信號電平，統(tǒng)一的輸出使能端控制；⑥有輸入電源極性保護(hù)。
2.1.3 電流采集及AD轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì)
電流采集選擇霍爾交流大電流傳感器�；魻栐碗娏鱾鞲衅髌湎鄳�(yīng)特性和精度都比較好，適合于長時(shí)間測量。因此，電流采集電路可以利用電流型霍爾傳感器將大電流信號轉(zhuǎn)換為小電流信號，然后通過采集處理電路獲取該小電流信號。
AD轉(zhuǎn)換部分采用美國美信(MAXIM)公司生產(chǎn)的多量程、8通道、12位的MAX197數(shù)據(jù)采集芯片。以MAX197為核心的A/D轉(zhuǎn)換電路具有外圍電路簡單、與處理器并口兼容性好、時(shí)序控制簡單易懂的特點(diǎn)，其變換時(shí)間短，可靠性和性價(jià)比高，并且編程簡單，比較適合實(shí)時(shí)性要求較高的大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)采集與高速A/D轉(zhuǎn)換使用
2.2軟件設(shè)計(jì)
此儀器的軟件系統(tǒng)可分為兩個(gè)部分：一部分為基于AD9850的掃頻信號發(fā)生器，另一部分則為信號采集電路。
2.2.1 掃頻部分軟件設(shè)計(jì)
此部分由STC89C52單片機(jī)向AD9850寫入頻率控制字，使其產(chǎn)生相應(yīng)的頻率信號，經(jīng)軟件延時(shí)及循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)頻率掃描的功能，然后從AD9850輸出兩個(gè)相位相差180。的掃頻方波信號，經(jīng)過CPLD的異或邏輯產(chǎn)生橋路控制信號。主機(jī)利用串口技術(shù)將掃頻頻率實(shí)時(shí)地發(fā)給從機(jī)，以便使從機(jī)獲得頻率值，并用其值計(jì)算出電感。
2.2.2 電流采集部分軟件設(shè)計(jì)
電流采集部分主要由STC89C52單片機(jī)、霍爾電流傳感器和12位高速AD芯片MAX197及其外圍電路構(gòu)成。首先，控制器檢測是否有串口信號到來，若有數(shù)據(jù)到來則進(jìn)入接收數(shù)據(jù)（即主機(jī)發(fā)送的實(shí)時(shí)掃頻頻率）子程序。在這個(gè)子程序中，A/D開始采集當(dāng)前電流并轉(zhuǎn)化為電壓值，然后與前一次電壓值比較，若前者大于后者，則保留前者的頻率；否則，后者的作為頻率保留。以此類推，在掃頻結(jié)束后，將會(huì)得到最大電流值所對應(yīng)的頻率值廠，最終由此值計(jì)算出電感值。
3測試結(jié)果分析
3.1 波形輸出結(jié)果分析
圖3為發(fā)射回路負(fù)載兩端實(shí)測電壓波形。測試結(jié)果表明：IGBT在開通和關(guān)斷的時(shí)刻有比較大的尖峰電壓，此尖峰電壓會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生一定干擾，應(yīng)采取措施降低該尖峰干擾。
3.2 采集輸出結(jié)果分析
為便于測試，用穩(wěn)壓電源向H橋路提供15 V輸入電壓，測量所用電感線圈標(biāo)準(zhǔn)值為935. 34uH，通過理論計(jì)算得諧振頻率應(yīng)為2. 602 54 kHz，考慮到掃頻頻率的精度，這里取2. 602 kHz，掃頻范圍為1 kHz～3 kHz�；魻杺鞲衅鬏敵鲭妷汉拖鄳�(yīng)的頻率值如表1所示。
由表1可以發(fā)現(xiàn)，霍爾傳感器所采集到的電壓值大體上滿足諧振曲線，但是實(shí)測電壓最大時(shí)頻率并非理論諧振頻率，而且在某些頻率點(diǎn)上，霍爾傳感器采集到的電壓值也與諧振規(guī)律有小幅度偏差。通過實(shí)測諧振點(diǎn)計(jì)算出來的電感值為973. 87uH，鑒于核磁共振找水儀發(fā)射線圈電感值在毫亨或亨以上級別，所以誤差可以接受。
4結(jié)論
通過一系列的設(shè)計(jì)及調(diào)試，完成了實(shí)現(xiàn)電感測量的預(yù)期目標(biāo)，信號發(fā)生器產(chǎn)生信號并實(shí)現(xiàn)了掃頻功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)信號的驅(qū)動(dòng)和AD采集及顯示，高效快捷，方便使用，有一定的市場前景。在今后的工作中，將采用串口通信實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的遠(yuǎn)程顯示與控制，并完成信號采集的模塊化和集成化，使該電感測量儀器功能更加完善。
5摘要：針對核磁共振找水儀在實(shí)際應(yīng)用過程中存在著電感測量不精確導(dǎo)致的難以獲得最佳諧振信號的問題，基于串聯(lián)諧振最佳諧振點(diǎn)電流最大的原理，設(shè)計(jì)了掃頻式電感測量儀器。信號發(fā)生器產(chǎn)生的掃頻方波信號經(jīng)過驅(qū)動(dòng)板和IGBT及配諧電容加到電感線圈上，用霍爾電流傳感器采集出最大電流以及最大電流時(shí)刻信號源產(chǎn)生的信號頻率，以此精確地計(jì)算出電感值，利用此方法設(shè)計(jì)一種掃頻式電感測量儀以匹配找水儀，從而獲得最佳諧振核磁共振找水信號。
