一种频率和场强可变的匀强磁场发生器及其控制方法

1.本发明匀强磁场发生器技术领域，尤其涉及一种频率和场强可变的匀强磁场发生器及其控制方法。


背景技术：

2.亥姆霍兹线圈是由一对相互平行的且同轴的圆形连通线圈组成，两线圈间距与圆线圈半径相同，使两线圈内通过方向一致且大小相同的电流，其公共轴附近将产生较广的均匀磁场区域。在一维磁场的基础上，还可以进行二维三维组合磁场的叠加，可提供交流磁场或直流磁场，并且电流和磁场具有非常稳定的线性关系。可产生极微弱的磁场直至数百特斯拉(t)的磁场，用于地磁场的抵消、检测永磁体特性、霍尔探头和各种磁强计的定标、空间辐射磁场的测量和排除等。
3.研究表明亥姆霍兹线圈在近心区的磁感应强度分布最均匀，要实现一定大小的均匀区，只能通过增大线圈的几何尺寸来满足，给线圈设计、加工和制作带来不便。若要产生一定强度的磁感应强度，必须在线圈种通过较大的电流，配合可靠的电源装置来实现。因此，如何设计高性能的频率和场强可变的匀强磁场发生器是亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，有必要提供及一种频率和场强可变的匀强磁场发生器及其控制方法，用以克服现有技术中频率和场强可变的匀强磁场发生器的设计复杂的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供一种频率和场强可变的匀强磁场发生器，包括交流电源模块、线圈模块、可变电容模块和控制电路模块，所述交流电源模块、所述采样电阻模块、所述线圈模块和所述可变电容模块依次电连接，所述控制电路模块分别与所述交流电源模块、所述采样电阻模块、所述可变电容模块电连接，其中，所述控制电路模块根据设定的磁场频率和磁场幅值，确定补偿电容值和谐振电流幅值，驱动所述可变电容模块调节电容值，并驱动所述交流电源模块调节电压幅值，使所述线圈模块产生频率、场强可变的匀强磁场。
6.进一步地，所述交流电源模块包括低频单元和高频单元，其中：
7.所述低频单元，包括电连接的信号发生器和功率放大器，其中，所述信号发生器与所述控制电路模块电连接，所述功率放大器与所述亥姆霍兹线圈模块电连接；
8.所述高频单元，包括电连接的预设功率直流电流源和移相全桥电路，其中，所述移相全桥电路分别与所述控制电路、所述交流电源模块电连接。
9.进一步地，所述亥姆霍兹线圈模块包括采样电路和亥姆霍兹线圈，其中：
10.所述采样电路，包括第一采样电阻至第三采样电阻，其中，所述第一采样电阻分别电连接至所述交流电源模块、所述可变电容模块和所述控制电路模块，所述第二采样电阻分别电连接至所述交流电源模块、所述第一采样电阻和所述控制电路模块，所述第三采样电阻分别电连接至所述交流电源模块、所述第二采样电阻和所述亥姆霍兹线圈；
11.所述亥姆霍兹线圈分别电连接至所述交流电源模块和所述可变电容模块。
12.进一步地，所述可变电容模块包括并联的至少一个调节支路和至少一个平行极板支路，其中：
13.所述至少一个调节支路，包括串联的不同容值的电容与继电器，所述继电器用于控制电容接入或不接入；
14.所述至少一个平行极板支路，包括平行极板电容和所述平行极板电容对应的步进电机，通过所述步进电机调节所述至少一个平行极板电容极板之间错开的距离来调节电容值。
15.进一步地，所述控制电路包括主控板、上位机、开关电源、继电器驱动模块和电机驱动模块，其中：
16.所述主控板，分别与所述上位机、所述开关电源、所述继电器驱动模块、所述电机驱动模块电连接；
17.所述上位机，与所述交流电源模块中的信号发生器电连接；
18.所述开关电源，与所述继电器电连接；
19.所述继电器驱动模块，与所述可变电容模块中的至少一个调节支路电连接；
20.所述电机驱动模块，与所述可变电容模块中的步进电机电连接。
21.本发明还提供一种频率和场强可变的匀强磁场发生器的控制方法，基于如上所述的频率和场强可变的匀强磁场发生器，所述控制方法包括：
22.获取通过上位机输入的磁场频率和磁场幅值；
23.根据所述磁场频率和所述磁场幅值，确定补偿电容值和谐振电流幅值；
24.根据所述补偿电容值和所述谐振电流幅值，驱动所述可变电容模块调节电容值，并驱动所述交流电源模块调节电压幅值，使所述线圈模块产生符合所述磁场频率和所述磁场幅值的匀强磁场。
25.进一步地，所述根据所述磁场频率和所述磁场幅值，确定补偿电容值和谐振电流幅值，包括
26.基于谐振关系，根据所述磁场频率和所述磁场幅值，确定所述补偿电容值；
27.基于peec法，根据所述磁场频率和所述磁场幅值，确定所述谐振电流幅值；
28.基于遗传算法，确定可变电容模块中至少一个调节支路中的继电器的开闭状态。
29.进一步地，所述根据所述补偿电容值和所述谐振电流幅值，驱动所述可变电容模块调节电容值，并驱动所述交流电源模块调节电压幅值，包括：
30.根据电压信号和电流信号，确定两者之间的相位差；
31.判断所述相位差是否满足预设条件，若不满足，则根据所述补偿电容值，驱动步进电机进行电容值的调节，直到满足所述预设条件。
32.进一步地，所述根据所述补偿电容值和所述谐振电流幅值，驱动所述可变电容模块调节电容值，并驱动所述交流电源模块调节电压幅值，还包括：
33.若所述相位差满足所述预设条件，则将所述电流信号与所述谐振电流幅值进行比较，确定两者之间的幅值差；
34.若所述幅值差超出误差范围，根据所述电流信号、所述谐振电流幅值和电阻值，确定电压调整值；
35.根据所述电压调整值，控制所述交流电源模块调节电压幅值，直到所述幅值差在误差范围之内。
36.进一步地，所述根据所述电压调整值，控制所述交流电源模块调节电压幅值，直到所述幅值差在误差范围之内，包括：
37.若在高频时，调节信号发生器的幅值，改变电压幅值，直到所述幅值差在误差范围之内；
38.若在低频时，调节移相全桥的相位角，改变电压幅值，直到所述幅值差在误差范围之内。
39.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过设置交流电源(低频段由信号发生器和功率放大器构成，高频段由大功率直流电源和移相全桥电路构成)、电压电流采样电阻、可变电容组、亥姆霍兹线圈和主控板，主控板与上位机通过串口连接实现实时通讯；电路频率变化范围可设置在1hz～400khz，可变电容分为17个定值电容和2个平行极板可调电容，通过计算上位机给定频率下的补偿电容值确定19个继电器的接入状态，实现一个容值范围在4pf～20uf的可调电容器，补偿电容组与亥姆霍兹线圈的自感构成谐振网络，当电路达到稳定状态时，根据peec计算亥姆霍兹线圈产生的磁感应强度，从而调节输入端电压，稳定电路电流值，使亥姆霍兹线圈产生频率和场强大小可调的磁场。综上，本发明利用补偿电容和亥姆霍兹线圈的自感组成谐振网络实现稳流输出，使亥姆霍兹线圈产生频率和磁感应强度可调的磁场。
附图说明
40.图1为本发明提供的频率和场强可变的匀强磁场发生器一实施例的结构示意图；
41.图2为本发明提供的频率和场强可变的匀强磁场发生器一实施例的具体结构示意图；
42.图3为本发明提供的可变电容区平行极板定值电容和平行极板可调电容在ansys中的仿真模型一实施例的仿真示意图；
43.图4为本发明提供的频率和场强可变的匀强磁场发生器的控制方法一实施例的流程示意图；
44.图5为本发明提供的图4中步骤s403一实施例的流程示意图；
45.图6为本发明提供的图4中步骤s403另一实施例的流程示意图；
46.图7为本发明提供的直接驱动下电压和电流的一实施例的波形示意图；
47.图8为本发明提供的全补偿方案下电压和电流的一实施例的波形示意图；
48.图9为本发明提供的补偿状态下电压和电流的一实施例的波形示意图；
49.图10为本发明提供的补偿状态下电压和电流的另一实施例的波形示意图。
具体实施方式
50.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
51.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征
可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。此外，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
52.在本发明的描述中，提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
53.本发明提供了一种频率和场强可变的匀强磁场发生器及其控制方法，利用补偿电容和亥姆霍兹线圈的自感组成谐振网络实现稳流输出，使亥姆霍兹线圈产生频率和磁感应强度可调的磁场，为进一步改进频率和场强可变的匀强磁场发生器的电路性能提供了新思路。
54.在实施例描述之前，对相关词语进行释义：
55.磁场发生器：是利用电磁感应原理,在线圈中通过一定频率一定强度的电流,线圈周围产生相应的磁场强度。广泛用于元素分析仪、核磁共振、环境检测仪等领域。目前常用的磁场发生器类型，一般有固定磁场，亥姆霍兹线圈，螺旋管线圈，及电磁铁等磁场发生器。固定磁场，标准磁场是由多个永久磁铁，通过磁场回路，达到在间隙当中产生一个恒定的磁场，磁场大小一般为百高斯及千高斯，可用于高斯计校准等；螺线管线圈磁场由单个螺旋管线圈，在线圈内产生长圆柱形均匀磁场，通过改变电流大小来改变均匀区磁场大小，但均匀度与亥姆霍兹线圈相比稍差些；电磁铁，是由两个平形共轴单线圈，每个线圈当中磁场由纯铁导出，在两块纯铁间隙内产生均匀磁场，通过改变电流大小改变磁场，具有磁场可调，均匀区大，磁场强等特点，最高磁场高达10t；
56.亥姆霍兹线圈：是由两个平形共轴单线圈组成，在两线圈中间产生球形均匀区磁场，通过改变电流大小来改变均匀区磁场大小，具有磁场可调、均匀度高、灵敏度高、均匀区大等特点，磁场一般为1000gs以下，根据磁场方向，磁场大小可设计一维亥姆霍兹线圈、一维补偿亥姆霍兹线圈及三维亥姆霍兹线圈等，可产生直流磁场，交流磁场。
57.基于上述技术名词的描述，现有技术中，一维亥姆霍兹线圈中心磁场分布近似四角状，磁场均匀度较低，要实现一定大小的均匀区，只能通过增大线圈的几何尺寸来满足，给线圈设计、加工和制作带来不便。因而，本发明旨在提出一种高性能新型的频率和场强可变的匀强磁场发生器。
58.以下分别对具体实施例进行详细说明：
59.本发明实施例提供了一种频率和场强可变的匀强磁场发生器，结合图1来看，图1为本发明提供的频率和场强可变的匀强磁场发生器一实施例的结构示意图，包括交流电源模块101、线圈模块102、可变电容模块103和控制电路模块104，所述交流电源模块101、所述线圈模块102和所述可变电容模块103依次电连接，所述控制电路模块104分别与所述交流电源模块101、所述可变电容模块103电连接，其中，所述控制电路模块104根据设定的磁场频率和磁场幅值，确定补偿电容值和谐振电流幅值，驱动所述可变电容模块调节电容值，并驱动所述交流电源模块调节电压幅值，使所述线圈模块产生频率、场强可变的匀强磁场。
60.在本发明实施例中，设置交流电源(低频段由信号发生器和功率放大器构成，高频段由大功率直流电源和移相全桥电路构成)、电压电流采样电阻、可变电容组、亥姆霍兹线圈和控制电路，控制电路集成在一块主控板上。主控板与上位机通过串口连接实现实时通
讯；电路频率变化范围可设置在1hz～400khz，可变电容分为17个定值电容和2个平行极板可调电容，通过计算上位机给定频率下的补偿电容值确定19个继电器的接入状态，实现一个容值范围在4pf～20uf的可调电容器，补偿电容组与亥姆霍兹线圈的自感构成谐振网络，当电路达到稳定状态时，根据peec计算亥姆霍兹线圈产生的磁感应强度，从而调节输入端电压，稳定电路电流值，使亥姆霍兹线圈产生频率和场强大小可调的磁场。
61.需要说明的是，当电路中电源的频率变化时，电路中的感抗、容抗将跟随频率变化，所以，电路中的电压、电流响应亦随频率变动，从而导致电路的工作状态亦跟随频率变化。采用rlc串联谐振电路实现，利用电容和电感组成的谐振网络可以使l、c的阻抗完全抵消或部分抵消，在交流电源输出电压变化不大的前提下，配合电源的反馈控制实现恒流输出，同时也能保证较高的功率因数。电路的输入阻抗z(jω)可表示为当电路达到谐振状态时，此时可知电路发生谐振的角频率ω0和频率f0，为频率ω0和频率f0，为在本发明实施例中，驱动大型亥姆霍兹线圈，使亥姆霍兹线圈产生频率和场强可调的磁场，拓扑结构简单。
62.其中，匀强磁场发生器系统，主要包括交流电源装置、采样电阻区、亥姆霍兹线圈、可变电容区和控制电路区。图2中r1(即第一采样电阻)是无感电阻，用于电流采样，r2(即第二采样电阻)和r3(即第三采样电阻)是高阻，用于电压采样。控制电路包括信号处理电路、驱动电路和通讯电路。其中，为了降低导线在高频时的趋肤效应带来的损耗，所有的主电路连线选用利兹线，通讯线选用双绞屏蔽线。
63.作为优选的实施例，结合图2来看，图2为本发明提供的频率和场强可变的匀强磁场发生器一实施例的具体结构示意图，所述交流电源模块包括低频单元和高频单元，其中：
64.所述低频单元，包括电连接的信号发生器和功率放大器，其中，所述信号发生器与所述控制电路模块电连接，所述功率放大器与所述亥姆霍兹线圈模块电连接；
65.所述高频单元，包括电连接的大功率直流电流源和移相全桥电路，其中，所述移相全桥电路分别与所述控制电路、所述亥姆霍兹线圈模块电连接。
66.在本发明实施例中，交流电源部分，按照低频(1hz-100khz)和高频(100khz-400khz)进行划分，最终可以使得电路频率变化范围设置在1hz～400khz，频率可调范围广，频率精度高。
67.作为优选的实施例，所述亥姆霍兹线圈模块包括采样电路和亥姆霍兹线圈，其中：
68.所述采样电路，包括第一采样电阻至第三采样电阻，其中，所述第一采样电阻分别电连接至所述交流电源模块、所述可变电容模块和所述控制电路模块，所述第二采样电阻分别电连接至所述交流电源模块、所述第一采样电阻和所述控制电路模块，所述第三采样电阻分别电连接至所述交流电源模块、所述第二采样电阻和所述亥姆霍兹线圈；
69.所述亥姆霍兹线圈分别电连接至所述交流电源模块和所述可变电容模块。
70.在本发明一个具体的实施例中，亥姆霍兹线圈是一个双层的螺旋结构线圈，线圈的参数为：线径6mm、第一层半径为0.285m、第二层半径设为0.315m、匝数为8圈、匝间距为0.024m。用peec法可以得到线圈在低频段时的自感为2.97mh，并且得到在单位电流激励下
匀强磁场区的大小和分布。本发明可适用于100mm
×
100mm
×
100mm块状大小的探头校准，但不限于此功能；
71.其中，根据亥姆赫兹线圈制作过程原理，可知线圈中匝间电容的存在，因此亥姆赫兹线圈两端的等效自感值会随着频率的增大而变化，同时由于趋肤效应和邻近效应的存在，线圈两端等效电阻也会随着电路频率的增加而增大。为了保证补偿电容值计算的准确性，需在实验前对已搭建的亥姆赫兹线圈进行自感和自阻测量，用实验数据来计算给定频率下谐振的电容值。
72.作为优选的实施例，所述可变电容模块包括并联的至少一个调节支路和至少一个平行极板支路，其中：
73.所述至少一个调节支路，包括串联的不同容值的电容与继电器，所述继电器用于控制电容接入或不接入；
74.所述至少一个平行极板支路，包括平行极板电容和所述平行极板电容对应的步进电机，通过所述步进电机调节所述至少一个平行极板电容极板之间错开的距离来调节电容值。
75.在本发明实施例中，用步进电机进行定位与调节，调节电容的精度只与电机调节的位置精度有关，可以实现电容在设定范围内的无极调节，且平行极板电容可以保证系统的耐压。
76.作为更具体的实施例，补偿电容值计算时代入的电感值是在不同频率下亥姆霍兹线圈的实测值，在程序中嵌入实验表格，可以使得最终补偿电容值计算更加准确。
77.作为更具体的实施例，可变电容区中定值电容一部分采用市场优选，一部分为了保证耐压等级，采用层叠式平行极板电容。
78.作为更具体的实施例，可变电容区中，最后设置了两档平行极板可调电容，其极板位置由42步进电机拖动，其步进精度高，在高频段进行补偿时保证了电容值的精度。
79.作为更具体的实施例，补偿电容值的状态由遗传算法得到，结合历史数据，通过判断电流电压相位差和电流值的大小，决定最后的继电器状态和电机运动位置。
80.在本发明一个具体的实施例中，结合图3来看，图3为本发明提供的可变电容区平行极板定值电容和平行极板可调电容在ansys中的仿真模型一实施例的仿真示意图，本发明仅展示其在x方向上的截面图。跟据平行极板电容公式其中ε为真空中介电常数，s为平行极板正对面积，d为平行极板板间距离。本发明中，通过改变平行极板大小和个数来改变正极2和负极1间等效的电容值，实现三档pf级别定值电容；同时改变平行极板之间错开的距离5，来实现可变电容区中可调电容的部分。需要说明的是，图3中，图中1表示负极，2表示正极，3表示负极平行极板，4表示正极平行极板，5表示平行极板错开距离，6表示平行极板板间距离。
81.在本发明一个具体的实施例中，采用uln2803a作为继电器驱动芯片，该芯片内部包含八个独立的达林顿管驱动电路，并且集成了续流二极管，可用来驱动继电器，继电器型号为855ap-1a-c，线圈驱动电压选用12v。将不同容值的电容与继电器串联之后并联接入主电路中，单片机控制继电器决定某个电容的接入或不接入，从而组合达到电路谐振时所需要的电容值。根据实验数据得到亥姆霍兹线圈在各频率下的自感，在频率为1hz～400khz范
围，且电路的品质因数时(当q《1时，电路无需补偿电容)，设计电路所需补偿电容的容值范围；
82.其中，本发明中选择uf、nf、pf三组电容，期望最大补偿电容值为20uf，即所有电容全部接入。根据二分法原则，期望的电容值为10uf、5uf、2.5uf、1.5uf、625nf、312.5nf、156.25nf、78.13nf、39.06nf、19.5nf、9.77nf、4.88nf、2.44nf、1.22nf、610.5pf、305.18pf、152.59pf，共17档。根据实际电容耐压和过流要求，选择c4af7bw5100a3ok、c4afbbw4500t3mk、c4aspbw4250a3mj、c4bsnbx4150zajj、cra6500154j54f6、b32642b0393k6种型号的电容，前14档电容由同型号电容通过串并联组合得到，为可变电容区的市场优选定值电容；最后3档定值电容由层叠式平行极板电容组成，为可变电容区的平行极板定值电容。最终定值电容实际值为：10uf、5uf、2.5uf、1.5uf、600nf、300nf、150nf、78nf、39nf、19.5nf、9.75nf、4.875nf、2.4375nf、1.211875nf、615pf、264pf、153pf。考虑到硬件系统中还存在其他杂散电容，比如导线间的电容，导致实际接入系统的电容存在偏大或偏小的可能性，将可变电容组一组电容范围设置为：13.842pf-155.98pf，另一组设置为4.025pf-23.027pf，为可变电容区的平行极板可调电容。最终可调电容的范围为4pf～20uf。
83.作为优选的实施例，所述控制电路包括主控板、上位机、开关电源、继电器驱动模块和电机驱动模块，其中：
84.所述主控板，分别与所述上位机、所述开关电源、所述继电器驱动模块、所述电机驱动模块电连接；
85.所述上位机，与所述交流电源模块中的信号发生器电连接；
86.所述开关电源，与所述继电器电连接；
87.所述继电器驱动模块，与所述可变电容模块中的至少一个调节支路电连接；
88.所述电机驱动模块，与所述可变电容模块中的步进电机电连接。
89.在本发明实施例中，主电路电压和电流值由采样电阻通过衰减、二阶滤波、抬升、放大等进行信号处理过程，由stm32f4中fft程序计算其频率、大小和两者的相位差，stm32f4计算速度快，计算结果准确。
90.需要说明的是，采样测量电路由衰减电路、隔离电路、放大滤波电路、二阶有源低通滤波电路组成。另外为了将模拟地和数字地隔离，增加 2.5v直流电路，并将其作为信号处理的数字地。本发明中，由于测量的频率跨度大，采用高低分频段测量方式，两种测量电路只在滤波参数部分有区别。对于被测信号，首先进行衰减处理，再通过信号放大器实现隔离缓冲，然后对待测信号的放大，使其幅值与a/d转换器的输入信号范围相匹配，低频段滤波截止频率为400hz，高频段滤波截止频率为400khz。其中，将放大与滤波后的信号送入单片机，对被测信号进行adc数据采集，再进行fft变换得到信号的频率和幅值。fft测量信号频率的优点在于幅值和频率测量精度高，同时测出电压和电流的相位差，可完全满足本发明所需要求。
91.作为更具体的实施例，电路谐振达到稳定状态时，根据peec计算亥姆霍兹线圈产生的磁感应强度，调节输入端电压，改变电路电流值，便可改变亥姆霍兹线圈产生的磁感应强度，形成反馈调节电路。
92.需要说明的是，反馈调节电路有两种选择方式，第一种方式是直接测量亥姆霍兹
线圈产生的磁感应强度，根据场强来调节输入电压形成闭环控制。但场强测量非常复杂，使电路更加复杂化，不太适合选取。第二种方式是测量主电路两端的电流和电压，当电路谐振达到稳定状态时，根据peec计算亥姆霍兹线圈产生的磁感应强度，可以调节电源输入端电压，改变电路电流值，使亥姆霍兹线圈产生频率和场强可调的磁场，本发明实施例采用其中的第二种反馈调节方式。
93.本发明实施例提供了一种频率和场强可变的匀强磁场发生器的控制方法，结合图4来看，图4为本发明提供的频率和场强可变的匀强磁场发生器的控制方法一实施例的流程示意图，基于如上所述的频率和场强可变的匀强磁场发生器，包括步骤s401至步骤s403，其中：
94.在步骤s401中，获取通过上位机输入的磁场频率和磁场幅值；
95.在步骤s402中，根据所述磁场频率和所述磁场幅值，确定补偿电容值和谐振电流幅值；
96.在步骤s403中，根据所述补偿电容值和所述谐振电流幅值，驱动所述可变电容模块调节电容值，并驱动所述交流电源模块调节电压幅值，使所述线圈模块产生符合所述磁场频率和所述磁场幅值的匀强磁场。
97.在本发明实施例中，对于主电路，在交流电源部分实现分频段输出，用电压电流采样电阻代替传统电压电流传感器，亥姆霍兹线圈采用peec法自主设计，可以精确计算其低频段自感，可变电容区将定值电容和可变平行极板电容相结合。对于主控板和控制部分，电压电流采样值经过衰减、隔离、滤波放大等环节经过adc转换可由单片机fft程序精确计算出其频率和幅值大小，可变电容组状态由给定频率初步决定，反馈环节通过判断电流电压幅值、相位差等信息确定最终平行极板可变电容的位置，并进一步调节交流电源的输出，保证其在不同频率下的稳流状态。上位机和单片机通过串口实时通讯，随时反映电路状态，具有良好的交互。
98.需要说明的是，首先由上位机发出指令，输入用户设定的频率f和期望的磁场大小bh，程序根据谐振关系计算得到补偿电容cs，再利用peec法求出此时期望的谐振电流值i
s0
。此时上位机可以根据遗传算法确定此时的开关状态并通过串口通讯给单片机继电器驱动信号指令。下位机对采样的电压电流信号进行fft计算，并判断此时电压电流信号的相位差是否小于10
°
，否则计算此时需要微调的电容值cz，由步进电机进行调整，直到相位差小于10
°
。用期望的谐振电流值i
s0
和采样电流值is比较，如果两者幅值的差值i
s-i
s0
不在误差范围内，通过计算(i
s-i
s0
)
×
r来判断此时电源电压需要增加或减小的幅度，在高频时增加或减小信号发生器的幅值，低频时通过改变移相全桥的相位角来改变电压幅值的大小，直到满足误差范围，等待下一次指令。最终使亥姆霍兹线圈产生频率和场强可变的匀强磁场。
99.作为优选的实施例，上述步骤s402包括：
100.基于谐振关系，根据所述磁场频率和所述磁场幅值，确定所述补偿电容值；
101.基于peec法，根据所述磁场频率和所述磁场幅值，确定所述谐振电流幅值；
102.基于遗传算法，确定可变电容模块中至少一个调节支路中的继电器的开闭状态。
103.在本发明实施例中，由上位机发出指令，输入用户设定的频率f和期望的磁场大小bh
，程序根据谐振关系计算得到补偿电容cs，再利用peec法求出此时期望的谐振电流值i
s0
。
104.作为优选的实施例，结合图5来看，图5为本发明提供的图4中步骤s403一实施例的流程示意图，上述步骤s403具体包括步骤s501至步骤s502，其中：
105.在步骤s501中，根据电压信号和电流信号，确定两者之间的相位差；
106.在步骤s502中，判断所述相位差是否满足预设条件，若不满足，则根据所述补偿电容值，驱动步进电机进行电容值的调节，直到满足所述预设条件。
107.在本发明实施例中，下位机对采样的电压电流信号进行fft计算，并判断此时电压电流信号的相位差是否小于10
°
，否则计算此时需要微调的电容值cz，由步进电机进行调整，直到相位差小于10
°
。
108.作为优选的实施例，结合图6来看，图6为本发明提供的图4中步骤s403一实施例的流程示意图，上述步骤s403具体包括步骤s601至步骤s603，其中：
109.在步骤s601中，若所述相位差满足所述预设条件，则将所述电流信号与所述谐振电流幅值进行比较，确定两者之间的幅值差；
110.在步骤s602中，若所述幅值差超出误差范围，根据所述电流信号、所述谐振电流幅值和电阻值，确定电压调整值；
111.在步骤s603中，根据所述电压调整值，控制所述交流电源模块调节电压幅值，直到所述幅值差在误差范围之内。
112.在本发明实施例中，用期望的谐振电流值i
s0
和采样电流值is比较，如果两者幅值的差值i
s-i
s0
不在误差范围内，通过计算(i
s-i
s0
)
×
r来判断此时电源电压需要增加或减小的幅度。
113.作为优选的实施例，上述步骤s603具体包括：
114.若在高频时，调节信号发生器的幅值，改变电压幅值，直到所述幅值差在误差范围之内；
115.若在低频时，调节移相全桥的相位角，改变电压幅值，直到所述幅值差在误差范围之内。
116.在本发明实施例中，在高频时增加或减小信号发生器的幅值，低频时通过改变移相全桥的相位角来改变电压幅值的大小，直到满足误差范围，等待下一次指令。最终使亥姆霍兹线圈产生频率和场强可变的匀强磁场。
117.下面结合图7至图10来看，图7为本发明提供的直接驱动下电压和电流的一实施例的波形示意图，图8为本发明提供的全补偿方案下电压和电流的一实施例的波形示意图，图9为本发明提供的补偿状态下电压和电流的一实施例的波形示意图，图10为本发明提供的补偿状态下电压和电流的另一实施例的波形示意图，以具体的应用例更好地说明本发明技术方案：
118.在低频段，选择不补偿的策略，实例一将频率设置为100hz，将可变电容区断开，直接用交流电源驱动亥姆霍兹线圈，期望的磁场大小为177ut，此时对应的电流幅值为3a，如图7所示是直接驱动下电压和电流的波形图，电压幅值为6.2v，电流幅值为3.06a，电压电流相位差为63
°
；
119.当频率小于某一频率时，程序计算的电容状态值相同，此时采用全补偿方案，实例
二将频率设置为650hz，将可变电容区电容全部接入，可调电容区两个挡位电容调制最大，期望的磁场大小为177ut，此时对应的电流幅值为3a，如图8所示是全补偿方案下电压和电流的波形图，电压幅值为2.22v，电流幅值为3.1a，电压电流相位差为7.956
°
，可以看到此时也有很好的补偿效果。
120.随机设置频率为856hz，输入期望的磁场大小为177ut，将指令输入到上位机，此时对应的电流幅值为3a，程序计算的谐振电容值为11.64uf。启动程序，此时计算出的继电器开关状态为1001010010010101110，可调电容接入第一档，此时平行极板错开的距离为88.4mm，如图9所示是此时状态下电压和电流的波形图，电压幅值为2.3v，电流幅值为3.1a，电压电流相位差为1.93
°
，可以达到预期效果；
121.设置频率为100khz，输入期望的磁场大小为29.5ut，将指令输入到上位机，此时计算的电流幅值应为0.5a，程序计算的谐振电容值为719.996pf。启动程序，此时计算出的继电器开关状态为0000000000000001010，可调电容接入第一档，此时平行极板错开的距离为34.2mm，如图10所示是此时状态下电压和电流的波形图，电压幅值为42.8v，电流幅值为0.54a，电压电流相位差为0.576
°
，可以达到预期效果。
122.本发明公开了一种频率和场强可变的匀强磁场发生器及其控制方法，通过设置交流电源(低频段由信号发生器和功率放大器构成，高频段由大功率直流电源和移相全桥电路构成)、电压电流采样电阻、可变电容组、亥姆霍兹线圈和主控板，主控板与上位机通过串口连接实现实时通讯；电路频率变化范围可设置在1～400khz，可变电容分为17个定值电容和2个平行极板可调电容，通过计算上位机给定频率下的补偿电容值确定19个继电器的接入状态，实现一个容值范围在4pf～20uf的可调电容器，补偿电容组与亥姆霍兹线圈的自感构成谐振网络，当电路达到稳定状态时，根据peec计算亥姆霍兹线圈产生的磁感应强度，从而调节输入端电压，稳定电路电流值，使亥姆霍兹线圈产生频率和场强大小可调的磁场。
123.本发明技术方案，主要由交流电源、电压电流采样电路、可变电容调节电路、rlc串联谐振电路以及其他控制电路组成，驱动大型亥姆霍兹线圈，使亥姆霍兹线圈产生频率和场强可调的磁场，拓扑结构简单，频率范围广、补偿效果好，对交流电源功率要求低。根据给定的频率以及电感值自动调节可变电容使电路达到谐振状态，此时只需调节电路电压便可得到相应所需频率和场强的匀强磁场，利用补偿电容和亥姆霍兹线圈的自感组成谐振网络实现稳流输出，使亥姆霍兹线圈产生频率和磁感应强度可调的磁场。
124.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。