一種圓柱形螺線管磁場發(fā)生裝置設計

鮑日洋，雷 同，柳玉靜，安興晨，賈夢巖

（東北林業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150000）

引言

隨著科學技術(shù)的不斷進步，應用于電磁領域的裝置越來越多，其對人類所造成的影響也越來越顯著。眾多科研人員的研究結(jié)果顯示，這些電磁裝置放射出的電磁波會對生物體產(chǎn)生一定的影響。因此，為了研究生物電磁效應，開發(fā)一套產(chǎn)生電磁場的裝置顯得尤為重要。

目前，生物電磁效應在許多領域都有應用，其在農(nóng)學、醫(yī)學和生物領域的應用最為廣泛。例如：應用于脈沖磁場殺菌時，它具有不需加熱、時間短的優(yōu)良性能，在冷殺菌處理中有著很廣泛的應用[1]；在生物育種上，利用交變磁場作用于農(nóng)產(chǎn)品的種子、幼苗等，可以使這些作物發(fā)生意想不到的生長效果。同時，磁場作為一種良好的激勵源，可以應用于許多材料的無損檢測中。本設計通過研究磁場發(fā)生裝置，探究影響磁場大小、方向等特征值的因素，希望為生物電磁效應領域的研究提供幫助[2]。

1 圓柱形螺線管磁感應強度表達式推導

設所設計圓柱形螺線管的半徑為ɑ、整體的長度為2b，通過螺線管的電流為I，單位長度的線圈匝數(shù)為n。在柱坐標系下，任取螺線管上的一點Q(ɑ,?′,z′)，則此點的面電流密度為

點Q與空間任意一點P的矢徑為

在P點的磁感應強度可根據(jù)畢奧—薩伐爾定律推導出

利用上式可以得到柱坐標系下空間中任意一點P的磁感應強度的徑向分量、軸向分量和切向分量。

由于積分的對稱性，磁感應強度的切向分量

第三類完全橢圓積分。

根據(jù)方程（4）～（6），以螺線管的幾何中心為原點，利用Matlab 軟件對磁感應強度進行仿真，得到圖1。

圖1 中(a)和(b)從上到下三條曲線依次對應ρ=0，ρ= 0.5ɑ，ρ= 1.1ɑ時磁場的分布情況。縱坐標為Bz/Bz0，Bz0=μ0nI表示無限長直螺線管軸線上的磁感應強度大小。橫坐標為z/ɑ，表示距離原點所在高度與螺線管半徑的比值。由圖1(a)可以看出，磁感應強度的大小隨著z的增大而減小，其在原點（即螺線管的幾何中心）處有最大值，由(a)、(b)兩幅圖對比可知，當b/ɑ增大時，中間磁場的均勻部分隨之增大，即螺線管越細、越長，磁場在其中心處分布越均勻[6]。

2 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)是一套應用于生物電磁效應領域的磁場發(fā)生裝置。該裝置由單片機、直流電源、LM358、圓柱形螺線管、磁感應強度測量裝置構(gòu)成。利用單片機產(chǎn)生3.1 V～3.3 V 的電壓，經(jīng)LM358 電路對波形進行放大，驅(qū)動螺線管產(chǎn)生隨時間變化的磁場，最后用高斯計測量磁場大小。通過修改單片機代碼里的參數(shù)可以調(diào)整產(chǎn)生波形的頻率、波形的類別（三角波、正弦波、方波），通過調(diào)節(jié)LM358電路運放的倍數(shù)可以調(diào)整產(chǎn)生正弦波電壓的幅值，從而在線圈周圍產(chǎn)生多變的磁場。

2.1 單片機程序設計

從技術(shù)角度考慮，同時為了降低成本，本系統(tǒng)采用的信號發(fā)生器不同于以往，利用單片機產(chǎn)生各種波形，經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動螺線管產(chǎn)生多樣的磁場。通過修改單片機程序里的參數(shù)，可以控制單片機產(chǎn)生三角波、正弦波及方波，也可以改變產(chǎn)生波形的頻率，圖2是示波器測得的正弦波波形。

圖2 單片機產(chǎn)生波形圖

2.2 功率放大模塊

單片機引腳可提供的電壓范圍為3.1 V～3.3 V，經(jīng)過功率放大電路放大。放大電路以LM358 芯片為核心，設計電路的增益可達到100倍，板載10 K可調(diào)電阻，可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。板載電源指示燈用于指示芯片的工作狀態(tài)，芯片的主要引腳已經(jīng)引出，可以直接輸入輸出信號，工作電壓在5 V～12 V之間，由直流電源提供。圖3是功率放大電路圖。

圖3 LM358功率放大電路

2.3 圓柱形螺線管設計

圓柱形螺線管以內(nèi)孔為銅管做橫向骨架，兩邊采用環(huán)氧板做固定，隨后在銅管上來回纏繞三層漆包線。通過理論計算與仿真，擬定螺線管長度為500 mm，內(nèi)徑為170 mm，外徑為200 mm，磁場均勻區(qū)大約為100 mm。螺線管的設計圖形如圖4所示。

圖4 螺線管正視圖和側(cè)視圖

3 結(jié)束語

電磁波在人們的日常生活中無處不在，它同時也存在于自然界中。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，電磁波將廣泛應用于生活的方方面面。本文所設計的螺線管是產(chǎn)生磁場的常見裝置[5]，同時也是產(chǎn)生脈沖磁場的主要裝置[4]。與穩(wěn)態(tài)磁場相比，脈沖磁場的峰值更大，能夠滿足更多科研環(huán)境的需求，廣泛應用于材料、生物組織的無損檢測，以及脈沖磁場殺菌等領域[3]。希望本設計能為生物電磁效應的進一步研究提供一定的參考價值，從而促進相關技術(shù)在生物電磁技術(shù)的運用。