一种扫频式磁共振探测电感测量仪

作者；张毅

  本文采用扫频方式确定核磁共振找水仪发射线圈的最佳谐振电感值，为获得更加理想的核磁共振找水信号提供帮助。

1扫频式电感测量仪的整体设计

  本设计主要是利用LC串联谐振电路的原理来测量被测电感的值。图1为扫频式电感测量仪的整体结构框图，包括电源模块、DDS扫频信号发生模块、IGBT驱动模块、IGBT桥路模块、被测电感线圈和配谐电容。信号部分通过软件编程控制AD9850芯片获得两个相位相差180。的扫频方波信号，同时主机向电流采集电路中的从机发送实时频率值。电路驱动部分利用H桥路技术，为保护桥路安全，桥路的两路控制信号需有十几微秒的死区时间。为此，这里使用CPLD技术获得死区时间，信号经过驱动电路加在电感线圈上。当电路在最大谐振点时，从机从主机获得此刻的频率值f。电感值L与频率f满足如下关系：

其中：C为配谐电容值。

2软、硬件设计与实现

2.1硬件设计

2.1.1  基于IGBT的H桥路设计

  扫频信号发射回路基于开关逆变技术，其核心单元为由电感线圈和配谐电容组成的串联谐振回路。由IGBT构成的H桥路将单极性电源电压逆变为交流方波，加于串联谐振回路两端，并在线圈中形成正弦电流。

  扫频信号在谐振时电压较大，同时工作频率在1 kHz～3 kHz之间，因此选用的桥路功率器件应是大功率、能够实现快速切换的器件。

  IGBT是先进的第三代功率模块，其工作频率为1 kHz～20 kHz，主要应用在变频器的主回路逆变器及一切逆变电路，即DC／AC变换中。单个元件电压可达4.0 kV(PT结构)～6.5 kV（NPT结构），电流可达1.5 kA，是较为理想的功率模块，其具有控制电路简单、开关损耗小、通断速度快及元件容量大等优点。

图2为基于IGBT全桥路的发射回路电路图。其中，U出为桥路输入电压，Q1～Q4组成H桥路，WA和WB为桥路控制信号，L1为电感线圈，C1为配谐电容，C2为滤波电容，Ri为回路电阻，D1～D4为IGBT反向吸收二极管。

2.1.2   IGBT的驱动电路设计

  驱动电路采用TX-DA962D驱动板，其特点是：①每路输出6A电流，可驱动300 A／l 700V以下的IGBT；②有专门设计的输出插座，每单元既可驱动一只IGBT，也可驱动两只并联的IGBT；③保护报警输出部分与其他部分是电源隔离的，用户可灵活处置，每路均有故障指示灯；④每两个单元自带一个独立的DC/DC辅助电源，各单元的隔离度好，用户只需提供一个独立的15 V驱动电源；⑤支持多种输入信号电平，统一的输出使能端控制；⑥有输入电源极性保护。

2.1.3  电流采集及AD转换部分设计

  电流采集选择霍尔交流大电流传感器。霍尔元件型电流传感器其相应特性和精度都比较好，适合于长时间测量。因此，电流采集电路可以利用电流型霍尔传感器将大电流信号转换为小电流信号，然后通过采集处理电路获取该小电流信号。

  AD转换部分采用美国美信(MAXIM)公司生产的多量程、8通道、12位的MAX197数据采集芯片。以MAX197为核心的A/D转换电路具有外围电路简单、与处理器并口兼容性好、时序控制简单易懂的特点，其变换时间短，可靠性和性价比高，并且编程简单，比较适合实时性要求较高的大数据量数据采集与高速A/D转换使用

2.2软件设计

  此仪器的软件系统可分为两个部分：一部分为基于AD9850的扫频信号发生器，另一部分则为信号采集电路。

2.2.1  扫频部分软件设计

  此部分由STC89C52单片机向AD9850写入频率控制字，使其产生相应的频率信号，经软件延时及循环语句实现频率扫描的功能，然后从AD9850输出两个相位相差180。的扫频方波信号，经过CPLD的异或逻辑产生桥路控制信号。主机利用串口技术将扫频频率实时地发给从机，以便使从机获得频率值，并用其值计算出电感。

2.2.2  电流采集部分软件设计

  电流采集部分主要由STC89C52单片机、霍尔电流传感器和12位高速AD芯片MAX197及其外围电路构成。首先，控制器检测是否有串口信号到来，若有数据到来则进入接收数据（即主机发送的实时扫频频率）子程序。在这个子程序中，A/D开始采集当前电流并转化为电压值，然后与前一次电压值比较，若前者大于后者，则保留前者的频率；否则，后者的作为频率保留。以此类推，在扫频结束后，将会得到最大电流值所对应的频率值厂，最终由此值计算出电感值。

3测试结果分析

3.1  波形输出结果分析

图3为发射回路负载两端实测电压波形。测试结果表明：IGBT在开通和关断的时刻有比较大的尖峰电压，此尖峰电压会对系统产生一定干扰，应采取措施降低该尖峰干扰。

3.2  采集输出结果分析

为便于测试，用稳压电源向H桥路提供15 V输入电压，测量所用电感线圈标准值为935. 34uH，通过理论计算得谐振频率应为2. 602 54 kHz，考虑到扫频频率的精度，这里取2. 602 kHz，扫频范围为1 kHz～3 kHz。霍尔传感器输出电压和相应的频率值如表1所示。

  由表1可以发现，霍尔传感器所采集到的电压值大体上满足谐振曲线，但是实测电压最大时频率并非理论谐振频率，而且在某些频率点上，霍尔传感器采集到的电压值也与谐振规律有小幅度偏差。通过实测谐振点计算出来的电感值为973. 87uH，鉴于核磁共振找水仪发射线圈电感值在毫亨或亨以上级别，所以误差可以接受。

4结论

通过一系列的设计及调试，完成了实现电感测量的预期目标，信号发生器产生信号并实现了扫频功能，并能够实现信号的驱动和AD采集及显示，高效快捷，方便使用，有一定的市场前景。在今后的工作中，将采用串口通信实现上位机的远程显示与控制，并完成信号采集的模块化和集成化，使该电感测量仪器功能更加完善。

5摘要：针对核磁共振找水仪在实际应用过程中存在着电感测量不精确导致的难以获得最佳谐振信号的问题，基于串联谐振最佳谐振点电流最大的原理，设计了扫频式电感测量仪器。信号发生器产生的扫频方波信号经过驱动板和IGBT及配谐电容加到电感线圈上，用霍尔电流传感器采集出最大电流以及最大电流时刻信号源产生的信号频率，以此精确地计算出电感值，利用此方法设计一种扫频式电感测量仪以匹配找水仪，从而获得最佳谐振核磁共振找水信号。