专利名称：一种兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统及信号处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种兆赫兹脉冲弱磁场检测。特别是涉及一种兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统及信号处理系统。
背景技术：
随着检测技术的进步，磁场测量有了很大发展，其应用已深入到工业、农业、国防科技以及生物医学各个领域。在生物医学领域，尤其是重复经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)的应用中，所涉及的高频瞬态弱磁�。雌德饰�0. I I. OMHz 的时变磁场。近年来，TMS在脑神经与脑功能研究方向有广泛应用，其所采用的脉冲磁场为微秒级脉冲弱磁�。既凡饬看懦∏慷仍赥MS应用的安全性方面有着重要意义。根据测量原理的方式不同，脉冲磁场测量方法通常分为磁光效应法，电磁感应法。 由于磁光效应法适用于强脉冲磁场的测量，其测量精度无法满足弱瞬态磁场的测量，而基于法拉第电磁感应定律的电磁感应法测量范围宽，灵敏度高，频响不受限，方法简便易实现。目前国内外大部分针对脉冲磁场检测技术的研究集中在用于原子结构探讨的脉冲强磁场与变电站内存在的纳秒级脉冲弱磁场等领域，鲜少有涉及医疗领域的高频脉冲弱磁场测量与标定方面的研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可为兆赫兹脉冲弱磁场的检测与标定技术的实验验证的兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统及信号处理系统。本发明所采用的技术方案是一种兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统，具有依次串接的磁场激励单元、磁场检测单元、数据采集单元以及信号处理单元，其中，所述的磁场激励单元用于提供电压脉冲信号，包括有相连接的函数发生器和功率放大器，所述的磁场检测单元用于提供磁场发生和检测，包括有与功率放大器相连的限流电阻、与限流电阻的另一端相连的磁场发生线圈以及与磁场发生线圈对应设置并与数据采集单元相连的磁场检测线圈，所述的数据采集单元是由数字示波器构成，所述的信号处理单元是由计算机构成，并基于MATLAB平台的数字信号处理算法对采集信号进行处理。所述的磁场检测单元中的限流电阻的两端还分别连接数据采集单元。所述的磁场检测线圈通过电极与数据采集单元相连接。所述的磁场发生线圈和磁场检测线圈是通过非铁磁性线圈固定装置定位，所述的线圈固定装置包括有通过定位标尺柱支撑的用于设置磁场发生线圈的线圈轴，垂直设置在线圈轴的中心轴上，用于设置磁场检测线圈的定位标尺柱。所述的磁场发生线圈与磁场检测线圈的直径比为11. 7，所述的磁场检测线圈在定位标尺柱上的高度可调范围为O-lOcm。所述的磁场检测单元产生磁场的磁感应强度为I U T-20 u To
所述的数据采集单元采用四通道数字示波器。一种用于兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统的信号处理系统，包括有分别接收数据采集单元所采集的信号并分别对该信号进行磁感应强度真值估计和磁感应强度实际检测值计算的磁场真值估计�？楹褪导什饬恐导扑隳？椋直鹩氪懦≌嬷倒兰颇？楹褪导什饬恐导扑隳？橄嗔挠糜谔峁┐懦≌嬷涤氪懦〖觳庵抵湮蟛罘治龅拇懦∏慷缺甓？椤Ｋ龅拇懦≌嬷倒兰颇？榘ㄓ薪邮帐莶杉ピ男藕庞糜谇蠼庀蘖鞯缱枭系牡缌鞯那蠼庀呷Φ缌髂？楹陀肭蠼庀呷Φ缌髂？橄嗔拥睦砺奂扑阆呷Υ懦∧？椋龅睦砺奂扑阆呷Υ懦∧？榈氖涑隽哟懦∏慷缺甓？�。所述的实际测量值计算�？榘ㄓ幸来未拥陌吞匚炙故致瞬？�、自适应时间窗截短模块、梯形公式数字积分�？�、结合线圈参数计算�？椋渲校雎瞬？榈氖淙攵肆邮莶杉ピ龅慕岷舷呷Σ问扑隳？榱哟懦∏慷缺甓？�。本发明的一种兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统及信号处理系统，可为兆赫兹脉冲弱磁场的检测与标定技术的实验验证，为将来生物医学仪器中的磁场检测技术实际应用打下基础。
图I是本发明的系统结构框图；图2是本发明的磁场激励单元结构框图；图3是本发明的磁场检测单元结构框图；图4是本发明的信号采集单元结构框图；图5是本发明的线圈固定装置结构示意图；图6是本发明的信号处理单元结构框图；图7是本发明信号处理单元算法示意图；图8是本发明的工作基本原理示意图图9是本发明的系统工作过程示意图。I :磁场激励单元2 磁场检测单元
3 :数据采集单元4 信号处理单元
11 函数发生器12:功率放大器
21 限流电阻22:磁场发生线圈
23 磁场检测线圈24:线圈轴
25 定位标尺柱26:支撑脚
27 电极41:磁场真值估计�？�
42 实际测量值计算�？�43:磁场强度标定�？�
411:求解线圈电流�？�412 :理论计算线圈磁场�？�
421巴特沃斯数字滤波�？�422 :自适应时间窗截短�？�
423:梯形公式数字积分�？�424 :结合线圈参数计算�？�
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统及信号处理系统做出详细说明。如图I 图4所示，本发明的一种兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统，具有依次串接的磁场激励单元I、磁场检测单元2、数据采集单元3以及信号处理单元4。其中，所述的磁场激励单元I用于提供任意波形激励电压脉冲信号，包括有相连接的函数发生器11和功率放大器12，通过电极27与磁场检测单元相接。函数发生器为 AFG3252，输出激励脉冲选用正弦脉冲，功率放大器为HSA0401。试验中，激励单元脉冲波形选择单个正弦脉冲，脉宽为ii s级的脉冲，输出电压范围为1V-10V，功率放大倍数为1-10 倍。所述的磁场检测单元2用于提供兆赫兹脉冲磁场发生和检测，所述的磁场检测单元2产生磁场的磁感应强度为I U T-20 u T，包括有与功率放大器12相连的限流电阻21、与限流电阻21的另一端相连的磁场发生线圈22以及与磁场发生线圈22对应设置并与数据采集单元3相连的磁场检测线圈23，所述的磁场检测线圈23通过电极27与数据采集单元 3相连接。所述的磁场检测单元2中的限流电阻21的两端还分别连接数据采集单元3。所述的数据采集单元3用于提供磁场检测线圈产生信号的全波记录，是由提供高采样率的数字示波器构成，采用双通道数字示波器TDS2012B，通过电极与其他单元相接。所述的数据采集单元3通过电极27与其他单元相接，提供磁场检测线圈产生信号的全波记录。所述信号采集单元采集精度达到nV级，采样率为lGs/s，对检测线圈和限流电阻电信号进行同步采集。所述的信号处理单元4是由计算机构成，并提供基于MATLAB平台的磁场信号处理核心算法对采集信号进行处理。所述信号处理算法提供磁感应强度真值估计，磁感应强度实际检测值计算与磁感应强度检测值标定。如图5所示，所述的磁场发生线圈22和磁场检测线圈23是通过非铁磁性线圈固定装置定位，所述的线圈固定装置由非铁磁性装置以有机玻璃为原材料，包括有通过支撑脚26支撑的用于设置磁场发生线圈22的线圈轴24，垂直设置在线圈轴24的中心轴上，用于设置磁场检测线圈23的定位标尺柱25。所述的磁场发生线圈22与磁场检测线圈23的直径比为11. 7，所述的磁场检测线圈23在定位标尺柱25上的高度可调范围为O-lOcm。可根据需要改变磁场发生线圈22与磁场检测线圈23的线圈匝数和线圈相对高度与位置。如图6所示，本发明的用于兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统的信号处理系统，包括有分别接收数据采集单元3所采集的信号并分别对该信号进行磁感应强度真值估计和磁感应强度实际检测值计算的磁场真值估计�？�41和实际测量值计算模块42，分别与磁场真值估计�？�41和实际测量值计算模块42相连的用于提供磁场真值与磁场检测值之间误差分析的磁场强度标定�？�43。多次重复实验结果显示磁感应强度检测精度达到10_8量级，检测值与真值误差为±2.5%。如图7所示，所述的磁场真值估计�？�41通过限流电阻实际电流值计算得到磁感应强度真值，包括有接收数据采集单元3的信号用于求解限流电阻21上的电流的求解线圈电流模块411和与求解线圈电流�？�411相连接的理论计算线圈磁场�？�412，所述的理论计算线圈磁场模块412的输出连接磁场强度标定�？�43。所述的实际测量值计算�？�42包括有依次串接的巴特沃斯数字滤波�？�421、自适应时间窗截短�？�422、梯形公式数字积分�？�423以及结合线圈参数计算模块424，其中，所述滤波�？�421的输入端连接数据采集单元3，所述的结合线圈参数计算�？�424连接磁场强度标定�？�43。如图8所示，本发明的用于兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统的信号处理系统的具体工作原理是，基于电磁感应法的磁场检测基本原理，根据电磁学理论，给匝数和直径一定的磁场发生线圈22施加单脉冲正弦电压激励，其周围会形成具有一定分布的脉冲磁场。由法拉第电磁感应定律可知，把匝数为N，截面积为S的磁场发生线圈22放在磁感应强度为B 的目标磁场中，保持其中心轴线与磁场磁力线方向平行，当通过磁场检测线圈23的磁通量 ^发生变化，线圈中将产生感应电动势�，采集磁场检测线圈23的感应电动势I，进行处理和分析就能得出目标待测磁场的磁感应强度计算值B。基于测量原理，磁场检测线圈23应尽量满足以下要求(I)线圈截面积尽可能�。允瓜呷λ哺欠段诘拇懦∧芙凭龋饬拷峁品从诚呷λξ恢玫闹嵯虻愦懦≈担�(2)磁场检测线圈23对测量点磁场产生影响应尽可能小；(3)检测线圈平面应垂直于磁场方向。感应电动势信号的处理过程在MATLAB仿真平台完成。根据数字信号时域处理原理，感应电动势信号处理过程包括经巴特沃斯数字滤波�？�421和自适应时间窗截短�？榻懈咂�/低频去噪，经梯形公式数字积分�？榻惺只趾途岷舷呷Σ问扑隳？榻薪岷舷呷Σ问蠼馐导蚀懦∏慷�。高频去噪采用三阶巴特沃斯数字滤波器滤除高频噪声，低频去噪采用时间窗去除基线漂移对后续积分的影响，积分方法选择数字积分器，数字积分性能稳定，其关键部分在于算法，不受电容、电阻等模拟器件影响，积分结果的一致性较好，常用的数字积分算法有复化矩形公式、梯形公式和辛普森公式，等，它们对应的传递函数Hr, Ht, Hs分别为
权利要求
1.一种兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统，其特征在于，具有依次串接的磁场激励单元(I)、磁场检测单元(2)、数据采集单元(3)以及信号处理单元(4)，其中，所述的磁场激励单元(I)用于提供电压脉冲信号，包括有相连接的函数发生器(11)和功率放大器(12)， 所述的磁场检测单元⑵用于提供磁场发生和检测，包括有与功率放大器(12)相连的限流电阻(21)、与限流电阻(21)的另一端相连的磁场发生线圈(22)以及与磁场发生线圈(22) 对应设置并与数据采集单元(3)相连的磁场检测线圈(23)，所述的数据采集单元(3)是由数字示波器构成，所述的信号处理单元(4)是由计算机构成，并基于MATLAB平台的数字信号处理算法对采集信号进行处理。
2.根据权利要求I所述的一种兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统，其特征在于，所述的磁场检测单元(2)中的限流电阻(21)的两端还分别连接数据采集单元(3)。
3.根据权利要求I所述的一种兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统，其特征在于，所述的磁场检测线圈(23)通过电极与数据采集单元(3)相连接。
4.根据权利要求I所述的一种兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统，其特征在于，所述的磁场发生线圈(22)和磁场检测线圈(23)是通过非铁磁性线圈固定装置定位，所述的线圈固定装置包括有通过定位标尺柱(25)支撑的用于设置磁场发生线圈(22)的线圈轴(24)， 垂直设置在线圈轴(24)的中心轴上，用于设置磁场检测线圈(23)的定位标尺柱(25)。
5.根据权利要求4所述的一种兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统，其特征在于，所述的磁场发生线圈(22)与磁场检测线圈(23)的直径比为11. 7，所述的磁场检测线圈(23)在定位标尺柱(25)上的高度可调范围为O-lOcm。
6.根据权利要求I所述的一种兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统，其特征在于，所述的磁场检测单元(2)产生磁场的磁感应强度为I U T-20 u T0
7.根据权利要求I所述的一种兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统，其特征在于，所述的数据采集单元(3)采用四通道数字示波器。
8.一种用于权利要求I所述的兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统的信号处理系统，其特征在于，包括有分别接收数据采集单元(3)所采集的信号并分别对该信号进行磁感应强度真值估计和磁感应强度实际检测值计算的磁场真值估计�？�(41)和实际测量值计算模块(42)，分别与磁场真值估计�？�(41)和实际测量值计算�？�(42)相连的用于提供磁场真值与磁场检测值之间误差分析的磁场强度标定�？�(43)。
9.根据权利要求8所述的用于兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统的信号处理系统，其特征在于，所述的磁场真值估计�？�(41)包括有接收数据采集单元(3)的信号用于求解限流电阻(21)上的电流的求解线圈电流�？�(411)和与求解线圈电流�？�(411)相连接的理论计算线圈磁场�？�(412)，所述的理论计算线圈磁场�？�(412)的输出连接磁场强度标定�？�(43)。
10.根据权利要求8所述的用于兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统的信号处理系统， 其特征在于，所述的实际测量值计算�？�(42)包括有依次串接的巴特沃斯数字滤波�？� (421)、自适应时间窗截短�？�(422)、梯形公式数字积分�？�(423)、结合线圈参数计算�？�(424)，其中，所述滤波�？�(421)的输入端连接数据采集单元(3)，所述的结合线圈参数计算模块(424)连接磁场强度标定�？�(43)。
全文摘要
一种兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统及信号处理系统，实验系统是有磁场激励单元包括相连接的函数发生器和功率放大器，磁场检测单元有与功率放大器相连的限流电阻、与限流电阻的另一端相连的磁场发生线圈以及与磁场发生线圈对应设置并与数据采集单元相连的磁场检测线圈，数据采集单元是由数字示波器构成，信号处理单元是由计算机构成。信号处理系统有分别接收数据采集单元所采集的信号并分别对该信号进行磁感应强度真值估计和磁感应强度实际检测值计算的磁场真值估计模块和实际测量值计算�？椋直鹩氪懦≌嬷倒兰颇？楹褪导什饬恐导扑隳？橄嗔挠糜谔峁┐懦≌嬷涤氪懦〖觳庵抵湮蟛罘治龅拇懦∏慷缺甓？�。本发明可为兆赫兹脉冲弱磁场的检测与标定技术的实验验证。
文档编号G01R33/02GK102590764SQ201210053510
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月2日 优先权日2012年3月2日
发明者刘志朋, 殷涛, 陈怡美 申请人:中国医学科学院生物医学工程研究所
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
