基于C8051F005的均匀轴向亚磁场产生和测量系统

根据亚磁场生物学实验要求,利用Silicon Labs的C8051F005微处理器设计了一种轴向亚磁场产生和测量系统.基于亥姆霍兹线圈产生磁场的基本原理设计了一种新的磁场产生结构,采用MAX038产生交变磁场的硬件电路,使用磁阻磁强计对磁场进行精确测量,用VC6.0设计了上位机软件,图形化显示从磁阻磁强计传输过来的数据.实测表明,新结构产生磁场的均匀性要比亥姆霍兹线圈产生的磁场均匀性好,磁场均匀范围宽.亚磁场随电流的变化呈线性变化,具有很好的可控性,可通过简单设置控制交流磁场的频率.     

旋转磁矢量场发生器研究

为了在实验室环境下对飞行器滚转角测量装置进行调试,研究了一种旋转磁矢量场模拟试验装置;采用ANSYS软件对磁屏蔽筒的屏蔽效应及亥姆霍兹线圈的磁场分布进行了数值模拟,并采用TMS320F2809-100型DSP芯片和TIDSPBIOS实时操作系统实现矢量信号的发生;结果表明:磁屏蔽筒能有效屏蔽外界磁场,产生近似的零磁空间;亥姆霍兹线圈中心区域磁感强度为变化缓慢的均匀区,可作为被测装置的工作区;测量数据与模拟器输出信号的理论值的差值小于6%,DSP的CPU运算能力裕度大于50%;用磁屏蔽筒、亥姆霍兹线圈、矢量信号发生器可以构成用于飞行器滚转角测量的模拟实验装置。     

新型磁场测量仪设计

针对传统磁场测量方法存在回程差、读数繁琐、很难准确定位等问题,设计了一种新型磁场测量仪。该测量仪以上位机为核心控制单元,结合采集卡、单片机、步进电机驱动器、步进电机、丝杠导轨、三轴磁场传感器、稳压电源等,实现磁感应强度数据的自动采集和存储。测量了载流圆线圈和亥姆霍兹线圈磁场分布,利用Origin软件绘制了线圈轴线方向和垂直于轴线方向的磁感应强度分布图,利用Matalab软件绘制了圆线圈和亥姆霍兹线圈在过轴线的平面上各点的磁感应强度矢量分布图。试验结果表明:该测量仪可以准确测量磁场的三个分量,准确给出磁场的矢量分布图,不仅消除了回程差,而且具有测量速度快、精度高、形象等优点。该测量仪可广泛应用于军事、资源勘探、生命医学、科学研究等领域。     

曲率驱动的基于亥姆霍兹涡量方程的图像修复模型

图像修复模型根据已知区域信息自动修复目标区域,且保证修复后的图像满足人眼视觉系统的要求,目标区域轮廓自然.理论分析证明,流体力学中无粘亥姆霍兹涡量方程可以实现图像修复.根据曲线和曲面运动方程,使用曲率驱动亥姆霍兹修复模型中的等照度线传输方向.曲率是图像几何特征作用的结果,所以新模型可以很好地保持图像中的线性特征.图像中涡量为平滑程度的度量,二维图像域中涡量具有扩散性,对涡量方程的结果做各向异性扩散,使等照度线间的图像信息交互.亥姆霍兹涡量方程修复模型中的各个参数及扩散过程是涡量扩散性和耗散性以及图像几何特征作用的结果,扩散后的修复模型稳定且不存在错误的传输方向.理论和实验证明了曲率驱动的亥姆霍兹涡量方程模型在图像修复中的有效性.     

磁阻型弱磁传感器特性自动测试系统

随着磁阻型弱磁传感器的深入研究和广泛应用,方便、快速的测量传感器低频噪声、灵敏度、非线性等特性已成为研究其低频弱磁场测量能力的基础。设计开发了一套弱磁传感器特性自动测试系统,其自身的噪声平方根谱密度小于槡5 nV/Hz(在10kHz)。它包括亥姆霍兹线圈、惠斯登电桥和低噪声放大器、磁屏蔽桶、高精度数据采集卡和PC等硬件模块,采用互相关功率谱分析方法得到传感器低频噪声,通过传感器输入输出特性曲线得到其灵敏度和非线性等参数。利用该系统对商业化巨磁阻传感器AA002进行了测试,得到其在6 V供电时噪声平方根普密度约为槡10 nV/Hz(在10 kHz),线性范围内的灵敏度为3.35 mV/(G.V-1)。结果表明该系统为研究和分析磁阻型弱磁传感器的特性提供了一种有效的检测手段。     

硬标签质量参数检测传感器设计及测试

电子商品防盗系统(EAS)中使用的一类硬标签核心电路由磁棒线圈和电容串联组成,LC谐振频率F和品质因数Q值是硬标签关键质量参数。针对该类硬标签参数检测的市场需求和传统双线圈检测方法存在的不足,提出了一种基于互感耦合原理,以亥姆赫兹线圈磁场为激励,采用差分和二级积分电路获取硬标签幅频特性信息的检测方法,搭建了硬标签参数检测传感器电路分析传感器检测F、Q值的理论模型。通过对市售58 k Hz硬标签试验数据的分析表明:该传感器F、Q值的绝对误差分别小于0.025 k Hz和1.3,其谐振频率测试性能明显优于市售EAS频率检测仪(E-X5006AM),性能满足行业测试要求。该传感器可为硬标签生产过程和质量检测提供F和Q值信息,具有行业实际应用价值。     

基于DDS技术的胶囊微机器人外旋转磁场驱动方法

针对微机器人有缆驱动的缺点,介绍了一种以外旋转磁场驱动内嵌永磁体的胶囊微机器人游动的无缆驱动方法。阐述了胶囊微机器人的驱动原理与旋转磁场的产生方法,并结合直接数字频率合成（DDS）技术,开发了以单片机AT89S52和DDS芯片AD9854为核心的旋转磁场驱动信号源。对系统进行软硬件设计和调试,产生的两路正余弦信号可驱动两组亥姆霍兹线圈产生旋转磁场。     

基于稳态逼近算法的光学双稳态现象研究

光子晶体的双稳态现象是光子晶体制作光限幅器和光开关的理论基础,研究具有低阈值的双稳态系统对大规模集成光路具有非常重要的意义。本文采用有限元方法和稳态算法对含有缺陷的一维光子晶体结构中的双稳态效应现象进行了理论推导和数值分析。在频域上,一维双稳态效应问题可化为非线性亥姆霍兹方程的两点边值问题。本文基于非线性亥姆霍兹方程建立了有限元数学模型,构造了基于有限元方法和稳态迭代算法的数值求解算法。研究算例结果表明该数值算法能有效地模拟含有缺陷的一维光子晶体结构中双稳态效应现象,并能推广到高维问题的研究。本文还利用该模型算法进一步研究了结构参数对双稳态效应的影响,当选择非线性强度大的材料,或者增强入射场强度,或增加中间层厚度时可以降低双稳态效应发生的阈值。     

基于FDTD的平面波入射介质的仿真

在二维时域有限差分法的基础上,以MATLAB为环境,进行电磁场数值仿真计算以及设置入射波与介质圆柱边界条件.用完美匹配层、矢量亥姆霍兹方程解决了吸收边界和平面波入射有损介质的问题.将平面电磁波入射到介质圆柱上的状态很好地模拟出来.     

水声换能器近场校准方法的实验研究

近场校准方法可用于在近场条件下校准水声换能器。方法以亥姆霍兹(Helmholtz)积分为基础,由近场测量数据推算大尺寸水声换能器的远场特性。本文叙述了三种不同类型换能器近场数据测量技术和远场特性计算方法,并作为例子给出了近远场校准结果。     

Novel electromagnetic actuation (EMA) method for 3-dimensional locomotion of intravascular microrobot

A new electromagnetic actuation (EMA) method is proposed for 3-dimensional locomotion of a microrobot. Generally, the EMA system uses Helmholtz coils and Maxwell coils. The Helmholtz coil pair generates a uniform magnetic flux density and the Maxwell coil pair generates a uniform gradient magnetic flux. The microrobot can be aligned to the desired direction by the Helmholtz coils and then, be propelled in the aligned direction by the Maxwell coils. However, many previous EMA systems have been restricted to 2-dimensional planar actuation. The EMA system proposed in this paper consists of a pair of stationary Helmholtz–Maxwell coils and a pair of rotational Helmholtz–Maxwell coils. This new EMA system can manipulate a microrobot in 3-dimensional space. For accurate actuation of a microrobot, the gravitational force, which influences the motion of microrobot, has to be analyzed and compensated. Through various experiments, the performance of the proposed EMA system was evaluated. Finally, a microrobot was test-driven in a blood vessel phantom, and the result of the test drive verified the feasibility of 3-dimensional motion of a microrobot by the new EMA system.     

Feasibility study on magnetically steerable guidewire device for percutaneous coronary intervention

In this paper, we proposed a magnetically steerable guidewire device composed of two parts: steering part and feeding part. The steering part consists of a magnet attached to the end of a commercial guidewire and 2-pair Helmholtz coils, and the feeding part consists of a motorized stage and a device for holding the guidewire. In detail, the 2-pair Helmholtz coils generate a uniform magnetic field that can align the guidewire magnet in the region of interest (ROI) along a desired direction. In addition, the feeding part remotely controls guidewire insertion and the length of the flexible part of the guidewire extruded from a catheter. For accurate alignment at the end of the guidewire, we controlled the flexible length of the guidewire extruded from a catheter and the intensity and direction of the uniform magnetic field using the feed-forward method. In addition, to reduce alignment error due to unpredicted disturbances and friction effects between the test-bed and the guidewire, proportional-integralderivative control is introduced as a feedback control algorithm. Using the control algorithms, we demonstrated accurate actuation of the steerable guidewire device with a steering angle error of less than 0:5◦. We expect that the proposed steerable guidewire device can be applied to the development of a 3-D locomotive guidewire with position recognition for percutaneous coronary intervention (PCI).

     

Enhanced locomotive and drilling microrobot using precessional and gradient magnetic field

We propose a new electromagnetic actuation (EMA) system for an intravascular microrobot with steering, locomotion and drilling functions. The EMA system consists of 3 pairs of Helmholtz coil and 1 pair of Maxwell coil. Generally, Helmholtz coils can align a microrobot in a desired direction by generating a uniform magnetic flux. If the uniform magnetic field generated by Helmholtz coils can be rotated, a microrobot with Helmholtz coils can also be rotated. On the other hand, a Maxwell coil, which generates a constant gradient magnetic flux, can supply the propulsion force for the microrobot. A microrobot actuated by the proposed EMA system has a spiral shaped body containing two magnets with different magnetization directions. With the proposed EMA system, the microrobot can move to the target region and perform drilling there by the precessional magnetic field of the Helmholtz coil pairs. The propulsion force for the microrobot is produced by the gradient magnetic field generated by the Maxwell coil pair. The moving velocity and the drilling performance of the microrobot can be increased by the propulsion force of the Maxwell coil pair. Through various tests, the feasibility and enhancement of the microrobot actuated by the proposed EMA system were verified.     

基于STM32单片机的磁强仪校准装置研制

针对磁强仪的量值溯源体系尚不完备,大量设备得不到有效溯源,导致测量的准确度无法保障的问题,分析了现有磁测设备检定校准规范及溯源体系的局限性,提出了一种新型磁强仪校准方法。结合磁强仪校准的技术要求和触摸屏控制技术,开发了包括可调恒流电源、复合磁场线圈、人机控制系统等在内的基于STM32单片机的智能校准装置。利用加莱特圆环线圈的均匀磁场特性,保证校准装置的可靠性。通过对电源、标准磁场、校准装置的重复性试验,对该方法进行了结果验证。试验结果表明,该方法具有高度的稳定性、线性度,且使操作流程简便,能满足磁强仪的校准与测试需求。该系统的开发为完善我国磁测设备溯源体系提供了技术支持。     

人工心脏磁悬浮系统涡电流位移传感器的设计

设计一种用于人工心脏的非接触式涡电流位移传感器。针对人工心脏磁悬浮系统特有的钛合金隔层结构,采用有限元分析涡电流位移传感器磁场,得到其结构参数;同时研制能实时监控传感器线圈绕制的装置,以提高线圈阻抗的一致性。经对传感器性能测试,结果显示所设计的涡电流位移传感器标准偏差为3.8%,灵敏度高于10%,能满足人工心脏磁悬浮系统的要求。     

EAST工程调试实验数据远程实时监视系统

EAST工程调试实验是为了测试主机性能和主要分系统的关键参数而进行的磁体通电实验。在工程调试过程中，大量反映装置运行状态的实验数据必须能够在远程实时监视。根据EAST工程调试的需求，并依据EAST的网络结构，设计了B/S模式与C/S模式相结合的实时监视系统，使得物理实验人员能够对实验数据进行在线分析，及时作出判断和决策，保证工程调试的顺利进行。该系统对EAST放电实验数据的实时显示具有很好的参考价值。     

面向机器人运动跟踪的电磁定位系统

电磁定位具有精度高、速度快和易实现等优点,所以对手术、室内和室外机器人跟踪是一个良好的选择。电磁定位以交变电磁信号作为源信号。交变的电流信号激励发射线圈（信号激励部件）在空间中产生交变的电磁场,感应线圈（信号感应部件）在交变的电磁场中输出频率相同的信号。根据输出信号的幅值和相位信息,我们可以计算出感应线圈相对于发射线圈的位置和方向信息。本文面向机器人定位跟踪,介绍电磁定位系统的原理与实现,包括磁场模型、电磁定位算法与系统软硬件的搭建与实验。本文介绍两种不同的激励模式,分别为分时激励3轴正交发射线圈模式与同时激励2轴正交发射线圈模式,两种模式中的感应线圈均采用3轴正交线圈。实验结果表明,定位系统可以达到1 mm的定位精度。