本实用新型涉及线圈参数测量
技术领域：
，特别涉及一种用于密绕线圈分布参数反演的模型电路及测量装置，解决现有仪器难以准确测量磁感应通信插入未知磁导率磁芯的密绕线圈的电感和分布电容问题。
背景技术：
：在磁感应通信技术中，为了增加通信距离，一方面需要提高发射天线和接收天线的灵敏度，既需要较多的匝数、较小的内阻、较大线圈截面积且需要插入磁芯，而有限长磁芯的磁导率难以直接获取；同时，需要设计接收和发射天线的谐振电路以提高发射和接收效率，既要得到线圈准确的电感和分布电容参数。然而多匝密绕、大截面积线圈的分布电容在低频段(小于10khz)是不可忽略的(uf级)，且具有随频率变化特点。传统使用电桥测量分布参数较小的电感或电容时，可以测得较为准确的结果。但实践发现，利用电桥在低频段对密绕、多匝且插入未知磁导率磁芯线圈的电感测量时，会出现较大偏差，其原因是难以分离分布电容对电感测量的影响。矢量网络分析仪可以测量线圈的矢量阻抗和谐振频率，但网络分析仪的工作频段范围大都未覆盖低频且难以将分布电容从矢量阻抗中分离。目前出现的空心密绕线圈分布电容测量，首先使用电桥测量单匝线圈的电感和q值，再测量密绕线圈的q值，然后联合利用密绕线圈和单匝线圈电感量之间的数学关系和电感分布电容的模型，估计出分布电容参数；但电桥测量单匝线圈电感量和q值的误差较大，且难以用模型估计线圈插入未知磁导率磁芯后的电感量。综上所述，如何准确估计密绕线圈的电感和分布电容是制约远距离磁感应通信的重要因素。技术实现要素：为此，本实用新型提供一种用于密绕线圈分布参数反演的模型电路及测量装置，结构简单，设计科学、合理，解决密绕线圈在低频段、磁芯磁导率未知电感量难以直接测量和估计、分布电容大且随频率变化难以测量和估计等的问题，便于准确估计出线圈在不同频率的电感和分布电容，成本低、参数估计精度高，为实现远距离磁感应通信奠定技术基础。按照本实用新型所提供的设计方案，一种用于密绕线圈分布参数反演的模型电路，包含：串联在待测量信号源电路中用于测量线圈电流的串联电阻，及与串联电阻串联用于模拟线圈天线的电路模型；所述电路模型由电感、直流电阻和分布电容构成，其中，电感和直流电阻串联后与分布电容并联。作为本实用新型用于密绕线圈分布参数反演的模型电路，进一步地，待测量信号源输出不同频率信号。进一步地，本实用新型还提供一种用于密绕线圈分布参数估计的测量装置，包含多通道数据采集卡，及上述的用于密绕线圈分布参数反演的模型电路，其中，与串联电阻串联用于模拟线圈天线的电路模型替换为待测线圈；所述多通道数据采集卡用于采集串联电阻阻值及待测线圈两端电压和相位差。本实用新型的有益效果：本实用新型电路结构简单，设计科学、合理，通过线圈电感、电阻和分布电容建立基于密绕线圈的等效电路模型，可通过直接测量线圈两端电压、电流的幅度和两者之间的相位差，进一步通过非线性方程组准确估计出线圈在不同频率的电感和分布电容，解决密绕线圈在低频段、磁芯磁导率未知电感量难以直接测量和估计、分布电容大且随频率变化难以测量和估计等的问题，便于准确估计出线圈在不同频率的电感和分布电容，成本低、参数估计精度高，为实现远距离磁感应通信奠定技术基础。附图说明：图1为实施例中模型电路示意图；图2为实施例中测量装置工作原理图；图3为实施例中634hz电压测量结果示意；图4为实施例中并联电容后634hz电压测量值示意。具体实施方式：下面结合附图和技术方案对本实用新型作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本实用新型的实施方式，但本实用新型的实施方式并不限于此。本实用新型实施例，参见图1所示，提供一种用于密绕线圈分布参数反演的模型电路，包含：串联在待测量信号源电路中用于测量线圈电流的串联电阻，及与串联电阻串联用于模拟线圈天线的电路模型；所述电路模型由电感、直流电阻和分布电容构成，其中，电感和直流电阻串联后与分布电容并联。通过线圈电感、电阻和分布电容建立基于密绕线圈的等效电路模型，可通过直接测量线圈两端电压、电流的幅度和两者之间的相位差，结构简单，设计科学、合理，解决密绕线圈在低频段、磁芯磁导率未知电感量难以直接测量和估计、分布电容大且随频率变化难以测量和估计等的问题。作为本实用新型实施例中用于密绕线圈分布参数反演的模型电路，进一步地，待测量信号源输出不同频率信号。便于准确估计出线圈在不同频率的电感和分布电容，成本低、参数估计精度高，为实现远距离磁感应通信奠定技术基础。参见图1所示，电阻r(阻值为r)是用于测量线圈电流的串联电阻，由电感l1(电感值为l)、分布电容c1(电容值为c)、直流电阻r0(阻值为r0，在低频条件下可由电桥准确测量)构成线圈天线的电路模型，ac是用于测量的信号源。假设电阻r两端的电压是ur∠θ，其中ur是幅度，θ是相角；天线两端的电压为其中，ul为幅度，为相角。根据欧姆定理可以得到下式所示的方程,式中，ω＝2πf，f为测试信号频率。上式是关于电感l、分布电容电容c的非线性方程组，等式左边的相位差电压比值ur/ul均为可观测的值。因此，根据上述内容，未知磁导率的磁棒上密绕线圈参数估计中，只需要准确测量电阻r、线圈两端的电压及其相位差，带入上式方程，即可准确的估计出电感l和分布电容c。进一步地，本实用新型还提供一种用于密绕线圈分布参数估计的测量装置，参见图2所示，包含多通道数据采集卡，及上述的用于密绕线圈分布参数反演的模型电路，其中，与串联电阻串联用于模拟线圈天线的电路模型替换为待测线圈；所述多通道数据采集卡用于采集串联电阻阻值及待测线圈两端电压和相位差。通过实施例中的模型电路，并利用欧姆定律即可确定线圈电感、分布电容、直流阻抗之间电压幅度和相位的关系，实现通过测量线圈两端电压、电流的幅度和相位值得到线圈的电感和分布电容。为验证本实用新型中方案的有效性，下面结合具体实例做进一步解释说明：参见图2所示，以将线圈谐振调整到634hz为目的：被测为200匝密绕在未知磁导率的磁棒上，用电桥测量直流阻抗为62mω；电阻r阻值为10ω，与线圈一端连接，形成串联网络；将多通道同步数据采集卡的输入端口分别连接电阻r和线圈两端，同步测量电压和相位差；将信号源ac的输入端子的两头分别连接电阻和线圈未连接的部分，信号源输出不同频率信号；将采集卡采集到的电阻r和线圈的电压信号送到便于数据处理的计算机，结合上述公式便可估计线圈的电感和电流。电阻两端和线圈两端电压如图3所示，可以看出电压超前电流(电阻r两端电压除以阻值)54度，既线圈呈现感性元件，但由于分布电容存在，电压超前电流小于90度。将图3所示的测量结果带入上述方程组，用matlab数值便可求解得到表1所示的电感和分布电容：表1线圈参数估计值参数电感l分布电容c估计值814uh17uf从表1可以看出，分布电容参数为17uf，若用电桥测量电感量为1.2mh，电容为25uf，存在较大差异。以并联谐振为例，在内阻较小的情况下，需要额外并联电容61.4uf。将61.4uf电容并联在线圈两端，重新测量，得到图4所示结果。可以看出，电阻电压和线圈电压相位差为0，既电流和电压相位差为零，电路谐振。通过上述实验结果进一步证明本实用新型方案中通过模型电路便可准确估计出线圈在不同频率的电感和分布电容，为实现远距离磁感应通信奠定技术基础。本文中术语“和/或”表示可以存在三种关系。例如，a和/或b可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。上文中参照优选的实施例详细描述了本发明的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。当前第1页1 2 3
技术特征：1.一种用于密绕线圈分布参数反演的模型电路，其特征在于，包含：串联在待测量信号源电路中用于测量线圈电流的串联电阻，及与串联电阻串联用于模拟线圈天线的电路模型；所述电路模型由电感、直流电阻和分布电容构成，其中，电感和直流电阻串联后与分布电容并联。
2.根据权利要求1所述的用于密绕线圈分布参数反演的模型电路，其特征在于，待测量信号源输出不同频率信号。
3.一种测量装置，用于密绕线圈分布参数估计，其特征在于，包含多通道数据采集卡，及权利要求1或2所述的用于密绕线圈分布参数反演的模型电路，其中，与串联电阻串联用于模拟线圈天线的电路模型替换为待测线圈；所述多通道数据采集卡用于采集串联电阻阻值及待测线圈两端电压和相位差。
技术总结本实用新型涉及线圈参数测量技术领域，特别涉及一种用于密绕线圈分布参数反演的模型电路及测量装置，包含：串联在待测量信号源电路中用于测量线圈电流的串联电阻，及与串联电阻串联用于模拟线圈天线的电路模型；所述电路模型由电感、直流电阻和分布电容构成，其中，电感和直流电阻串联后与分布电容并联。本实用新型结构简单，设计新颖、科学合理，解决密绕线圈在低频段、磁芯磁导率未知电感量难以直接测量和估计、分布电容大且随频率变化难以测量和估计等的问题，便于准确估计出线圈在不同频率的电感和分布电容，成本低、参数估计精度高，为实现远距离磁感应通信奠定技术基础。
技术研发人员：吴志东;唐涛;杨宾;李建兵;王鼎;王成;赵排航
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学
技术研发日：2020.04.14
技术公布日：2021.03.12
