一种圆柱形螺线管磁场发生装置设计

鲍日洋，雷 同，柳玉静，安兴晨，贾梦岩

（东北林业大学 机电工程学院，哈尔滨 150000）

引言

随着科学技术的不断进步，应用于电磁领域的装置越来越多，其对人类所造成的影响也越来越显著。众多科研人员的研究结果显示，这些电磁装置放射出的电磁波会对生物体产生一定的影响。因此，为了研究生物电磁效应，开发一套产生电磁场的装置显得尤为重要。

目前，生物电磁效应在许多领域都有应用，其在农学、医学和生物领域的应用最为广泛。例如：应用于脉冲磁场杀菌时，它具有不需加热、时间短的优良性能，在冷杀菌处理中有着很广泛的应用[1]；在生物育种上，利用交变磁场作用于农产品的种子、幼苗等，可以使这些作物发生意想不到的生长效果。同时，磁场作为一种良好的激励源，可以应用于许多材料的无损检测中。本设计通过研究磁场发生装置，探究影响磁场大小、方向等特征值的因素，希望为生物电磁效应领域的研究提供帮助[2]。

1 圆柱形螺线管磁感应强度表达式推导

设所设计圆柱形螺线管的半径为ɑ、整体的长度为2b，通过螺线管的电流为I，单位长度的线圈匝数为n。在柱坐标系下，任取螺线管上的一点Q(ɑ,ϕ′,z′)，则此点的面电流密度为

点Q与空间任意一点P的矢径为

在P点的磁感应强度可根据毕奥—萨伐尔定律推导出

利用上式可以得到柱坐标系下空间中任意一点P的磁感应强度的径向分量、轴向分量和切向分量。

由于积分的对称性，磁感应强度的切向分量

第三类完全椭圆积分。

根据方程（4）～（6），以螺线管的几何中心为原点，利用Matlab 软件对磁感应强度进行仿真，得到图1。

图1 中(a)和(b)从上到下三条曲线依次对应ρ=0，ρ= 0.5ɑ，ρ= 1.1ɑ时磁场的分布情况。纵坐标为Bz/Bz0，Bz0=μ0nI表示无限长直螺线管轴线上的磁感应强度大小。横坐标为z/ɑ，表示距离原点所在高度与螺线管半径的比值。由图1(a)可以看出，磁感应强度的大小随着z的增大而减小，其在原点（即螺线管的几何中心）处有最大值，由(a)、(b)两幅图对比可知，当b/ɑ增大时，中间磁场的均匀部分随之增大，即螺线管越细、越长，磁场在其中心处分布越均匀[6]。

2 系统设计

本系统是一套应用于生物电磁效应领域的磁场发生装置。该装置由单片机、直流电源、LM358、圆柱形螺线管、磁感应强度测量装置构成。利用单片机产生3.1 V～3.3 V 的电压，经LM358 电路对波形进行放大，驱动螺线管产生随时间变化的磁场，最后用高斯计测量磁场大小。通过修改单片机代码里的参数可以调整产生波形的频率、波形的类别（三角波、正弦波、方波），通过调节LM358电路运放的倍数可以调整产生正弦波电压的幅值，从而在线圈周围产生多变的磁场。

2.1 单片机程序设计

从技术角度考虑，同时为了降低成本，本系统采用的信号发生器不同于以往，利用单片机产生各种波形，经过功率放大电路驱动螺线管产生多样的磁场。通过修改单片机程序里的参数，可以控制单片机产生三角波、正弦波及方波，也可以改变产生波形的频率，图2是示波器测得的正弦波波形。

图2 单片机产生波形图

2.2 功率放大模块

单片机引脚可提供的电压范围为3.1 V～3.3 V，经过功率放大电路放大。放大电路以LM358 芯片为核心，设计电路的增益可达到100倍，板载10 K可调电阻，可以调节放大倍数。板载电源指示灯用于指示芯片的工作状态，芯片的主要引脚已经引出，可以直接输入输出信号，工作电压在5 V～12 V之间，由直流电源提供。图3是功率放大电路图。

图3 LM358功率放大电路

2.3 圆柱形螺线管设计

圆柱形螺线管以内孔为铜管做横向骨架，两边采用环氧板做固定，随后在铜管上来回缠绕三层漆包线。通过理论计算与仿真，拟定螺线管长度为500 mm，内径为170 mm，外径为200 mm，磁场均匀区大约为100 mm。螺线管的设计图形如图4所示。

图4 螺线管正视图和侧视图

3 结束语

电磁波在人们的日常生活中无处不在，它同时也存在于自然界中。随着现代科技的不断发展，电磁波将广泛应用于生活的方方面面。本文所设计的螺线管是产生磁场的常见装置[5]，同时也是产生脉冲磁场的主要装置[4]。与稳态磁场相比，脉冲磁场的峰值更大，能够满足更多科研环境的需求，广泛应用于材料、生物组织的无损检测，以及脉冲磁场杀菌等领域[3]。希望本设计能为生物电磁效应的进一步研究提供一定的参考价值，从而促进相关技术在生物电磁技术的运用。