一種磁耦合電感線圈間耦合係數檢測電路及方法與流程
2023-05-30 12:28:01 1
本發明屬於電感線圈間耦合係數檢測技術領域，涉及一種磁耦合電感線圈間耦合係數檢測電路及方法。
背景技術：
現有磁耦合電感線圈間的耦合係數檢測，通常採用數值表達式表示，得到耦合係數的數值解，先利用畢奧-薩伐爾定律導出互感係數積分公式，再進行數值計算，然後通過對極端情況的分析和對非極端情況進行猜想，採用冪級數、指數、對數或其組合進行試探，再用數值計算驗證，最終嘗試性地推導出兩線圈在任意距離下(除兩電感線圈幾乎重合外)互感和耦合係數的近似解析表達式。此種計算方法太過繁瑣，採用不同的數學方法得到的表達式也不相同，且在複雜的實際情況下，由於需要考慮的電感線圈實際物理尺寸、形狀、體積等參數，會引入較大的誤差。基於此，當實際情況下需要檢測電感線圈間的耦合係數時，如何利用現有的常規設備、儀器，滿足檢測電感線圈間耦合係數需求，提供一種耦合電感線圈間耦合係數高效的檢測電路及方法成為本發明的研究重點。
技術實現要素：
本發明的目的在於針對現有磁耦合電感線圈間耦合係數檢測方法複雜、計算表達式不唯一、誤差較大的缺陷，提供一種磁耦合電感線圈間耦合係數檢測電路及方法；本發明採用的技術方案為：
一種磁耦合電感線圈間耦合係數檢測電路，包括直流電壓電源、逆變器、初級串聯電容c1、初級可變微調電阻rc1、初級電感線圈l1、次級電感線圈l2、次級串聯電容c2、次級可變微調電阻rc2及檢測電阻rl；其特徵在於，所述直流電壓電源連接所述逆變器兩個輸入端，所述初級可變微調電阻rc1、初級串聯電容c1與初級電感線圈l1依次連接後連接所述逆變器兩個輸出端，構成初級諧振迴路；所述次級電感線圈l2、次級串聯電容c2、次級可變微調電阻rc2及檢測電阻rl依次連接構成次級諧振迴路。
進一步的，上述檢測電路中，所述初級電感線圈l1的等效串聯電阻與初級可變微調電阻rc1的電阻值之和等於所述次級電感線圈l2的等效串聯電阻與次級可變微調電阻rc2的電阻值之和。
上述檢測電路中，所述初級諧振迴路與次級諧振迴路的諧振頻率相同。
上述磁耦合電感線圈間耦合係數檢測電路的檢測方法，包括一下步驟：
步驟1、啟動直流電壓電源及逆變器，記錄初級電感線圈與次級電感線圈之間的間距d；
步驟2、測量檢測電阻兩端電壓值，並根據下式計算電感線圈間耦合係數：
其中，r0為初級、次級二端等效串聯電阻阻值：r0＝r1+rc1＝r2+rc2，r1、r2分別為初級、次級電感線圈的等效串聯電阻阻值，rc1、rc2分別為初級、次級可變微調電阻阻值；rl為檢測電阻阻值；ul為檢測電阻兩端電壓值；us為逆變器輸出電壓值；l1、l2分別為初級、次級電感線圈的自感值；f0為逆變器輸出諧振頻率；
步驟3、調節初級電感線圈與次級電感線圈之間的間距為d′，記錄檢測電阻兩端電壓值ul′，根據如下規則判定k的唯一解：
若k是二重根，則k為唯一解；否則，
當則判定初級電感線圈與次級電感線圈之間的間距d時，耦合係數k的唯一解為兩值中的較大值；
當則判定初級電感線圈與次級電感線圈之間的間距d時，耦合係數k的唯一解為兩值中的較小值。
本發明的有益效果在於：
本發明提供一種磁耦合電感線圈間耦合係數的檢測電路及方法，其檢測電路簡單、便於構建，電路中的參數均能夠通過常用設備數字電橋、交流電壓表、直流電壓源進行快速檢測確定；同時，本發明通過該檢測電路的磁耦合原理以及諧振原理，根據基爾霍夫定律推導出耦合電感線圈間耦合係數的解析表達式，相對於通過畢奧-薩伐爾定律導出的互感係數積分公式進行數值計算更精確、高效、更符合實際情況，也沒有特定的限制條件；將檢測值直接帶入解析表達式即計算得到磁耦合電感線圈間耦合係數，檢測過程高效便捷。綜上，本發明具有簡潔、經濟、科學、實用、可操作性強、成本低等優點。
附圖說明
圖1是本發明磁耦合電感線圈間耦合係數檢測電路原理圖。
圖2是本發明實施例中磁耦合電感線圈間耦合係數檢測電路接線圖。
圖3是本發明實施例匯總電壓比μ與η的參考關係曲線。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
本實施例磁耦合電感線圈間耦合係數檢測電路，其原理如圖1所示，其電路連接圖如圖2所示；包括直流電壓電源、逆變器、初級串聯電容c1、初級可變微調電阻rc1、初級電感線圈l1、次級電感線圈l2、次級串聯電容c2、次級可變微調電阻rc2及檢測電阻rl；其特徵在於，所述直流電壓電源連接所述逆變器兩個輸入端p0、p1，所述初級可變微調電阻rc1、初級串聯電容c1與初級電感線圈l1依次連接後連接所述逆變器兩個輸出端，構成初級諧振迴路；所述次級電感線圈l2、次級串聯電容c2、次級可變微調電阻rc2及檢測電阻rl依次連接構成次級諧振迴路。使用交流電壓表，將交流電壓表的一個探頭連接到所述檢測電路交流電壓表檢測端子a，交流電壓表的另一個探頭連接到所述檢測電路交流電壓表檢測另一端子c。
上述檢測電路對應的磁耦合電感線圈間耦合係數計算公式推導如下：
根據檢測電路中電感線圈和其串聯電容間諧振原理，可知其諧振頻率如下：
其中，初級諧振迴路與次級諧振迴路的諧振頻率計算方法相同，且要求諧振頻率相同；
在逆變器輸出諧振頻率f0和幅值為us的電壓驅動下根據電路的基爾霍夫定律、磁耦合原理推導出關於兩電感線圈間耦合係數的二元一次方程：
μη2-rη+μ(r+1)＝0
其中，μ＝ul/us、r＝rl/r0、
解上述方程，得到實數解：
其中，r0為初級、次級二端等效串聯電阻阻值：r0＝r1+rc1＝r2+rc2，r1、r2分別為初級、次級電感線圈的等效串聯電阻阻值，rc1、rc2分別為初級、次級可變微調電阻阻值；rl為檢測電阻阻值；ul為檢測電阻兩端電壓值；us為逆變器輸出電壓值；l1、l2分別為初級、次級電感線圈的自感值；f0為逆變器輸出諧振頻率。
本實施例中，磁耦合電感線圈間耦合係數測量過程如下：
第一步：根據實際需要選用兩電感線圈，根據諧振頻率估算與其串聯的兩電容的電容值，並選用串聯電容；
第二步：選取兩個電感線圈l1和l2、串聯電容c1和c2、檢測電阻rl、可變微調電阻rc1和rc2(檢測電阻rl的電阻值rl必須遠大於初次級二埠等效串聯電阻r0的電阻值r0)；
第三步：使用數字電橋檢測並檢驗電感線圈l1的電感值l1與其等效串聯電阻r1的值r1，電感線圈l2的電感值l2和其等效串聯電阻r2的值r2，檢測電阻rl的電阻值rl，串聯電容c1和c2的電容值c1和c2；
第四步：調節可變電阻rc1和rc2的值rc1和rc2，使得初次級二埠等效串聯電阻相同並且定義相同阻值的初次級二埠等效串聯為r0，其值為r0，那麼r1+rc1＝r2+rc2＝r0；
第五步：使用諧振頻率計算公式計算出諧振頻率，將初次級電感線圈的電感值和初次級串聯電容的電容值代入計算公式得到初次級諧振頻率，初次級諧振頻率保證相同，如果初次級電感線圈l1和l2的電感值不同，需要選擇合適的串聯電容c1和c2或者增加可變電容器的方式以保證計算出的初次級諧振頻率相同；
第六步：按照接線圖2構建檢測電路；直流電壓源的正輸出端接到檢測電路的端子p0，直流電壓源的負輸出端接到檢測電路的端子p1，使用交流電壓表的一個探頭接到檢測電路的端子a，交流電壓表的另一個探頭端接到檢測電路的端子c；
第七步：啟動逆變器，讀取逆變器輸出電壓幅值us，觀察交流電壓表，驗證諧振頻率和電壓是否正常工作，如果不能滿足設計要求，那麼檢查檢測電路連接或者設置是否正確並改正；
第八步：在驗證檢測電路無誤後，再次啟動逆變器並讀取逆變器輸出電壓幅值us，然後讓兩電感線圈間的距離d開始逐漸遞增達到同電感線圈直徑相同值處，例如可讓d以步長為1cm從0cm逐漸增加到20cm(其中包括所要求檢測距離)，並同時觀察交流電壓表，記錄下檢測電阻rl兩端電壓ul隨兩電感線圈間距離d的變化得到電壓值；
第九步：將上述所測得的參數r0、rl、ul、us、l1、l2、f0帶入兩電感線圈間耦合係數的計算公式得到所需的耦合係數k，其中代入的數據是所要求距離d時，所得到的相應數據；
第十步：通過利用實際得到的不同距離d值和其對應的檢測電阻兩端電壓ul判斷k的唯一取值，在檢測過程中兩電感線圈間的距離d是逐漸增加，兩電感線圈間的耦合係數k是隨d呈減小；檢測電阻兩端電壓ul隨k的減小呈先增大而後減小的特性；根據該特性，針對特定距離d值，耦合係數k的唯一解採用如下規則確定：
若k是二重根，則k為唯一解；否則，當測量得電壓ul變化趨勢與d值變化趨勢相同時，取兩值中的較大值為唯一解，當測量得電壓ul變化趨勢與d值變化趨勢相反時，取兩值中的較小值為唯一解；即，隨d的增大，ul的值有增大的趨勢，那麼k的取值是取計算出的兩值中的較大值；隨d的增大，ul的值有減小的趨勢，那麼k的取值是取計算出的兩值中的較小值；電壓比μ(ul)與η(k)的參考關係如圖3，電壓比μ和ul情況情況保持一致，η與k變化情況保持一致。
誤差分析，第一、檢測開始前應該矯正數字電橋和交流電壓變且要求高精度，串聯的電容需採用高精度電容；第二、確定兩電感線圈之間的距離；第三、針對所得到的耦合係數k，在保證電感兩線圈間距離確定的前提下，可多次檢測取平均值。
本實施例中：取l1＝124μh，l2＝124μh，rl＝10ω，r0＝1ω，f0＝148khz，d＝4cm，us＝30.55v，測得ul＝12.0v，根據耦合係數的計算公式和參考圖3的變化情況，得到耦合係數k＝0.2169；
取l1＝124μh，l2＝124μh，rl＝10ω，r0＝1ω，f0＝148khz，d＝6cm，us＝30.55v，測得ul＝16.0v，根據耦合係數的計算公式和參考圖3的變化情況，得到耦合係數k＝0.1606；
取l1＝124μh，l2＝124μh，rl＝10ω，r0＝1ω，f0＝148khz，d＝8cm，us＝30.55v，測得ul＝20.8v，根據耦合係數的計算公式和參考圖3的變化情況，得到耦合係數k＝0.1206；
取l1＝124μh，l2＝124μh，rl＝10ω，r0＝1ω，f0＝148khz，d＝10cm，us＝30.55v，測得ul＝25.2v，根據耦合係數的計算公式和參考圖3的變化情況，得到耦合係數k＝0.0972。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，本說明書中所公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換；所公開的所有特徵、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以任何方式組合。