鮑日洋，雷 同，柳玉靜，安興晨，賈夢(mèng)巖

（東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150000）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，應(yīng)用于電磁領(lǐng)域的裝置越來(lái)越多，其對(duì)人類所造成的影響也越來(lái)越顯著。眾多科研人員的研究結(jié)果顯示，這些電磁裝置放射出的電磁波會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生一定的影響。因此，為了研究生物電磁效應(yīng)，開(kāi)發(fā)一套產(chǎn)生電磁場(chǎng)的裝置顯得尤為重要。

目前，生物電磁效應(yīng)在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，其在農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)和生物領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛。例如：應(yīng)用于脈沖磁場(chǎng)殺菌時(shí)，它具有不需加熱、時(shí)間短的優(yōu)良性能，在冷殺菌處理中有著很廣泛的應(yīng)用[1]；在生物育種上，利用交變磁場(chǎng)作用于農(nóng)產(chǎn)品的種子、幼苗等，可以使這些作物發(fā)生意想不到的生長(zhǎng)效果。同時(shí)，磁場(chǎng)作為一種良好的激勵(lì)源，可以應(yīng)用于許多材料的無(wú)損檢測(cè)中。本設(shè)計(jì)通過(guò)研究磁場(chǎng)發(fā)生裝置，探究影響磁場(chǎng)大小、方向等特征值的因素，希望為生物電磁效應(yīng)領(lǐng)域的研究提供幫助[2]。

1 圓柱形螺線管磁感應(yīng)強(qiáng)度表達(dá)式推導(dǎo)

設(shè)所設(shè)計(jì)圓柱形螺線管的半徑為ɑ、整體的長(zhǎng)度為2b，通過(guò)螺線管的電流為I，單位長(zhǎng)度的線圈匝數(shù)為n。在柱坐標(biāo)系下，任取螺線管上的一點(diǎn)Q(ɑ,?′,z′)，則此點(diǎn)的面電流密度為

點(diǎn)Q與空間任意一點(diǎn)P的矢徑為

在P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度可根據(jù)畢奧—薩伐爾定律推導(dǎo)出

利用上式可以得到柱坐標(biāo)系下空間中任意一點(diǎn)P的磁感應(yīng)強(qiáng)度的徑向分量、軸向分量和切向分量。

由于積分的對(duì)稱性，磁感應(yīng)強(qiáng)度的切向分量

第三類完全橢圓積分。

根據(jù)方程（4）～（6），以螺線管的幾何中心為原點(diǎn)，利用Matlab 軟件對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真，得到圖1。

圖1 中(a)和(b)從上到下三條曲線依次對(duì)應(yīng)ρ=0，ρ= 0.5ɑ，ρ= 1.1ɑ時(shí)磁場(chǎng)的分布情況?？v坐標(biāo)為Bz/Bz0，Bz0=μ0nI表示無(wú)限長(zhǎng)直螺線管軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。橫坐標(biāo)為z/ɑ，表示距離原點(diǎn)所在高度與螺線管半徑的比值。由圖1(a)可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小隨著z的增大而減小，其在原點(diǎn)（即螺線管的幾何中心）處有最大值，由(a)、(b)兩幅圖對(duì)比可知，當(dāng)b/ɑ增大時(shí)，中間磁場(chǎng)的均勻部分隨之增大，即螺線管越細(xì)、越長(zhǎng)，磁場(chǎng)在其中心處分布越均勻[6]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是一套應(yīng)用于生物電磁效應(yīng)領(lǐng)域的磁場(chǎng)發(fā)生裝置。該裝置由單片機(jī)、直流電源、LM358、圓柱形螺線管、磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量裝置構(gòu)成。利用單片機(jī)產(chǎn)生3.1 V～3.3 V 的電壓，經(jīng)LM358 電路對(duì)波形進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)螺線管產(chǎn)生隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)，最后用高斯計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)大小。通過(guò)修改單片機(jī)代碼里的參數(shù)可以調(diào)整產(chǎn)生波形的頻率、波形的類別（三角波、正弦波、方波），通過(guò)調(diào)節(jié)LM358電路運(yùn)放的倍數(shù)可以調(diào)整產(chǎn)生正弦波電壓的幅值，從而在線圈周圍產(chǎn)生多變的磁場(chǎng)。

2.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

從技術(shù)角度考慮，同時(shí)為了降低成本，本系統(tǒng)采用的信號(hào)發(fā)生器不同于以往，利用單片機(jī)產(chǎn)生各種波形，經(jīng)過(guò)功率放大電路驅(qū)動(dòng)螺線管產(chǎn)生多樣的磁場(chǎng)。通過(guò)修改單片機(jī)程序里的參數(shù)，可以控制單片機(jī)產(chǎn)生三角波、正弦波及方波，也可以改變產(chǎn)生波形的頻率，圖2是示波器測(cè)得的正弦波波形。

圖2 單片機(jī)產(chǎn)生波形圖

2.2 功率放大模塊

單片機(jī)引腳可提供的電壓范圍為3.1 V～3.3 V，經(jīng)過(guò)功率放大電路放大。放大電路以LM358 芯片為核心，設(shè)計(jì)電路的增益可達(dá)到100倍，板載10 K可調(diào)電阻，可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。板載電源指示燈用于指示芯片的工作狀態(tài)，芯片的主要引腳已經(jīng)引出，可以直接輸入輸出信號(hào)，工作電壓在5 V～12 V之間，由直流電源提供。圖3是功率放大電路圖。

圖3 LM358功率放大電路

2.3 圓柱形螺線管設(shè)計(jì)

圓柱形螺線管以內(nèi)孔為銅管做橫向骨架，兩邊采用環(huán)氧板做固定，隨后在銅管上來(lái)回纏繞三層漆包線。通過(guò)理論計(jì)算與仿真，擬定螺線管長(zhǎng)度為500 mm，內(nèi)徑為170 mm，外徑為200 mm，磁場(chǎng)均勻區(qū)大約為100 mm。螺線管的設(shè)計(jì)圖形如圖4所示。

圖4 螺線管正視圖和側(cè)視圖

3 結(jié)束語(yǔ)

電磁波在人們的日常生活中無(wú)處不在，它同時(shí)也存在于自然界中。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，電磁波將廣泛應(yīng)用于生活的方方面面。本文所設(shè)計(jì)的螺線管是產(chǎn)生磁場(chǎng)的常見(jiàn)裝置[5]，同時(shí)也是產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)的主要裝置[4]。與穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)相比，脈沖磁場(chǎng)的峰值更大，能夠滿足更多科研環(huán)境的需求，廣泛應(yīng)用于材料、生物組織的無(wú)損檢測(cè)，以及脈沖磁場(chǎng)殺菌等領(lǐng)域[3]。希望本設(shè)計(jì)能為生物電磁效應(yīng)的進(jìn)一步研究提供一定的參考價(jià)值，從而促進(jìn)相關(guān)技術(shù)在生物電磁技術(shù)的運(yùn)用。