本發(fā)明屬于電感線圈間耦合系數(shù)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種磁耦合電感線圈間耦合系數(shù)檢測(cè)電路及方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有磁耦合電感線圈間的耦合系數(shù)檢測(cè)，通常采用數(shù)值表達(dá)式表示，得到耦合系數(shù)的數(shù)值解，先利用畢奧-薩伐爾定律導(dǎo)出互感系數(shù)積分公式，再進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，然后通過(guò)對(duì)極端情況的分析和對(duì)非極端情況進(jìn)行猜想，采用冪級(jí)數(shù)、指數(shù)、對(duì)數(shù)或其組合進(jìn)行試探，再用數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證，最終嘗試性地推導(dǎo)出兩線圈在任意距離下(除兩電感線圈幾乎重合外)互感和耦合系數(shù)的近似解析表達(dá)式。此種計(jì)算方法太過(guò)繁瑣，采用不同的數(shù)學(xué)方法得到的表達(dá)式也不相同，且在復(fù)雜的實(shí)際情況下，由于需要考慮的電感線圈實(shí)際物理尺寸、形狀、體積等參數(shù)，會(huì)引入較大的誤差?；诖?，當(dāng)實(shí)際情況下需要檢測(cè)電感線圈間的耦合系數(shù)時(shí)，如何利用現(xiàn)有的常規(guī)設(shè)備、儀器，滿足檢測(cè)電感線圈間耦合系數(shù)需求，提供一種耦合電感線圈間耦合系數(shù)高效的檢測(cè)電路及方法成為本發(fā)明的研究重點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有磁耦合電感線圈間耦合系數(shù)檢測(cè)方法復(fù)雜、計(jì)算表達(dá)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系數(shù)檢測(cè)電路及方法；本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種磁耦合電感線圈間耦合系數(shù)檢測(cè)電路，包括直流電壓電源、逆變器、初級(jí)串聯(lián)電容c1、初級(jí)可變微調(diào)電阻rc1、初級(jí)電感線圈l1、次級(jí)電感線圈l2、次級(jí)串聯(lián)電容c2、次級(jí)可變微調(diào)電阻rc2及檢測(cè)電阻rl；其特征在于，所述直流電壓電源連接所述逆變器兩個(gè)輸入端，所述初級(jí)可變微調(diào)電阻rc1、初級(jí)串聯(lián)電容c1與初級(jí)電感線圈l1依次連接后連接所述逆變器兩個(gè)輸出端，構(gòu)成初級(jí)諧振回路；所述次級(jí)電感線圈l2、次級(jí)串聯(lián)電容c2、次級(jí)可變微調(diào)電阻rc2及檢測(cè)電阻rl依次連接構(gòu)成次級(jí)諧振回路。

進(jìn)一步的，上述檢測(cè)電路中，所述初級(jí)電感線圈l1的等效串聯(lián)電阻與初級(jí)可變微調(diào)電阻rc1的電阻值之和等于所述次級(jí)電感線圈l2的等效串聯(lián)電阻與次級(jí)可變微調(diào)電阻rc2的電阻值之和。

上述檢測(cè)電路中，所述初級(jí)諧振回路與次級(jí)諧振回路的諧振頻率相同。

上述磁耦合電感線圈間耦合系數(shù)檢測(cè)電路的檢測(cè)方法，包括一下步驟：

步驟1、啟動(dòng)直流電壓電源及逆變器，記錄初級(jí)電感線圈與次級(jí)電感線圈之間的間距d；

步驟2、測(cè)量檢測(cè)電阻兩端電壓值，并根據(jù)下式計(jì)算電感線圈間耦合系數(shù)：

其中，r0為初級(jí)、次級(jí)二端等效串聯(lián)電阻阻值：r0＝r1+rc1＝r2+rc2，r1、r2分別為初級(jí)、次級(jí)電感線圈的等效串聯(lián)電阻阻值，rc1、rc2分別為初級(jí)、次級(jí)可變微調(diào)電阻阻值；rl為檢測(cè)電阻阻值；ul為檢測(cè)電阻兩端電壓值；us為逆變器輸出電壓值；l1、l2分別為初級(jí)、次級(jí)電感線圈的自感值；f0為逆變器輸出諧振頻率；

步驟3、調(diào)節(jié)初級(jí)電感線圈與次級(jí)電感線圈之間的間距為d′，記錄檢測(cè)電阻兩端電壓值ul′，根據(jù)如下規(guī)則判定k的唯一解：

若k是二重根，則k為唯一解；否則，

當(dāng)則判定初級(jí)電感線圈與次級(jí)電感線圈之間的間距d時(shí)，耦合系數(shù)k的唯一解為兩值中的較大值；

當(dāng)則判定初級(jí)電感線圈與次級(jí)電感線圈之間的間距d時(shí)，耦合系數(shù)k的唯一解為兩值中的較小值。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明提供一種磁耦合電感線圈間耦合系數(shù)的檢測(cè)電路及方法，其檢測(cè)電路簡(jiǎn)單、便于構(gòu)建，電路中的參數(shù)均能夠通過(guò)常用設(shè)備數(shù)字電橋、交流電壓表、直流電壓源進(jìn)行快速檢測(cè)確定；同時(shí)，本發(fā)明通過(guò)該檢測(cè)電路的磁耦合原理以及諧振原理，根據(jù)基爾霍夫定律推導(dǎo)出耦合電感線圈間耦合系數(shù)的解析表達(dá)式，相對(duì)于通過(guò)畢奧-薩伐爾定律導(dǎo)出的互感系數(shù)積分公式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算更精確、高效、更符合實(shí)際情況，也沒(méi)有特定的限制條件；將檢測(cè)值直接帶入解析表達(dá)式即計(jì)算得到磁耦合電感線圈間耦合系數(shù)，檢測(cè)過(guò)程高效便捷。綜上，本發(fā)明具有簡(jiǎn)潔、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、實(shí)用、可操作性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明磁耦合電感線圈間耦合系數(shù)檢測(cè)電路原理圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中磁耦合電感線圈間耦合系數(shù)檢測(cè)電路接線圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例匯總電壓比μ與η的參考關(guān)系曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本實(shí)施例磁耦合電感線圈間耦合系數(shù)檢測(cè)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(jí)串聯(lián)電容c1、初級(jí)可變微調(diào)電阻rc1、初級(jí)電感線圈l1、次級(jí)電感線圈l2、次級(jí)串聯(lián)電容c2、次級(jí)可變微調(diào)電阻rc2及檢測(cè)電阻rl；其特征在于，所述直流電壓電源連接所述逆變器兩個(gè)輸入端p0、p1，所述初級(jí)可變微調(diào)電阻rc1、初級(jí)串聯(lián)電容c1與初級(jí)電感線圈l1依次連接后連接所述逆變器兩個(gè)輸出端，構(gòu)成初級(jí)諧振回路；所述次級(jí)電感線圈l2、次級(jí)串聯(lián)電容c2、次級(jí)可變微調(diào)電阻rc2及檢測(cè)電阻rl依次連接構(gòu)成次級(jí)諧振回路。使用交流電壓表，將交流電壓表的一個(gè)探頭連接到所述檢測(cè)電路交流電壓表檢測(cè)端子a，交流電壓表的另一個(gè)探頭連接到所述檢測(cè)電路交流電壓表檢測(cè)另一端子c。

上述檢測(cè)電路對(duì)應(yīng)的磁耦合電感線圈間耦合系數(shù)計(jì)算公式推導(dǎo)如下：

根據(jù)檢測(cè)電路中電感線圈和其串聯(lián)電容間諧振原理，可知其諧振頻率如下：

其中，初級(jí)諧振回路與次級(jí)諧振回路的諧振頻率計(jì)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(qū)動(dòng)下根據(jù)電路的基爾霍夫定律、磁耦合原理推導(dǎo)出關(guān)于兩電感線圈間耦合系數(shù)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(shí)數(shù)解：

其中，r0為初級(jí)、次級(jí)二端等效串聯(lián)電阻阻值：r0＝r1+rc1＝r2+rc2，r1、r2分別為初級(jí)、次級(jí)電感線圈的等效串聯(lián)電阻阻值，rc1、rc2分別為初級(jí)、次級(jí)可變微調(diào)電阻阻值；rl為檢測(cè)電阻阻值；ul為檢測(cè)電阻兩端電壓值；us為逆變器輸出電壓值；l1、l2分別為初級(jí)、次級(jí)電感線圈的自感值；f0為逆變器輸出諧振頻率。

本實(shí)施例中，磁耦合電感線圈間耦合系數(shù)測(cè)量過(guò)程如下：

第一步：根據(jù)實(shí)際需要選用兩電感線圈，根據(jù)諧振頻率估算與其串聯(lián)的兩電容的電容值，并選用串聯(lián)電容；

第二步：選取兩個(gè)電感線圈l1和l2、串聯(lián)電容c1和c2、檢測(cè)電阻rl、可變微調(diào)電阻rc1和rc2(檢測(cè)電阻rl的電阻值rl必須遠(yuǎn)大于初次級(jí)二端口等效串聯(lián)電阻r0的電阻值r0)；

第三步：使用數(shù)字電橋檢測(cè)并檢驗(yàn)電感線圈l1的電感值l1與其等效串聯(lián)電阻r1的值r1，電感線圈l2的電感值l2和其等效串聯(lián)電阻r2的值r2，檢測(cè)電阻rl的電阻值rl，串聯(lián)電容c1和c2的電容值c1和c2；

第四步：調(diào)節(jié)可變電阻rc1和rc2的值rc1和rc2，使得初次級(jí)二端口等效串聯(lián)電阻相同并且定義相同阻值的初次級(jí)二端口等效串聯(lián)為r0，其值為r0，那么r1+rc1＝r2+rc2＝r0；

第五步：使用諧振頻率計(jì)算公式計(jì)算出諧振頻率，將初次級(jí)電感線圈的電感值和初次級(jí)串聯(lián)電容的電容值代入計(jì)算公式得到初次級(jí)諧振頻率，初次級(jí)諧振頻率保證相同，如果初次級(jí)電感線圈l1和l2的電感值不同，需要選擇合適的串聯(lián)電容c1和c2或者增加可變電容器的方式以保證計(jì)算出的初次級(jí)諧振頻率相同；

第六步：按照接線圖2構(gòu)建檢測(cè)電路；直流電壓源的正輸出端接到檢測(cè)電路的端子p0，直流電壓源的負(fù)輸出端接到檢測(cè)電路的端子p1，使用交流電壓表的一個(gè)探頭接到檢測(cè)電路的端子a，交流電壓表的另一個(gè)探頭端接到檢測(cè)電路的端子c；

第七步：?jiǎn)?dòng)逆變器，讀取逆變器輸出電壓幅值us，觀察交流電壓表，驗(yàn)證諧振頻率和電壓是否正常工作，如果不能滿足設(shè)計(jì)要求，那么檢查檢測(cè)電路連接或者設(shè)置是否正確并改正；

第八步：在驗(yàn)證檢測(cè)電路無(wú)誤后，再次啟動(dòng)逆變器并讀取逆變器輸出電壓幅值us，然后讓兩電感線圈間的距離d開(kāi)始逐漸遞增達(dá)到同電感線圈直徑相同值處，例如可讓d以步長(zhǎng)為1cm從0cm逐漸增加到20cm(其中包括所要求檢測(cè)距離)，并同時(shí)觀察交流電壓表，記錄下檢測(cè)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(cè)得的參數(shù)r0、rl、ul、us、l1、l2、f0帶入兩電感線圈間耦合系數(shù)的計(jì)算公式得到所需的耦合系數(shù)k，其中代入的數(shù)據(jù)是所要求距離d時(shí)，所得到的相應(yīng)數(shù)據(jù)；

第十步：通過(guò)利用實(shí)際得到的不同距離d值和其對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電阻兩端電壓ul判斷k的唯一取值，在檢測(cè)過(guò)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系數(shù)k是隨d呈減小；檢測(cè)電阻兩端電壓ul隨k的減小呈先增大而后減小的特性；根據(jù)該特性，針對(duì)特定距離d值，耦合系數(shù)k的唯一解采用如下規(guī)則確定：

若k是二重根，則k為唯一解；否則，當(dāng)測(cè)量得電壓ul變化趨勢(shì)與d值變化趨勢(shì)相同時(shí)，取兩值中的較大值為唯一解，當(dāng)測(cè)量得電壓ul變化趨勢(shì)與d值變化趨勢(shì)相反時(shí)，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(shì)，那么k的取值是取計(jì)算出的兩值中的較大值；隨d的增大，ul的值有減小的趨勢(shì)，那么k的取值是取計(jì)算出的兩值中的較小值；電壓比μ(ul)與η(k)的參考關(guān)系如圖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(cè)開(kāi)始前應(yīng)該矯正數(shù)字電橋和交流電壓變且要求高精度，串聯(lián)的電容需采用高精度電容；第二、確定兩電感線圈之間的距離；第三、針對(duì)所得到的耦合系數(shù)k，在保證電感兩線圈間距離確定的前提下，可多次檢測(cè)取平均值。

本實(shí)施例中：取l1＝124μh，l2＝124μh，rl＝10ω，r0＝1ω，f0＝148khz，d＝4cm，us＝30.55v，測(cè)得ul＝12.0v，根據(jù)耦合系數(shù)的計(jì)算公式和參考圖3的變化情況，得到耦合系數(shù)k＝0.2169；

取l1＝124μh，l2＝124μh，rl＝10ω，r0＝1ω，f0＝148khz，d＝6cm，us＝30.55v，測(cè)得ul＝16.0v，根據(jù)耦合系數(shù)的計(jì)算公式和參考圖3的變化情況，得到耦合系數(shù)k＝0.1606；

取l1＝124μh，l2＝124μh，rl＝10ω，r0＝1ω，f0＝148khz，d＝8cm，us＝30.55v，測(cè)得ul＝20.8v，根據(jù)耦合系數(shù)的計(jì)算公式和參考圖3的變化情況，得到耦合系數(shù)k＝0.1206；

取l1＝124μh，l2＝124μh，rl＝10ω，r0＝1ω，f0＝148khz，d＝10cm，us＝30.55v，測(cè)得ul＝25.2v，根據(jù)耦合系數(shù)的計(jì)算公式和參考圖3的變化情況，得到耦合系數(shù)k＝0.0972。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，本說(shuō)明書(shū)中所公開(kāi)的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換；所公開(kāi)的所有特征、或所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。