磁共振成像(MRI)的發(fā)展提升了診斷能力,接著,增加了細(xì)胞水平治療身體疾病數(shù),zui明顯的可能就是癌癥。作為種診斷方法,MRI繼續(xù)發(fā)展,但是段時(shí)間以來,這種發(fā)展已與基礎(chǔ)的發(fā)展同步,尤其是圖像采集。
雖然MRI掃描自20世紀(jì)70年代初以來不斷進(jìn)步,但其應(yīng)用卻始于40年代中期。在這個(gè)時(shí)間前后,有兩個(gè)立的研究小組,它們分別屬于哈佛大學(xué)和斯坦福大學(xué),他們都發(fā)現(xiàn)了后來*的核磁共振現(xiàn)象。不久以后,畢業(yè)于英國(guó)牛津大學(xué)的Bernard Rollin博士,組裝了很可能是zui早的NMR光譜儀實(shí)例。到50年代初該發(fā)現(xiàn)得到進(jìn)步發(fā)展,出現(xiàn)了分辨率的NMR光譜儀,這時(shí)在化學(xué)和生化領(lǐng)域,它被認(rèn)為是種潛在有用的工具。通過努力提成像分辨率終于打開了它在診斷領(lǐng)域的應(yīng)用大門,MRI掃描開始平行于NMR自發(fā)展。
它已經(jīng)脫離了個(gè)足以躺下名患者的平臺(tái)的傳統(tǒng)形象,而在不知不覺中演變成個(gè)大的、圓形的機(jī)器,就像個(gè)巨大的感應(yīng)器,這時(shí)看不出MRI掃描是如何開展的。
NMR/MRI 光譜儀的個(gè)關(guān)鍵原理是軟組織內(nèi)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)。這種運(yùn)動(dòng)是細(xì)胞在移位后的重排。而移位是由細(xì)胞接觸強(qiáng)磁場(chǎng)所致。細(xì)胞自身的重排速度取決于其結(jié)構(gòu)和狀態(tài),而出它們產(chǎn)生的微弱的磁場(chǎng)所采用的分辨率決定了機(jī)器的總體分辨率。
磁場(chǎng)產(chǎn)生的細(xì)胞激發(fā)水平是決定MRI掃描儀功效的關(guān)鍵要素,所以磁場(chǎng)與所產(chǎn)生的細(xì)胞重排樣關(guān)鍵。現(xiàn)在有許多公司研制MRI掃描儀,其中很多都是*的企業(yè),不過有趣的是,它們主要依賴其他公司的團(tuán)隊(duì)開發(fā)和提供這些儀器上的配套傳感器解決方案。
LEM就是其中的家,它是的電量參數(shù)測(cè)量解決方案提供商。由于MRI掃描儀的應(yīng)用,越來越迫切地需要提它們的分辨率。這只能通過精細(xì)的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn),而這反過來又在大程度上取決于測(cè)量和用來產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流的能力。
段時(shí)間以來,這個(gè)領(lǐng)域采用的基于霍爾效應(yīng)電流傳感器,但是現(xiàn)在這項(xiàng)在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)存在明顯不足,尤其是方面。LEM受該領(lǐng)域家客戶所托研發(fā)所需的種電流傳感器,為其改善現(xiàn)有能,提供。LEM花了近7個(gè)月時(shí)間改良現(xiàn)有使其這家客戶要求,zui終研發(fā)成功的這款電流傳感器是當(dāng)前市面上能zui的。
LEM研發(fā)的解決方案是種雙軸磁通門閉環(huán)傳感器,即的HPCT,將其工作原理與應(yīng)用普遍的霍爾效應(yīng)相比,這種可能有用。
霍爾效應(yīng)于1879年由美國(guó)物理學(xué)家Edwin Herbert Hall 發(fā)現(xiàn),那時(shí)他就讀于位于巴爾的摩的John Hopkins 大學(xué)。霍爾效應(yīng)由對(duì)穿過磁通密度的運(yùn)動(dòng)電荷起作用的洛倫茲力產(chǎn)生,F(xiàn)=q.(VXB)。向磁場(chǎng)中薄的半導(dǎo)體箔片施加個(gè)電流。電流的運(yùn)動(dòng)載流子在外磁通密度B產(chǎn)生的洛倫茲力的作用下發(fā)生垂直于電流方向的偏移。這種偏移導(dǎo)致多的載流子在導(dǎo)體的端聚集,從而在導(dǎo)體兩端形成個(gè)電勢(shì)差,這就是霍爾電壓。
霍爾效應(yīng)的某些元素與溫度相關(guān),尤其是霍爾元件的霍爾系數(shù)以及失調(diào)電壓。因此,采用霍爾效應(yīng)的電流傳感器都必須提供溫度補(bǔ)償。
霍爾效應(yīng)zui簡(jiǎn)單實(shí)用的應(yīng)用是開環(huán)傳感器,它提供了體積zui小、質(zhì)量zui輕、成本zui低的電流測(cè)量解決方案,同時(shí)功耗也低。
[開環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器工作原理]
如圖1所示,這種傳感器由個(gè)用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的載流導(dǎo)體組成。磁場(chǎng)用個(gè)開有氣隙的磁芯聚磁。氣隙內(nèi)的個(gè)霍爾元件用于感應(yīng)磁通密度。采用電流和差分放大,其組件通常集成在傳感器內(nèi)。在用于產(chǎn)生磁路的材料的磁滯回線(B-H loop)的線區(qū)內(nèi),磁通密度B始終與初電流Ip成正比,霍爾電壓VH與磁通密度B成正比。 因此,霍爾元件的輸出與初電流及失調(diào)霍爾電壓Vo成正比。
[標(biāo)題:閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器工作原理]
開環(huán)傳感器可以測(cè)量直流、交流和復(fù)雜電流波形,同時(shí)還提供電流。正如上文提及的,其優(yōu)點(diǎn)是成本低、體積小、功耗低。同時(shí),它們?cè)跍y(cè)量大電流(>300A)方面尤其有優(yōu)勢(shì)。不過,開環(huán)傳感器有局限,例如磁路中的磁損耗導(dǎo)致的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)及帶寬不足、與溫度相關(guān)的增益漂移相對(duì)較大。
相比之下,閉環(huán)傳感器,也叫霍爾效應(yīng)補(bǔ)償式或“零磁通式”傳感器,它利用霍爾元件電壓在次線圈中產(chǎn)生個(gè)補(bǔ)償電流,從而使總磁通量等于零(圖2 )。換而言之,次電流Is產(chǎn)生的磁通量與初電流產(chǎn)生的磁通量相同,不過方向相反。
在零磁通條件下運(yùn)行霍爾元件消除隨溫度變化的增益漂移,此外,這種結(jié)構(gòu)還具備個(gè)好處,就是次繞組在較頻率下起電流變壓器的作用,這樣就顯著擴(kuò)大了帶寬并縮短了傳感器的響應(yīng)時(shí)間。
當(dāng)磁通量等于零時(shí),磁勢(shì)(安培匝數(shù))等于零,相應(yīng)的,次電流Is是初電流Ip 的映射。閉環(huán)傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括的和良好的線度,響應(yīng)時(shí)間,主要不足是次電源電流消耗大,因?yàn)樗仨毺峁┭a(bǔ)償電流和偏置電流。
在規(guī)格要求嚴(yán)格的特定應(yīng)用場(chǎng)合,例如非線誤差、低噪或低的與溫度相關(guān)的失調(diào)漂移等,這時(shí)霍爾效應(yīng)電流傳感器不再適用。為了這些要求,LEM研發(fā)了雙軸磁通門閉環(huán)傳感器(HPCT),它可以提供和穩(wěn)定均的直流和交流電流測(cè)量,同時(shí)消除初端注入的噪聲。
[標(biāo)題:HPCT傳感器工作原理]
圖3詳細(xì)說明了其工作原理。該傳感器包括個(gè)由三個(gè)磁芯(C1、C2和C3,)以及初繞組(Wp1)和次繞組(Ws1 - Ws4)組成的電流測(cè)量頭,如圖所示。通過將次電流Ic注入次繞組Ws2中實(shí)現(xiàn)閉環(huán)補(bǔ)償。Ws2后半段線圈與3個(gè)磁芯進(jìn)行磁耦合,并與測(cè)量電阻Rm串聯(lián),從而產(chǎn)生個(gè)輸出電壓。
對(duì)于較頻率范圍,次電流由兩個(gè)次線圈(Ws1和Ws2)之間產(chǎn)生的變壓器效應(yīng)產(chǎn)生。對(duì)于較低頻率范圍(包括直流),傳感器起閉環(huán)磁通門傳感器的作用,此時(shí)繞組Ws3和 Ws4用作磁通門感應(yīng)線圈。
由于磁通門已經(jīng)普及了段時(shí)間,所以LEM可以采用這種并加以改良。zui終研發(fā)的傳感器,溫度失調(diào)漂移低,時(shí)間穩(wěn)定。的線度、的輸出噪聲提了HPCT的和分辨率,而大測(cè)量帶寬(直流到200kHz,-3dB)了該傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。
事實(shí)上,除了用于成像系統(tǒng)的梯度放大器上電流以外,HPCT同樣適用于其他需要測(cè)量的場(chǎng)合,如電流調(diào)節(jié)電源內(nèi)的反饋測(cè)量、試驗(yàn)臺(tái)電源分析校準(zhǔn)設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)室與計(jì)量?jī)x器的電流測(cè)量。
目前,該類傳感器的工作溫度范圍相對(duì)狹窄(般為+10C 至 +50C)。不過LEM確信以后會(huì)證明,這項(xiàng)用于發(fā)展HPCT傳感器的對(duì)MRI掃描前景的意義與霍爾效應(yīng)傳感器對(duì)它的推出的意義樣重大,同時(shí)還會(huì)進(jìn)步拓展到許多至今尚未預(yù)料到的應(yīng)用領(lǐng)域。
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