專利名稱：一種用于離體細(xì)胞的脈沖磁場裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明內(nèi)容屬于電磁應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種主要用于離體細(xì)胞磁場生物效應(yīng)研究的脈沖磁場發(fā)生裝置。
背景技術(shù)：
人類的周圍環(huán)境中存在著大量自然和人為產(chǎn)生的電磁場，有關(guān)電磁場對人類健康的影響早已成為熱點(diǎn)研究的內(nèi)容。在對生物組織的電磁場(電場和磁場)研究中，由于人體的不同組織均為非鐵磁性物質(zhì)，磁場較電場在生物組織中衰減更小，磁場對生物組織的穿透深度明顯優(yōu)于電場，故磁場對人體影響就更為顯著，對其的研究也更為重要。細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，人體的新陳代謝和在此基礎(chǔ)上所表現(xiàn)的生長、發(fā)育、繁殖、遺傳與變異以及一切生命活動都是在細(xì)胞內(nèi)或在細(xì)胞基礎(chǔ)上進(jìn)行的。以細(xì)胞為基礎(chǔ)，通過對細(xì)胞磁場生物效應(yīng)的研究，探討對生物整體的影響及其作用機(jī)制是磁場生物效應(yīng)研究很重要的一部分內(nèi)容?，F(xiàn)有技術(shù)公知的脈沖磁場發(fā)生裝置，在設(shè)計思想與采用的技術(shù)方面都還不適于對離體細(xì)胞的磁場生物效應(yīng)的研究和應(yīng)用，其存在的主要問題有裝置的電路結(jié)構(gòu)偏于復(fù)雜、成本較昂貴、操作繁瑣、磁場的空間均勻度不高、勵磁電流大、磁場的可調(diào)變化范圍小、頻率線性變化不好、磁場區(qū)域的溫度變化較大、磁感應(yīng)強(qiáng)度的檢測不夠準(zhǔn)確以及顯示值不穩(wěn)定等。鑒于現(xiàn)有脈沖磁場發(fā)生裝置存在的上述不足，研究一種新的脈沖磁場發(fā)生裝置以滿足對細(xì)胞磁場作用生物效應(yīng)的研究是非常必要的
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題加以解決，提供一種用于離體細(xì)胞的脈沖磁場裝置，該裝置的電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小，所產(chǎn)生的磁場可隨研究需要方便調(diào)整，磁場的空間均勻度高，勵磁電流小，磁場的幅值變化范圍大，頻率變化的線性度好，能通過數(shù)字顯示的形式準(zhǔn)確顯示磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的而采用的技術(shù)解決方案是這樣的所提供的離體細(xì)胞的脈沖磁場裝置由頻率控制電路、占空比控制電路、導(dǎo)通控制電路、電磁轉(zhuǎn)換裝置、控制電源、采樣電路、采樣器件、工作電源、場強(qiáng)控制電路、保持電路、選擇電路和Α/D轉(zhuǎn)換與LED顯示電路組成，頻率控制電路的輸出端依次經(jīng)占空比控制電路、導(dǎo)通控制電路、電磁轉(zhuǎn)換裝置后接至場強(qiáng)控制電路的輸入端，場強(qiáng)控制電路具有兩路輸出，其一路輸出端直接輸接至Α/D轉(zhuǎn)換與LED顯示電路，另一路輸出端依次經(jīng)采樣器件、采樣電路、保持電路和選擇電路后輸接至Α/D轉(zhuǎn)換與LED顯示電路；在以上電路結(jié)構(gòu)中，所說的電磁轉(zhuǎn)換裝置具有一個用“ 口 ”型矽鋼片堆制成的磁芯，磁芯的一邊纏繞有線圈，另一邊開有一個作為磁場作用區(qū)域的小缺口，小缺口的隙縫高度與磁芯邊框長度之比為I : 10 15，在小缺口間隙處設(shè)有間隙調(diào)整塊和輔助固定板，通過改變線圈電流的大小和磁芯間隙的距離來實(shí)現(xiàn)脈沖磁場裝置的場強(qiáng)控制。本發(fā)明技術(shù)解決方案還包括裝置中的采樣器件由功率為4 6W、阻值為I 2 Ω和精度< 1%的電阻構(gòu)成，作為檢測電流的傳感器件，采樣電路與保持電路用于周期性地對采樣器件的電壓信號采樣并保持。本發(fā)明技術(shù)解決方案還包括裝置中的頻率控制電路和占空比控制電路由CA3140運(yùn)放電路、555定時電路及其外圍電路組成，CA3140運(yùn)放電路連接成積分工作模式，555定時電路連接成單穩(wěn)態(tài)工作模式，555定時電路的3腳經(jīng)電阻反饋到CA3140運(yùn)放電路的同相輸入端。本發(fā)明所述脈沖磁場裝置的工作原理是根據(jù)纏繞線圈高導(dǎo)磁材料的間隙中磁場的大小與通過線圈的電流大小成正比的基本規(guī)律，恰當(dāng)選擇導(dǎo)磁材料的截面積，保證間隙中磁場的空間均勻度；由于細(xì)胞培養(yǎng)皿的高度為(I. 5^2. 5) X10_2m，本發(fā)明利用“口”型矽鋼片堆的空氣隙作為產(chǎn)生磁場的區(qū)域，當(dāng)空氣隙的高度和橫截面積一定，空氣隙中磁場的大小與通過線圈電流的大小成正比；又在空氣隙參數(shù)確定的情況下，調(diào)節(jié)脈沖磁場裝置內(nèi)電源的電壓和限流電阻的阻值，改變電流，實(shí)現(xiàn)對磁場大小的控制；在脈沖磁場裝置中，脈沖磁場的頻率和占空比受控于電流的頻率和占空比，開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉受控于觸發(fā)器的 輸出信號，觸發(fā)器的輸出由伏頻轉(zhuǎn)換電路和觸發(fā)器的外圍電路控制，在線圈回路中串接了作為檢測電流的傳感器件的功率較大、阻值小和精度高的電阻后，采樣電路與保持電路輸出的電壓信號，再經(jīng)Α/D轉(zhuǎn)換與LED顯示電路完成數(shù)字顯示，如此即通過改變電流的大小和高導(dǎo)磁性磁芯間隙的距離來實(shí)現(xiàn)對脈沖磁場裝置的場強(qiáng)控制，滿足對離體細(xì)胞的磁場生物效應(yīng)的研究和應(yīng)用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是一、本發(fā)明作為用于離體細(xì)胞磁場作用研究的電磁轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計，采用纏繞線圈的矽鋼片堆的空氣隙作為磁場區(qū)域，提高了磁場區(qū)域的空間磁場的均勻度；二、該脈沖磁場裝置通過在小缺口間隙處設(shè)有間隙調(diào)整塊和輔助固定板的方式，使調(diào)整間隙方便，可滿足不同研究對間隙的具體需求；三、該脈沖磁場裝置可以用比較小的勵磁電流變化，產(chǎn)生比較大的磁場幅值(磁感應(yīng)強(qiáng)度)變化；四、該脈沖磁場裝置采用伏頻轉(zhuǎn)換(VFC)的思路控制頻率，可以使頻率變化的線性度更高；五、該脈沖磁場裝置通過對標(biāo)準(zhǔn)電阻上電壓信號的采樣與保持，保證檢測到的脈沖磁場幅值準(zhǔn)確，使LED顯示值準(zhǔn)確和穩(wěn)定。六、該脈沖磁場裝置的電路簡單、成本低、性能價格比好、易于操作、可靠性高，對使用環(huán)境無特殊要求，產(chǎn)品主要用于離體細(xì)胞的磁場生物作用的研究，也可以用于磁場對細(xì)菌、種子和組織等的影響研究。


圖I為本發(fā)明所述脈沖磁場裝置的電路原理框圖。圖2為該脈沖磁場裝中的電磁轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為頻率控制電路及占空比控制電路的一個實(shí)施例的聯(lián)線結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為采樣電路與保持電路的一個實(shí)施例的聯(lián)線結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為Α/D轉(zhuǎn)換與LED顯示電路的一個實(shí)施例的聯(lián)線結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明內(nèi)容做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實(shí)際制作結(jié)構(gòu)并不僅限于附圖所示的實(shí)施例。參見圖1，本發(fā)明所述的用于離體細(xì)胞的脈沖磁場裝置由頻率控制電路I、占空比控制電路2、導(dǎo)通控制電路3、電磁轉(zhuǎn)換裝置4、控制電源5、采樣電路6、采樣器件7、工作電源8、場強(qiáng)控制電路9、保持電路10、選擇電路11和Α/D轉(zhuǎn)換與LED顯示電路12組成?？刂齐娫?提供±5V的輸出，它與頻率控制電路I、占空比控制電路2、采樣電路6、保持電路10和Α/D轉(zhuǎn)換與LED顯示電路12相聯(lián)，為其提供工作電源。工作電源8、導(dǎo)通控制電路3、電磁轉(zhuǎn)換裝置4、場強(qiáng)控制電路9和采樣器件7構(gòu)成該脈沖磁場裝置的工作主回路。電磁轉(zhuǎn)換裝置4具有一個用“ 口 ”型矽鋼片堆制成的磁芯，磁芯的一邊纏繞有線圈，另一邊開有一個作為磁場作用區(qū)域的小缺口，在小缺口間隙處根據(jù)需要設(shè)置若干用于增減間隙寬度的間隙調(diào)整塊和輔助固定板。脈沖磁場裝置開啟后，工作電源8提供+60V的輸出，當(dāng)觸發(fā)脈沖使VMOS開關(guān)管導(dǎo)通，電流通過線圈，即在纏繞線圈的矽鋼片堆的空氣隙中產(chǎn)生磁場。通過 改變流過線圈電流的大小，控制場強(qiáng)的大小。采樣器件7為一個功率為4 6W、阻值為I 2Ω和精度< 1%的電阻。采樣電路6與保持電路10用于采集采樣器件7的電壓信號并加以保存，被保存的反映頻率和強(qiáng)度的模擬信號通過選擇電路11經(jīng)Α/D轉(zhuǎn)換與LED顯示電路12以數(shù)字形式顯示出準(zhǔn)確、穩(wěn)定的脈沖磁場的頻率與強(qiáng)度。圖2為電磁轉(zhuǎn)換裝置的側(cè)視向結(jié)構(gòu)示意圖。在“口”型矽鋼片堆的一側(cè)纏繞線圈100匝，在另一側(cè)開個缺口，缺口為磁場作用區(qū)域。由于常用細(xì)胞培養(yǎng)皿的高度為(I. 5
2.5) X10_2m，直徑為(3 5) X 10_2m，所開缺口高度為4X 10_2m，缺口的橫截面積為正方形，邊長為6X10_2m。不同的間隙調(diào)整片，其高度不同，高度為(I 5)X10_3m，根據(jù)需要可以增減間隙調(diào)整片，使其符合不同間隙的需求。圖3為頻率控制電路及占空比控制電路的結(jié)構(gòu)示意圖。頻率線性改變采用電壓控制頻率的思想，即VFC。將運(yùn)放CA3140連接成積分工作模式，CA3140的輸出經(jīng)R3后與555定時電路的2管腳連接。將555定時電路連接成單穩(wěn)態(tài)工作模式，555定時電路的3管腳
輸出狀態(tài)，由低變高受2管腳控制。當(dāng)555定時電路的2管腳電壓< IV時，555定時電路置
位，其3腳輸出為高電平，并經(jīng)R2反饋到CA3140的同相輸入端。555定時電路的輸出由低變高所需時間受RU Cl的乘積線性控制，即555定時電路的3端輸出產(chǎn)生的觸發(fā)信號頻率線性變化。占空比采用555定時電路由暫穩(wěn)態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)所需的時間來控制，由R4、C4的
乘積決定，當(dāng)555的6管腳電壓>·^ν時，555定時電路復(fù)位，其3腳輸出為低電平。如此循
3
環(huán)，CA3140的輸出呈線性增長和線性下降的三角波形，555定時電路的輸出為方波。圖4為采樣電路與保持電路結(jié)構(gòu)示意圖?？諝庀吨挟a(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度與流經(jīng)線圈的電流成正比，經(jīng)過定標(biāo)后，可通過測量采樣器件電路7的電流值而得到磁感應(yīng)強(qiáng)度。為了使數(shù)碼顯示的磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅值準(zhǔn)確穩(wěn)定，該裝置設(shè)計了采樣保持電路，LF398的采樣觸發(fā)信號與觸發(fā)VMOS開關(guān)管導(dǎo)通的信號同步，LF398的5端輸出被采的模擬信號。圖5為Α/D轉(zhuǎn)換與LED顯示電路的結(jié)構(gòu)示意圖。數(shù)模轉(zhuǎn)換采用3位半Α/D轉(zhuǎn)換集成芯片ICL7107，靜態(tài)7段碼輸出，可直接驅(qū)動7段數(shù)碼顯示。該芯片外部接線簡單，使用方便。
權(quán)利要求
1.一種用于離體細(xì)胞的脈沖磁場裝置，其特征在于由頻率控制電路(I)、占空比控制電路(2)、導(dǎo)通控制電路(3)、電磁轉(zhuǎn)換裝置(4)、控制電源(5)、采樣電路￠)、采樣器件(7)、工作電源(8)、場強(qiáng)控制電路(9)、保持電路(10)、選擇電路(11)和A/D轉(zhuǎn)換與LED顯示電路(12)組成，頻率控制電路(I)的輸出端依次經(jīng)占空比控制電路(2)、導(dǎo)通控制電路(3)、電磁轉(zhuǎn)換裝置(4)后接至場強(qiáng)控制電路(9)的輸入端，場強(qiáng)控制電路(9)具有兩路輸出，其一路輸出端直接輸接至A/D轉(zhuǎn)換與LED顯示電路(12)，另一路輸出端依次經(jīng)采樣器件(7)、采樣電路￠)、保持電路(10)和選擇電路(11)后輸接至A/D轉(zhuǎn)換與LED顯示電路(12);其中，所說的電磁轉(zhuǎn)換裝置(4)具有一個用“口”型矽鋼片堆制成的磁芯，磁芯的一邊纏繞有線圈，另一邊開有一個作為磁場作用區(qū)域的小缺口，小缺口的隙縫高度與磁芯邊框長度之比為I : 10 15，在小缺口間隙處設(shè)有間隙調(diào)整塊和輔助固定板，通過改變線圈電流的大小和磁芯間隙的距離來實(shí)現(xiàn)脈沖磁場裝置的場強(qiáng)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于離體細(xì)胞的脈沖磁場裝置，其特征在于所說的采樣器件(7)由功率為4 6W、阻值為I 2Ω和精度< 1%的電阻構(gòu)成，作為檢測電流的傳感器件，采樣電路(6)與保持電路(10)用于周期性地對采樣器件(7)的電壓信號采樣并保持。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于離體細(xì)胞的脈沖磁場裝置，其特征在于頻率控制電路(I)和占空比控制電路⑵由CA3140運(yùn)放電路、555定時電路及其外圍電路組成，CA3140運(yùn)放電路連接成積分工作模式，555定時電路連接成單穩(wěn)態(tài)工作模式，555定時電路的3腳經(jīng)電阻反饋到CA3140運(yùn)放電路的同相輸入端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于離體細(xì)胞磁場生物效應(yīng)研究的脈沖磁場裝置，由頻率控制電路、占空比控制電路、導(dǎo)通控制電路、電磁轉(zhuǎn)換裝置和場強(qiáng)控制電路、控制電源、采樣電路、采樣器件、保持電路、選擇電路和A/D轉(zhuǎn)換與LED顯示電路組成，其中的電磁轉(zhuǎn)換裝置具有一個用“口”型矽鋼片堆制成的磁芯，磁芯的一邊纏繞有線圈，另一邊開有一個作為磁場作用區(qū)域的小缺口，在小缺口間隙處設(shè)有間隙調(diào)整塊和輔助固定板，通過改變線圈電流的大小和磁芯間隙的距離來實(shí)現(xiàn)脈沖磁場裝置的場強(qiáng)控制。該裝置電路簡單、成本低、性能價格比好、易于操作，主要用于離體細(xì)胞，也可以用于磁場對細(xì)菌、種子和組織等的影響研究。
文檔編號G05F7/00GK102968154SQ20121049299
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者文峻, 申廣浩, 文曉成, 湯池, 謝康寧, 屈學(xué)民 申請人:中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)