一种利用单端口阻抗和灵敏度测量耦合线圈参数的方法技术

本发明专利技术提出了一种利用单端口阻抗和灵敏度测量耦合线圈参数的方法，属于测量技术领域。本发明专利技术首先使用简单的阻抗分析仪，只对耦合线圈中的一个端口进行测量，并且该耦合线圈可以处于导电介质中或空气介质中。测量的项目是该端口在不同频率下的等效复阻抗。然后再以模型中的参数为寻优变量，以测试的阻抗与计算的阻抗误差为目标函数，建立优化问题数学模型。利用本发明专利技术提出的分析灵敏度的简便方法，计算目标函数的寻优方向。通过寻找目标函数的最小值，辨识出耦合线圈模型中的全部参数，包括存在导电介质时的模型参数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提出了一种利用单端口阻抗和灵敏度测量耦合线圈参数的方法，属于测量

技术介绍
在基于电磁原理或电磁超声原理的无线电能传输系统，以及消费电子产品和工业机电设备中，电磁耦合线圈得到了广泛应用，其作用是实现电压变换、电流变换、阻抗变换、电气隔离、能量传递、信号传递等。在对含有电磁耦合线圈进行理论分析或仿真分析时，必须建立其模型，包括模型结构和模型参数。建立模型的方法，一是根据物理原理，使用电磁学理论，通过计算得到电磁耦合线圈的模型结构和模型参数。但是，由于边界条件的复杂性和电磁量的时变特性，这种理论计算是很复杂的。二是使用测试仪器进行测量，例如阻抗分析仪或网络分析仪。阻抗分析仪用于单端口测量，而耦合线圈存在两个以上的端口；网络分析仪虽然可用于双端口测量，但当被测的两个端口相距较远时也会导致测试不便。另外，一般说来，根据测试结果并不能直接得到模型中的全部参数，还需要对测试结果做进一步的数据处理，例如互感系数、耦合系数、交流电阻、寄生电容等，都不能直接得到测量结果。当耦合线圈处于特殊介质中，例如海水或电解质，它们由于导电而形成涡流，涡流现象可以等效成由电感和电阻组成的虚拟绕组，这时简单的测量更是难以获得详细的模型参数。由此可见，需要提出一种有效方法，根据若干次简单测量，能够辨识出耦合线圈模型的详细参数。
技术实现思路
本专利技术使用简单的阻抗分析仪，只对多绕组耦合线圈中的一个端口进行测量，该耦合线圈可以处于导电介质中或空气介质中，测量的项目是该端口在不同频率下的等效复阻抗；以模型中的参数为寻优变量，以测试的阻抗与计算的阻抗误差为目标函数，建立优化问题数学模型；利用本专利技术提出的分析灵敏度的简单方法，计算目标函数的寻优方向；通过寻找目标函数的最小值，辨识出耦合线圈模型中的全部参数，包括导电介质对应的虚拟绕组模型参数。本专利技术采取的技术方案是：首先，将阻抗分析仪接在耦合线圈的一个端口上，最好是能量或信号的输入端口，将其他端口短路，或者接入已知电阻，确保连接良好。然后，在不同频率下测量单端口等效复阻抗，所选择的频率要覆盖耦合线圈工作时的最低频率和最高频率，且测出的单端口阻抗有一定的区分性。记录这些频率和对应的单端口复阻抗。其次，根据耦合线圈的结构和介质性质，利用电磁学原理，建立耦合线圈模型的结构，并确定参数的性质(直流电阻、交流电阻、电感、电容、互感)。如果耦合线圈处于导电介质中，交流情况下在介质中会形成感应电流，类似于感应电动机的转子绕组电流，因此可用代表损耗的电阻与代表电磁感应的电感的串联来表示导电介质中的情况，并且该虚拟电感与其他电感之间存在磁耦合，用耦合系数来表示。再此，以上述模型中的全部参数为寻优变量，建立优化问题的数学模型。目标函数是两种单端口复阻抗在不同频率下的误差绝对值之和。一种是在确定频率下，用阻抗分析仪得到的复阻抗测量值；另一种是基于初始值或迭代值，根据电网络理论得到的，在同一频率下单端口复阻抗计算值。最后，利用本专利技术提出的分析灵敏度的简单方法，计算目标函数的寻优方向。经迭代运算，目标函数达到最小值后，寻优变量的解答就是耦合线圈模型中全部参数值。这是一种测量与计算相结合的方法。本专利技术的有益效果是：(1)使用普通阻抗分析仪进行测量，成本低。(2)只对耦合线圈的一个端口阻抗进行测量，操作方便。(3)可以测量两个以上耦合线圈的模型参数。(4)可以测量耦合线圈周围存在导电介质时，耦合线圈的模型参数。(5)用电压相量、电流相量的乘积或平方，来计算单端口阻抗对参数的灵敏度，从而消除了用求导运算来确定寻优方向的困难。附图说明图1是测量耦合线圈单端阻抗的接线图；(a)导电介质或空气介质情况；(b)可移动或不可移动情况。图2是双绕组耦合线圈的一种电路模型。图3是分析灵敏度的双口网络。图4是用T形电路代替双口网络。图5是两个线圈存在耦合的情况。图6是消去互感后图5的等效电路。具体实施方案下面结合说明书附图和技术方案，对具体实施方案作详细说明。1.单端口阻抗测量将阻抗分析仪连接于耦合线圈的一个端口，通常是能量或信号的输入端口，将其余端口短路，或连接已知电阻，连接要良好，不得开路，如图1(a)、(b)所示。测试在不同频率下的单端口阻抗，所选频率要覆盖耦合线圈工作时的最低频率和最高频率，且测量得到的单端口阻抗有明显的区分性。记录所使用的频率和对应的单端口复阻抗。用Z~(jωk)=R~(ωk)+jX~(ωk),(k=1,2,...m)---(1)]]>表示在m个频率处测量得到的单端口等效复阻抗。2.基于测量值和计算值建立目标函数为一般性起见，设耦合线圈模型含有n个元件参数，用参数向量表示为，P＝[P1,P2,…,Pn]T(2)其中Pk(k＝1,2,…,n)可以是电阻、电感、电容、互感或耦合系数等参数。定义如下n个自变量的目标函数：F(P)=Σk=1m|Z(jωk)-Z~(jωk)|2---(3)]]>其中，Z(jωk)＝R(ωk)+jX(ωk)(k＝1,2,…m)是在与测量对应的角频率ωk处，由迭代过程中的某组参数值，用理论计算得到的单端口等效复阻抗。例如，理论计算用到的一种电路模型如图2所示，该模型因绕组个数、介质性质、导线性质、对次要因素的关注程度等因素而有所不同。将式(3)复数差值模的平方，分解成实部差值的平方与虚部差值的平方之和，即F(P)=Σk=1m{[R(ωk)-R~(ωk)]2+[X(ωk)-X~(ωk)]2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用灵敏度和单端口阻抗测量耦合线圈参数的方法，其特征在于，首先，将阻抗分析仪接在耦合线圈的一个端口上，将其他端口短路或者接入已知电阻；然后，在不同频率下测量单端口等效复阻抗，所选择的频率要覆盖耦合线圈工作时的最低频率和最高频率，且测出的单端口阻抗有区分性；记录这些频率和对应的单端口复阻抗；其次，根据耦合线圈的结构和介质性质，利用电磁学原理，建立耦合线圈模型的结构，并确定参数：直流电阻、交流电阻、电感、电容和互感；如果耦合线圈处于导电介质中，交流情况下在介质中形成感应电流，用代表损耗的电阻与代表电磁感应的电感的串联表示导电介质中的情况，并且该虚拟电感与其他电感之间存在磁耦合，用耦合系数来表示；以上述模型中的全部参数为寻优变量，建立优化问题的数学模型；目标函数是两种单端口复阻抗在不同频率下的误差绝对值之和；一种是在确定频率下，用阻抗分析仪得到的复阻抗测量值；另一种是基于初始值或迭代值，根据电网络理论得到的，在同一频率下单端口复阻抗计算值；最后，利用下述单端口阻抗对模型参数灵敏度的计算方法，计算目标函数的寻优方向；经迭代运算，目标函数达到最小值后，寻优变量的解答就是耦合线圈模型中全部参数值；所述的单端口阻抗对模型参数灵敏度的计算方法如下：先设待求灵敏度的二端元件参数为复阻抗Zk，将Zk单独从网络中取出，并占用一个端口；施加的电流源激励占用另一端口，即接阻抗分析仪的那个端口，建立灵敏度分析的双端口网络模型；双端口网络用T形电路来等效；求出Z(jω)以及Z(jω)对Zk的偏导数，即Z(jω)对阻抗参数Zk的灵敏度，∂Z(jω)∂Zk=Z32(Z3+Z2+Zk)2---(9)]]>在条件下，计算流过Zk的电流，得I·Zk=Z3I·1Z2+Z3+Zk=Z3Z2+Z3+Zk---(10)]]>比较式(9)与(10)得如下灵敏度公式，∂Z(jω)∂Zk=I·Zk2---(11)]]>如果Zk为电阻，则Z(jω)对电阻的灵敏度，∂Z(jω)∂Rk=I·Rk2---(12)]]>如果Zk为电导，则Z(jω)对电导的灵敏度，∂Z(jω)∂Gk=-U·Gk2---(13)]]>如果Zk为电感，则Z(jω)对电感的灵敏度，∂Z(jω)∂Lk=jωI·Lk2---(14)]]>如果Zk为电容，则Z(jω)对电容的灵敏度，∂Z(jω)∂Ck=-jωU·Ck2---(15)]]>存在公共端的两线圈耦合情况，利用消去互感原理，得到不含磁耦合的等效电路，使用式(11)计算Z(jω)对互感和自感的灵敏度，结果如下：∂Z(jω)∂Mkl=j2ωI·kI·l,∂Z(jω)∂Lk=jωI·k2,∂Z(jω)∂Ll=jωI·l2---(16)]]>利用耦合系数与自感系数和互感系数的关系，进一步求出Z(jω)对耦合系数Kkl的灵敏度：∂Z(jω)∂Kkl=j2ωI·kI·l×LkLl---(17).]]>...

【技术特征摘要】
1.一种利用灵敏度和单端口阻抗测量耦合线圈参数的方法，其特征在于，
首先，将阻抗分析仪接在耦合线圈的一个端口上，将其他端口短路或者接
入已知电阻；
然后，在不同频率下测量单端口等效复阻抗，所选择的频率要覆盖耦合线
圈工作时的最低频率和最高频率，且测出的单端口阻抗有区分性；记录这些频
率和对应的单端口复阻抗；
其次，根据耦合线圈的结构和介质性质，利用电磁学原理，建立耦合线圈
模型的结构，并确定参数：直流电阻、交流电阻、电感、电容和互感；如果耦
合线圈处于导电介质中，交流情况下在介质中形成感应电流，用代表损耗的电
阻与代表电磁感应的电感的串联表示导电介质中的情况，并且该虚拟电感与其
他电感之间存在磁耦合，用耦合系数来表示；
以上述模型中的全部参数为寻优变量，建立优化问题的数学模型；目标函
数是两种单端口复阻抗在不同频率下的误差绝对值之和；一种是在确定频率下，
用阻抗分析仪得到的复阻抗测量值；另一种是基于初始值或迭代值，根据电网
络理论得到的，在同一频率下单端口复阻抗计算值；
最后，利用下述单端口阻抗对模型参数灵敏度的计算方法，计算目标函数
的寻优方向；经迭代运算，目标函数达到最小值后，寻优变量的解答就是耦合
线圈模型中全部参数值；
所述的单端口阻抗对模型参数灵敏度的计算方法如下：
先设待求灵敏度的二端元件参数为复阻抗Zk，将Zk单独从网络中取出，并
占用一个端口；施加的电流源激励占用另一端口，即接阻抗分析仪的那个端口，
建立灵敏度分析的双端口网络模型；双端口网络用T形电路来等效；
求出Z(jω)以及Z(jω)对Zk的偏导数，即Z(jω)对阻抗参数Zk的灵敏度，
∂Z(jω)∂Zk=Z32(Z3+Z2+Zk)2---(9)]]>在条件下，计算流过Zk的电流，得
I·Zk=Z3I·1Z2+Z3+Zk=Z3Z2+Z3+Zk---(10)]]>比较式(9)与(10)得如下灵敏度公式，
∂Z(jω)∂Zk=I·Zk2---(11)]]>如果Zk为电阻，则Z(jω)对电阻的灵敏度，
∂Z(jω)∂Rk=I·Rk2---(12)]]>如果Zk为电导，则Z(jω)对电导的灵敏度，
∂Z(jω...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈希有，周宇翔，牟宪民，李冠林，张泽然，
申请(专利权)人：大连理工大学，中电投吉林核电有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21