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关键词： 脉冲电磁场   膝关节   骨性关节炎  

摘要： 膝关节骨性关节炎(KOA)是以膝关节疼痛、活动受限为主要临床表现的一种疾病,具有较高的发病率。KOA的病理表现主要以膝关节软骨细胞减少、软骨下骨硬化以及滑膜组织炎症反应为主,最终导致膝关节退变加速。KOA患者首选辅助检查手段为X线,X线片能够清晰地呈现该疾病的典型表现,但是想要对关节退变的具体部位、退变程度加以明确或者和其他疾病相鉴别,需要进一步进行膝关节的CT、核磁或超声等检查。KOA早期治疗主要以非手术手段为主,具体包括物理治疗和药物治疗。脉冲电磁场(PEMF)是一种间歇性磁场效应,它一种常见的物理治疗方法,早年主要用于骨折及骨质疏松疾病的治疗中。PEMF对人体组织发挥作用,促进软骨修复,抑制炎症反应,近年来用于治疗膝关节骨性关节炎。本文对PEMF在KOA治疗中应用的研究现况作一综述。

关键词： 腰椎间盘突出症   低频脉冲电磁场治疗仪   阶梯式康复护理  

摘要： 目的 探讨阶梯式康复护理联合低频脉冲电磁场治疗仪在腰椎间盘突出症(LDH)术后患者中的应用效果。方法选取2018年3月至2019年6月我院收治的阶梯式康复护理干预的30例LDH患者纳入对照组;将行阶梯式康复护理联合低频脉冲电磁场治疗仪干预的30例LDH患者纳入观察组。两组均干预2个月,对比两组干预前、干预2个月时腰椎日本骨科协会评估治疗(JOA)评分及改良Barthel指数。结果 干预2个月,两组腰椎JOA评分均高于干预前,且观察组高于对照组(P<0.05);干预2个月,两组改良Barthel指数均较干预前高,且观察组高于对照组(P<0.05)。观察组疼痛评分较低,术后恢复用时较短,Oswestry功能障碍指数均低于对照组(P<0.05)。结论 阶梯式康复护理联合低频脉冲电磁场治疗仪干预可改善LDH患者术后腰椎功能、Oswestry功能障碍指数,减轻疼痛,加速患者康复,提升日常生活活动能力。

关键词： 电磁场   理论   高等学校   教材  

ISBN: (纸本)9787576307030

摘要： 本教材共分十章，第一章矢量分析作为学习电磁场理论的必要数学工具，强调了各种坐标系描述物理关系的一致性及三种主要坐标系的相互关系和场论基础。第二、三、四、六章为静电场、恒定电场、恒定磁场和电磁感应，涵盖了普物电磁学的全部内容，统一了普物电磁学和电磁场两种描述方法。第五章静态场的边值问题侧重于分离变量法和镜像法，以有限差分法为例说明数值法在解决复杂边值问题时的重要性。第七章时变电磁场总结了宏观电磁理论，引出麦克斯韦方程组，讨论能流密度概念为电磁波的论叙奠定基础。第八章较详细地论叙了平面电磁波的传播性质及其在边界面上的反射、折射，并对损耗媒质中的传播作了简要介绍。第九章导行电磁波讨论了导行波的基本原理和处理导行波的基本方法。第十章辐射讨论电磁能量的辐射原理，简介了基本辐射天线。

关键词： 土壤修复   微波诱导   苯系物污染   常规加热   仿真模拟  

摘要： 我国土壤调查公告表明,有机污染在土壤污染中占有较大比例。随着河北省内大量污染企业关闭、搬迁,遗留的有机污染土壤急需进行高效治理。热修复技术是目前有机污染土壤的主要修复方式,但该技术存在温度高、能耗大且修复土壤丧失原有利用价值的问题,因此对热修复技术的优化成为当前的热点研究方向。微波加热因其特性受到广泛关注,本研究为探究微波热脱附有机污染土壤的最佳工艺,提高热脱附的效率,选择甲苯为典型污染物,探索均匀分布的甲苯污染土壤的人为配置方案,研究微波热解甲苯的最佳功率、热解时间、含水率和土层厚度的规律;对比常规和微波加热对甲苯去除率的影响要素,通过分析两种加热方式下的反应动力学和活化能,探讨甲苯在电磁场中的热脱附机理;同时基于微波热脱附甲苯的单因素实验结果,对微波设备进行仿真优化,得到以下主要结论:（1）微波诱导苯系物的单因素实验。研究结果表明:当设定微波连续功率2000W,含水率为17%,热解时间24 min,土层厚度可达到9 cm时,土壤中苯系物的去除率最高可达到97.82%。（2）微波及常规热脱附对比实验研究。研究结果表明:温度110℃时,微波对甲苯的去除率超过90%,常规加热仅为74%。常规加热会导致土壤有机质大量损失,其有机质的损失量比微波加热时质量损失多25.23%。土壤中有机质的含量与阳离子交换量呈正相关,常规加热造成有机质大量损耗使得土壤阳离子交换量急剧减少,土壤的持水保肥能力下降。因此,相较常规加热,微波对土壤的理化性质影响较小,不会破坏土壤理化性质,可二次利用。（3）基于一级反应动力学在不同温度下对微波和常规热脱附动力进行拟合,计算其反应活化能。结果表明:微波热脱附甲苯的活化能12.813 kJ·mol-1,常规热脱附甲苯的活化能为13.792 kJ·mol-1,说明微波比常规加热的能耗低。（4）基于单因素实验数据结果开展电磁场仿真优化研究,利用电磁仿真软件模拟土壤摆放位置、土层厚度、加热时间对微波温度场分布的影响,结果表明,土壤在加热仓内部紧靠后方腔体壁时,温度最高。土层厚度和加热时间都会影响土壤的加热温度,且其温度变化趋势与单因素实验中污染物去除趋势基本一致。

关键词： 连铸保护渣   低频电磁场   电导率   焦耳热效应  

摘要： 随着电磁技术与连铸工艺的深入结合,结晶器电磁连铸技术在改善连铸坯质量方面有显著成效,已成为高效连铸的重要保障。而结晶器保护渣作为连铸工艺过程中重要的功能性材料,起着控制传热、吸收夹杂、润滑、防止钢液二次氧化以及绝热保温的作用。随着保护渣理论的发展,高碱度保护渣不断开发,熔渣离子化率和导电性相应提高,电磁场对其物化性能的影响凸显,对连铸保护渣研究提出了新内容和新要求。目前,国内外关于保护渣导电性能及电磁场作用下熔渣性能变化规律的研究较少,不能适应连铸工艺及保护渣发展的要求。开展熔融保护渣电导率及在电磁场作用下熔渣焦耳热效应研究,是电磁场作用下的保护渣物化性能研究的基础,对于认识电磁场对熔融保护渣性能的影响,丰富保护渣设计理论与性能调控方法,具有重要的科学意义和应用前景。本文基于交流四电极法原理,建立高温熔渣电导率测试实验平台,对Ca O-Si O2-Al2O3-Mg O-Ca F2-Na2O系熔融保护渣的电导率进行测量,分析熔融保护渣电导率的影响因素及变化规律。定量分析熔渣电导率与组分、温度之间的关系,应用熔渣几何模型理论,结合实验结果探讨熔渣电导率预测方法。采用COMSOL软件对低频电磁场作用下,磁致保护渣焦耳热效应进行数值模拟和分析。主要研究结果如下:（1）在本文研究渣组成和测试温度范围（1473K～1623K）内,熔融保护渣的电导率大致在0.026～0.810Ω-1·cm-1。保护渣电导率随熔剂Na2O、Ca F2和碱度的增加而提高。其中,Na2O含量每增加1%,电导率平均增加约17.6%;Ca F2含量每增加1%,电导率平均增加约18.6%;Λcorr每增加0.1,电导率平均增加约58.7%。温度每增加25K,电导率平均增加约27.2%。各碱性组分对保护渣电导率的影响程度依次为Ca F2>Ca O>Na2O>Mg O,Si O2是降低熔渣导电性的组分。（2）基于Arrehnius方程和本研究电导率实验数据,得到了Ca O-Si O2-Al2O3-Mg O-Ca F2-Na2O系保护渣电导率计算模型,模型为:lnκ=lnA-E/RTlnA=6.838×10-5E+0.276E=-3.687×10 6(Λcorr)3+4.849×10～6(Λcorr)2-2.126×10～6Λcorr+9.356×10～5（3）应用熔渣几何模型理论,结合本研究电导率实验数据,探讨了熔渣电导率的预测方法及相应权重因子的优化选择方案。应用表明,当预测点与实验点成分平均差在0.017～0.026,碱度比为1.04～1.17时,在考虑所有权重因子的贡献下,其模型预测偏差小于9.6%。（4）在低频电磁场作用下,熔渣中感应电流与磁感应强度随激励电流、电导率的增大而增强,磁致焦耳热也随之增大。研究表明,在本文条件下,磁致焦耳热大致在0.97×10～3～6.29×10～3J·m-3。焦耳热随着与磁场作用中心距离减小而增大,在距模拟结晶器内表面向中心方向25～60mm,每增加10mm熔渣焦耳热平均增加约11.8%,且电导率越大,焦耳热随距离的变化越显著。

关键词： REBCO涂层高温超导带材   电磁扫描   反演方法   缺陷   磁场   电流密度  

摘要： 高温超导材料因其优异的电磁学性能,在高能物理、现代交通与能源高新科学和技术领域受到广泛关注并逐渐进入商业化应用。但由于高温超导材料在热处理、加工、冷却、电缆及线圈绕制与运行等过程不可避免地受到机械力以及强电磁力作用,过大的变形或力的作用造成超导材料内部出现裂纹、片状脱落等宏观缺陷,由此引起超导特性的退化,严重制约了高温超导带材的工程应用。此外,高温超导带材往往是由多相、多组分材料制备而成的多层复合结构,各种制备过程中的缺陷或使用中的损伤缺陷等均会引起其力学或电磁失效。深入探究高温超导带材中缺陷对超导特性的影响已成为高温超导交叉学科与应用领域中的关键问题之一。围绕REBCO高温超导带材的结构缺陷对超导电磁场分布特性影响,综合运用微磁测量实验表征、电磁反问题方法,本文针对含缺陷(如线缺陷、圆形缺陷)的REBCO高温超导带材载流情形下的电磁场响应与电流密度分布特征开展了较为系统的实验研究。首先,基于实验室研制的低温环境超导材料力电耦合第三代测试系统,完成了基于霍尔探头扫描的超导带材的非接触微磁全场检测平台搭建,实现了载流超导带材表面磁场的同步、全场测试以及信号采集。通过室温下永磁体表面磁场全场测量以及载流理想超导带材电流分布特性的验证实验,表明了微磁全场扫描检测方法以及基于傅氏空间毕奥-萨伐尔定律反卷积电流密度反演方法的可靠性,为后续非理想含缺陷超导带材的电磁特性研究奠定了基础。其次,针对载流REBCO高温超导带材边缘处含不同长度(1mm、2mm、3mm)的线缺陷裂纹问题开展了实验研究,获得了线缺陷对带材内磁场分布的影响特征;并进一步基于电流密度反演方法,获得了不同线裂纹缺陷下超导电流密度分布特征与规律。结果表明,线缺陷尖端区域处的磁场分布与电流密度的分布表现出较强的奇异性,带材表面磁感应强度的极值对应于缺陷尖端,并对线缺陷附近的电磁场分布产生显著影响,线缺陷越长,影响越大。最后,针对载流REBCO高温超导带材含圆孔和边缘处半圆孔缺陷情形开展了实验研究。通过全场扫描获得了含缺陷带材附近的磁场分布特征,并进一步基于电流密度反演得到了不同缺陷形状下超导带材内部的电流密度分布。研究结果表明:在恒定电流情形下,含圆孔缺陷以及边界半圆缺陷的超导带材其边缘区域的磁场和电流密度分布均表现出强奇异性;含半圆缺陷超导带材中磁感应强度的极值出现在半圆尖端区域,与线缺陷情形下的结果类似。

关键词： 多电发动机   电励磁双凸极电机   起动发电机   电磁场   温度场   励磁故障   正弦化设计   优化设计  

摘要： 多电发动机(MEE)是当前航空发动机技术发展的重要趋势,作为MEE的核心部件之一,起动/发电机受到了广泛关注。电励磁双凸极电机(DSEM)同时具有开关磁阻电机坚固可靠与电励磁同步电机调压方便的优点,可构成一种极具发展潜力的新型MEE内装式发电机或起动/发电机系统。本文针对应用于MEE的DSEM的高温环境、高可靠性、低转矩脉动及宽转速范围运行等特殊要求,再加上DSEM磁场非线性,温度场复杂以及电磁-热耦合关系强烈的自身特点,围绕DSEM的本体结构、多物理场综合分析方法、失磁容错系统设计、正弦化系统设计等关键技术开展研究。 针对航空电机恶劣环境下多物理量之间强烈的耦合关系,及DSEM磁场非线性、槽内热源热阻复杂、电机温度分布不均等自身特点,从电磁场、温度场多物理场耦合的角度对DSEM进行电磁和温度特性分析。结合DSEM的热分析需求及现有热分析方法的特点,提出一种基于温度预测的电磁-热双向耦合DSEM热分析方法,提出电枢-励磁槽内三热源、分层热阻的DSEM温度预测模型,对DSEM进行详细的温度场分析;并通过磁路计算、仿真分析和实验的方法对DSEM不同温度下的电机特性进行研究。搭建DSEM电磁和温度测试实验平台,所提方法和所得结论在三相12/8极DSEM样机得以验证,为DSEM的温升评估和电磁、冷却设计提供理论依据,为MEE高温环境下的DSEM设计打下理论基础。 针对航空电机系统的高可靠性要求和传统DSEM在失磁时无法正常工作的问题,设计并分析了一种新型适合于失磁容错运行的DSEM,并研究了失磁容错运行下的转矩脉动抑制策略;分析了失磁前后DSEM的输出转矩特性,提出了一种新型的绕组结构,提高了DSEM的失磁容错能力;在正常/失磁条件下,分析了失磁容错型DSEM的结构参数,揭示了电机结构对其性能的影响;将失磁容错型DSEM和相同尺寸的传统DSEM以及开关磁阻电机的稳态转矩进行了比较,验证了失磁容错设计的有效性;通过对电感特性和转矩特性的分析,在不增加系统复杂度的前提下,进一步通过改进控制策略提高了失磁容错型DSEM的输出转矩并抑制其转矩脉动。研制了样机并搭建了适合于传统和失磁容错型DSEM的实验平台,样机的失磁容错能力及所提转矩脉动抑制策略的有效性得到了验证,为MEE应用背景下DSEM的可靠性设计提供理论支持。 针对DSEM转矩脉动对MEE起动平稳性、噪声和对轴应力带来的不利影响,对DSEM进行正弦化设计,实现了DSEM的正弦化驱动,改善传统DSEM转矩脉动大的缺陷。分析了传统的DSEM反电势畸变的原因,根据其原因提出了方波反电势相位调制正弦化的方法;对两种不同励磁方式的DSEM进行了正弦化设计,并采用偏心气隙极弧和相位反相线圈反向串联的方法,提高了反电势波形的对称性和正弦度;基于Gray-Fuzzy-Taguchi方法对正弦型DSEM研制过程中的关键结构参数进行了多目标优化;基于场路联合仿真对传统和正弦型DSEM进行了电磁性能对比分析;针对正弦型定子分布励磁电励磁双凸极电机(SDSEM-DF)与传统DSEM结构的不同导致的温度分析模型和温度分布的差异,提出了一种槽内材料分层分区域等效热模型;分析了SDSEM-DF三维全域稳态温度分布,研究了不同电密下电机的温升情况和温度分布规律;最后研制了SDSEM-DF样机,验证了所提DSEM的正弦化设计方法和SDSEM-DF热建模、热分析的正确性。正弦驱动下DSEM较小的转矩脉动有利于MEE起动阶段的平稳性的提升和噪音的减弱。 上述研究均涉及MEE用DSEM设计的关键技术,在此基础上,针对实际MEE的运行特点,对低压轴内装式电励磁双凸极发电机(DSEG)和高压轴内装式电励磁双凸极起动/发电机(DSES/G)进行设计。针对桥式全波不控整流发电方式去磁电枢反应导致的电机输出功率降低,提出一种基于励磁磁势补偿的DSEM多目标优化设计方法。首先利用所提方法进行低压轴DSEG设计,并采用混合田口法和响应曲面法对其进行多目标优化;基于集总参数网络法和有限元法对低压轴DSEG进行温度场对比分析;然后在低压轴DSEG的设计基础上,提出考虑材料温度特性与发动机结构约束的综合设计方法对高压轴DSES/G进行设计;研制低压轴DSEG样机并搭建测试平台,完成低压轴DSEG电磁特性和温升情况的测试;研制高压轴高温DSES/G并搭建与之匹配的MEE高温高速地面模拟测试平台,完成300°C高温环境下DSES/G实验验证。验证了MEE运行指标下的低压轴DSEG和高压轴DSES/G设计方法的有效性,样机的成功研制及其高温测试结果可为航空全尺寸电机设计提供重要参考。

关键词： 无损检测   交流电磁场检测   硬件电路   裂纹检测   外壳材料  

摘要： 交变电磁场无损检测(ACFM)是一种针对表面裂纹的检测技术,具有灵敏度高,特征信号明显的优点。本论文设计出了一种以STM32F103C8T6单片机为核心处理器的水下ACFM系统。由于水下无损检测探头外壳对检测信号存在影响,本文采用有限元分析软件对外壳材料的电导率、磁导率、电流频率和外部环境对裂纹检测信号的影响进行了仿真分析。提出了三种水下探头设计方案,完成了系统方案设计和探头的结构优化,并对裂纹的各参数和探头提离高度对特征信号的影响进行了仿真分析,之后对探头外壳强度进行了仿真验证。完成了ACFM无损检测设备的硬件原理图和印刷电路板(PCB)设计,编写了单片机程序和上位机程序,进行了实验测试与分析。本论文的主要研究内容如下:(1)外壳材料参数对ACFM信号影响的仿真分析基于ACFM仿真模型,分析了探头相对于裂纹移动时,被检测材料的表面磁场变化。仿真分析了外壳材料的磁导率增加极不利于特征信号提取,电导率和电流频率增加会致使特征信号幅值降低,但由于外壳与被检测材料的感应磁场相互干扰,在某一频段下会造成特征信号波峰波谷颠倒,甚至特征信号紊乱。(2)水下ACFM系统方案设计与探头结构优化在水下ACFM系统方案设计的基础上,进行了探头结构优化。提出了三种水下探头设计方案,缩小了探头尺寸,并对外壳强度进行校验分析,对裂纹的长度、深度、角度和提离高度对检测特征信号的影响进行仿真分析。(3)ACFM的软硬件设计与实验测试主要完成了ACFM的电路设计,包括元器件选择,原理图绘制,电路板设计,并在PCB上进行了合理布局,缩小了检测设备的体积。ACFM电路的功能主要有信号放大、信号采集、功率放大、通信和电源。单片机程序主要包括方波与正弦波信号输出、信号采集与传输、与上位机之间的通讯,充分利用单片机性能,提高了处理速率。上位机程序使用Labview设计,完成了与单片机之间的通讯、采集数据的处理、裂纹特征信号的判断。验证实验表明,开发的水下ACFM系统,可以有效进行裂纹检测,并具备较高的灵敏度。

关键词： 电磁逆散射   高斯牛顿反演   先验信息   微波成像  

摘要： 在医学成像、无损检测、穿墙及探地测量、人体安检等需求的推动下,微波成像已经得到了广泛应用,但是更高的成像分辨率以及更快的成像速度一直是该领域所追求的重点。微波成像起源于军事领域的合成孔径雷达(SAR)技术,其本质上是一类电磁逆散射问题,其通过散射电磁场逆向推演目标区域的电磁特性。微波成像领域的算法众多,如后向投影(BP)算法、距离偏移(RM)算法,其具有成像速度快、适用场景广的优点。但是,这些算法的成像分辨率会受到波长限制,难以进一步提高。高斯牛顿反演(GNI)方法可以高精度地重建目标区域的电磁特性,但反演算法的计算复杂度随着目标区域的增大和成像分辨率的提高而显著增加。研究表明,为反演算法提供目标区域的形状或材料先验信息可以有效提高成像分辨率和成像效率。目前,有一些研究使用了计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)技术来为反演算法提供形状先验信息,以降低计算复杂度。然而,这些方法不能通过微波成像系统来实现,并且存在性价比低、灵活性差等缺点。本文以电磁逆问题求解为基础,提出了将SAR技术与GNI算法相结合的成像方法。首先采用BP算法快速预成像,获取目标区域的先验信息,从而缩小重建区域的大小并赋合适的初值,之后通过乘性正则化(MR)的GNI算法重建目标区域的相对介电常数空间分布。本方法在保留了 GNI算法超高分辨率的前提下,利用BP算法成像速度快的优势弥补GNI算法在运算速度和占用内存上的劣势。从整体的角度进行设计,将整个体系建立在微波系统上,其现有技术成熟、设备性价比高、操作要求低,只需使用同一套微波测量设备就能同时满足BP算法和GNI算法的测量需求,使先验信息的获取不需要额外的测量仪器和操作环节,工程可行性高。本文结合常见的医学成像、无损检测和地质探测的情形建立了仿真模型,按照所设计的流程进行了 MATLAB编程仿真,对比了在有无先验信息的两种情形下,MR-GNI算法的成像分辨率和成像速度的区别,证明了先验信息的使用提高了成像的实时性和准确性。并进行了关于天线位置误差和散射体初值影响的仿真,结果显示本文所提出的方法的成像分辨率和成像效率依赖于正确的定位和接近实际值的初值。但是这些误差没有隐蔽性,容易发现和纠错。

关键词： 电子感应加速器   电磁场   Comsol   控制系统   出束  

摘要： 由于电子感应加速器能够作为一种X射线源,所以电子感应加速器将会在医疗、工业、农业、生物学等方面广泛得到应用。电子感应加速器是一种利用电磁感应原理的粒子加速器,是利用随时间变化的常梯度磁场产生涡旋电场,带电粒子在涡旋电场中围绕固定的运动轨道做圆周运动,并在电场中被连续地加速。电子在多次圆周运动的加速过程以后获得较高的能量,通过引出偏转磁场偏离固定运动轨道,轰击电子金属靶产生X射线。研发电子感应加速器的难点在于设计主磁场的场分布和辅助磁场的时间间隔。当电子通过高压被注入到涡旋电场中得到加速时,主磁场的大小和分布对电子的横向运动有重要影响。而电子的运动过程分为注入、聚拢、偏转三个过程,这三个过程存在时间上的间隔。其中电子在聚拢和偏转的运动过程中需要产生有助于电子聚拢和偏转运动的辅助磁场。保证辅助磁场合理的时间差,才能提高电子的俘获效率,从而增加引出电子流的强度。因此,必须要合理设计电子感应加速器的电磁场。论文拟设计的是能量峰值为7.5Mev时,辐射剂量率为7.5R/min的小型电子感应加速器。通过对小型电子感应加速器的磁铁结构进行设计,主要磁铁结构包括加速器磁极端面和中心磁垫与气隙。利用Poisson软件理论计算和模拟仿真确定好磁极端面结构参数。对于中心磁垫的厚度和气隙的大小,采用实验测定的方法验证理论公式的推导。关于导磁材料的选取,利用Comsol提出了采用不同材料对加速器的电磁场进行模拟计算作为选取的依据;在电子感应加速器的整机电磁场实验分析中,从电磁场的静态磁场和动态磁场两方面进行了实验,提出合理的磁场分布设计。在加速器的励磁电流方面,对电磁场的控制系统进行了分析。设计好的电磁场要满足加速器能量峰值7.5Me V和最大剂量7.5R/min的出束,从剂量率和能量两方面进行了调试和测试实验。通过本论文的研究加快了国内对电子感应加速器的研制。从长远来看,有望打破国外对加速器相关技术的封锁。