数控电位器在磁共振成像系统中的应用
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篇1：数控电位器在磁共振成像系统中的应用
数控电位器在磁共振成像系统中的应用
安科高技术股份有限公司 胡曾千 邢研摘 要: 把数控电位器用于磁共振成像系统中梯度预加重电路，使电路中增益和时间常数的调整从人工方式改变为计算机数字控制方式，可以大大提高调整的效率并能实现自动调整。
关键词: 数控电位器;磁共振成像;涡流;梯度预加重
问题的提出
在磁共振成像(MRI)系统中，梯度磁场被用来编码空间位置。它是由梯度波形发生器根据成像序列要求输出梯度波形，激励梯度放大器输出梯度电流，驱动梯度线圈形成的。理想的梯度波形发生器输出、梯度放大器输出和梯度磁场波形见图1(a)(b)(c)。但在实际系统中由于铁磁性物质的存在，梯度电流跳变形成的梯度磁场的变化会在其中产生感应电流，即涡流。涡流衍生出的磁场方向总是与梯度磁场建立的方向相反，因此会延缓梯度磁场的建立，见图1(d)。这种延缓会对MRI系统成像的性能产生较大的影响。
克服涡流的影响、改善梯度磁场的建立波形有许多种方法。其中之一是梯度预加重(pre-emphasis)。梯度预加重是在梯度波形发生器的输出波形上(图1(e))或梯度放大器的输出电流上(图1(f))预先加上一个过冲，该过冲抵消涡流场的影响，加速了梯度磁场的建立，见图1(g)。为了适应不同涡流场的情况，该过冲的幅度和时间常数都是可调的。
梯度放大器中X、Y、Z三路梯度一般都加有模拟式梯度预加重(有时称为涡流补偿)电路。这种电路由一个可调增益的`运算放大器+可调RC时间常数电路构成，见图2(三路相同，仅画出X路)。为了组合出任意的过冲波形，通常有多级这样的电路并联，每级具有不同的时间常数(图2电路具有4级)。增益和时间常数的调整采用手调多圈电位器。这种电路结构简单、无须做任何计算、成本较低。但它也有固有的缺点。由于全部采用模拟器件，不适合用任何数字器件来控制，多级增益和时间常数需人工用改锥作多维调整，工作量极大而一致性、可重复性很差，也不能由计算机闭环控制实现自动调整。
本文利用数控电位器(DCP)独特的性能，改进了上述模拟式梯度预加重电路，达到了数字控制梯度预加重的目的。
数控电位器
数控电位器是一种数模混合器件，示意图见图3。它内部有一个串联的电阻阵列(电阻的数量决定了DCP的分辨率，通常有32，64，100，256，1024等)。每两个电阻之间的连接点通过一个电子开关连接到中心抽头端。电子开关则由用户通过总线接口控制通断，通断的位置决定了中心抽头端在电阻阵列中的位置，因而可以决定中心抽头端距电阻阵列两端的电阻值。改变通断的位置就可以改变这个电阻值。因此从电阻阵列两端和中心抽头来看，DCP表现得就好象是一个普通的三端可调电位器一样，差别只在于普通的电位器是通过旋纽或工具手动连续可调的，而DCP是通过总线输入指令步进调节的。
DCP有不同的组态和形式。以本文使用的Xicor公司的X9250 DCP为例，它在一个器件内封装了4个相同的DCP，每个DCP有256个抽头位置及4个非易失的数据寄存器，可以在DCP掉电后记住4个抽头位置，并在上电时自动将0#数据寄存器记载的抽头位置加载至抽头位置寄存器；它的控制接口为标准的SPI串行接口，控制指令由验证字节、指令字节和数据字节构成，见图4。阻值有100KΩ，50KΩ，数字端电源2.7~5.5V，模拟端电源为±2.7~5.5V。封装形式有SOIC和XBGA两种。
图1(a)理想梯度波形发生器输出 (b)理想梯度放大器输出 (c)理想梯度磁场波形 (d)实际梯度磁场波形(e)有预加重的梯度波形发生器输出(f)有预加重的梯度放大器输出 (g)有预加重的梯度磁场波形
图2 梯度放大器中的模拟式梯度预加重电路
图3 X9250的内部结构
图 4 X9250的控制指令构成
数字控制梯度预加重电路设计与实现
DCP的这种工作方式为本文的设计提供了基础。其原理是用DCP来代替模拟式梯度预加重电路中手调电位器，用通用计算机、单片机、DSP等数字控制器通过DCP的总线接口来控制DCP的抽头位置，从而调节梯度预加重电路中过冲波形的幅度和时间常数。具体实现电路见图5。
和图2一样，图5中仅示出X路的电路，其余两路与此相同。在图5中，来自数字控制器件的控制信号XSI和XSCK分别给出SPI串行接口标准的数据位和时钟。数字控制器件根据用户输入的幅度和时间常数值，或根据MRI系统采集到的信号值，自动计算出幅度和时间常数的值，将这些数值转换成DCP的指令格式，送入相应的DCP中。经过幅度和时间常数处理后的梯度波形通过波形迭加电路U5与原梯度波形相加输出至梯度放大器。
一片X9250中包含有4个DCP，通过控制指令中指令字节的P0、P1位选择。它的引脚上还有两位器件选择位A0、A1，通过控制指令中验证字节的A0、A1位识别，因此通过A0、A1、P0、P1的组合，仅用控制指令就可寻址16个DCP中的任何一个。本设计仅用两片X9250，共8个DCP，故用A0选择器件，A1接地，P0、P1选择器件中4个DCP之一。在不超过16个DCP的情况下，不需要外加地址译码电路，CS端可以始终接地。数据字节给出中心抽头端的位置送入DCP中的中心抽头寄存器并写入0#数据寄存器。这样一旦调整好梯度预加重的波形，可以像模拟电位器一样永久保存。
本文的电路在应用时既可以作为一部分融合进入梯度波形发生电路或梯度放大器的涡流补偿电路中，也可以作为一个单独的部件串接在无梯度预加重电路的梯度波形发生器和梯度放大器之间。
结语
本文阐述并实现了一种用DCP实现的数字控制梯度预加重电路，它采用数字控制，模拟调整的方式，使得通过预加重改善MR
I系统中梯度磁场建立波形的方法可以借助计算机等数字控制器件来完成。■
参考文献：
1. AN8253 Gradient Amplifier User Manual, Analogic Inc.
2. X9250 Application Note AN99/115/120/124/133/134/135，Xicor Inc.
摘自:电子产品世界
篇2：磁共振现代射频脉冲理论在非均匀场成像中的应用
磁共振现代射频脉冲理论在非均匀场成像中的应用
在磁共振非均匀场成像中,传统的`射频脉冲导致回波信号的衰减.为了减小和消除这种磁共振信号的衰减,在讨论了经典理论的基础上根据非线性动力学中的逆散射理论和Shinnar-Le Roux方法导出了用于非均匀场成像的射频脉冲设计方法.模拟结果表明,采用逆散射理论和Shinnar-Le Roux方法优化的脉冲序列可以明显提高信号的信噪比.
作 者：张必达 王卫东 宋枭禹 俎栋林 吕红宇 包尚联 作者单位：张必达,宋枭禹,俎栋林,吕红宇,包尚联(北京大学重离子物理研究所,北京市医学物理和工程重点实验室,北京,100871)王卫东(北京大学重离子物理研究所,北京市医学物理和工程重点实验室,北京,100871;解放军总医院,北京,100853)
刊 名：物理学报 ISTIC SCI PKU英文刊名：ACTA PHYSICA SINICA 年，卷(期)： 52(5) 分类号：O4 关键词：磁共振成像 射频脉冲 非线性系统篇3：EH4电磁成像系统在金矿勘查中的应用
EH4电磁成像系统在金矿勘查中的应用
EH4电磁成像系统是目前国内外较为先进的电磁法勘探仪器,具有勘探深度大、成果反应直观、轻便高效等特点.笔者介绍了该方法的工作机理及在金矿找矿中可能解决的'地质问题.通过河北、黑龙江等地金矿勘查的实例,说明了其在金矿勘查中的应用效果.
作 者：樊战军 卿敏 于爱军 李文良 徐德利 陈孝强 吕喜旺 FAN Zhan-jun QING Min YU Ai-jun LI Wen-liang XU De-li CHEN Xiao-qiang LU Xi-wang 作者单位：樊战军,卿敏,于爱军,李文良,徐德利,陈孝强,FAN Zhan-jun,QING Min,YU Ai-jun,LI Wen-liang,XU De-li,CHEN Xiao-qiang(武警黄金地质研究所,河北,廊坊,065000)吕喜旺,LU Xi-wang(武警黄金第二总队,河北,廊坊,065000)
刊 名：物探与化探 ISTIC PKU英文刊名：GEOPHYSICAL AND GEOCHEMICAL EXPLORATION 年，卷(期)： 31(z1) 分类号：P631 关键词：EH4电磁成像系统 电阻率 金矿篇4：数控加工仿真系统原理及其在教学中的应用
郑州轻工业学院轻工职业学院 李宏兵 隋丽慧
摘 要：本文针对当今出现的数控加工仿真软件、数控加工教学和培训的要求、以及数控机床实训环节易出事故、机床损耗严重、费用高等特点，论述了数控加工仿真系统的原理、作用、功能，以及在数控教学中，如何有效地使用数控加工仿真系统软件，对学生、学员进行数控机床的基本操作培训，以达到多、快、好、省的目的。
关键词：数控机床 数控加工 虚拟现实 仿真系统
0 引言
随着我国高等职业教育的飞速发展，以及数控加工技术在机械制造业中的广泛应用，大批数控机床操作人员的专业培训成为迫切而又难以解决的问题。在传统的操作培训中，数控机床编程与操作的有效培训必须在真实的机床上进行。可是随着学生人数的不断增加，有限的机床数量难以保证每位学生有足够的上机操作时间，同时学生在真实机床上操作还具有一定的危险和不安全性，培训中的误操作经常会导致设备、刀具等的损坏，甚至引发人身伤害事故，增加了培训成本。因此，传统的机床操作培训方法效率低、教师工作量大、培训费用高，需要用更新的方法来取代。
1 虚拟现实技术
虚拟现实，英文名为Virtual Reality，简称VR技术。这一名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier）在80年代初提出的，也称灵境技术或人工环境。作为一项尖端科技，虚拟现实集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机生成的高技术模拟系统，它最早源于美国军方的作战模拟系统，九十年代初逐渐为各界所关注并且在商业领域得到了进一步的发展。这种技术的特点在于通过计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是由计算机图形构成的三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，从而使得在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉，可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机很好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的感觉。
虚拟现实是发展到一定水平上的计算机技术与思维科学相结合的产物，它的出现为人类认识世界开辟了一条新途径。虚拟现实的最大特点是：用户可以用自然方式与虚拟环境进行交互操作，改变了过去人类除了亲身经历，就只能间接了解环境的模式，从而有效的扩展了自己的认知手段和领域。另外，虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具，它以视觉形式产生一个适人化的多维信息空间，为我们创建和体验虚拟世界提供了有利的支持。由于虚拟现实技术的实时三维空间表现能力、人机交互式的操作环境以及给人带来的身临其境的感受，它在军事和航天领域的模拟和训练中起到了举足轻重的作用。近年来，随着计算机硬件软件技术的发展以及人们越来越认识到它的重要作用，虚拟技术在各行各业都得到了不同程度的发展，并且越来越显示出广阔的应用前景。
虚拟现实技术在改造传统产业上的价值体现于：用于产品设计与制造，可以降低成本，避免新产品开发的风险；用于产品演示，可借多媒体效果吸引客户、争取订单；用于培训，可用“虚拟设备”来增加员工的操作熟练程度。虚拟现实技术将使众多传统行业和产业发生革命性的改变。
2 数控加工仿真系统
随着虚拟现实技术及计算机技术的发展，出现了可以模拟实际机床加工环境及其工作状态的计算机仿真加工系统，它是一个应用虚拟现实技术于数控加工操作技能培训的仿真软件。利用计算机仿真培训系统进行学习和培训，不仅可以迅速提高被培训人员的理论、操作水平，而且非常安全，可靠好，培训费用低。
目前在国内已经有一些高等院校将计算机仿真运用于数控操作人才培训的教学之中，也出现了各种数控加工仿真教学系统，如上海宇龙、北京斐克、南京宇航、广州超软、武汉金银花等不同的数控加工仿真软件。上述这些教学系统既能单机系统独立运行，又能实现在线运行。独立运行即机床模型方式，其培训设施只需一台微机，数控机床的模拟操作在显示屏显示的仿真面板上进行，而零件切削过程由机床模型通过三维动画演示。实践证明，用这种方式进行初步培训是非常经济有效的。在线运行即机床工作方式，在这种方式下，教学系统将与实际机床连接，由硬件实现零件切削过程，这时除了操作者是用仿真面板操作外，其它则与实际机床的真实情况一样。即利用计算机和其他的专用硬件、软件去产生一种真实场景的仿真，操作者可以通过与仿真场景的交互，来体验一种接近于真实的场景的感觉。因此，采取这种方法能进一步提高操作者的实际操作技能。
数控仿真系统的核心是虚拟数控机床，而虚拟数控机床又是虚拟制造技术中的一个重要的执行单元。它不仅在数控加工过程中为产品设计提供了可制造性的分析，而且在数控系统的学习和培训中，为被培训人员提供了完善的学习方法和学习环境。数控仿真系统完全模拟真实零件的加工过程，可以检验各种数控指令是否正确，能提供与真实机床完全相同的操作面板，其调试、编辑、修改和跟踪执行等功能也一应俱全。
3 虚拟数控机床平台的构建
虚拟数控机床一般是通过以下的构建平台来实现上述功能：
（1）NC解释平台。NC解释平台包括NC解释器和NC验证器。任务分配数据库从任务调度中接受数控代码并将其翻译为虚拟机床的部件、刀具等运动的信息，并将其通过计算模块来模拟机床的响应，NC解释器能够被自由地配置从而能够模拟任何一种数控机床的CNC控制器。
（2）NC验证器。能够验证NC代码的.语法是否正确。
（3）刀具库。刀具库应包括一台数控机床所需要的所有刀具，并能自由配置刀具库中的刀具号，从而能模拟任何一种数控机床的换刀形式及切削加工的要求。
（4）仿真平台。仿真平台包括刀具轨迹仿真、切削力仿真，加工精度仿真、三维动画仿真、加工工时统计分析，仿真平台是虚拟数控机床的核心技术。操作者可以在虚拟的环境中进行机床运动和切削过程等的仿真，从中获得相关的加工数据。如进给轴的位移量、换刀状态、主轴转速、加速度、进给量、加工时间等。通过加工过程的仿真，了解所设计工件的可加工性，验证NC代码的正确性以及评价和优化加工过程，并通过在线修改NC代码来将其优化。
（5）计算平台。计算平台用来完成虚拟数控机床中各种计算，如根据NC代码计算加工零件新的几何形状，根据刀具的材料、运行时间、零件的材料性质和润滑介质的性质计算刀具的补偿量和热补偿量。这些计算结果是虚拟数控机床在应用于虚拟制造过程中的加工方案评价以及可制造性分析所必须的。
（6）设计开发平台。虚拟数控机床的设计平台是一个面向对象的数控软件库及其开发环境。通过对数控软件的标准化、规范化研究和其它CAD／CAM软件的数据交换，并对典型的零件进行封装，设计成具有稳定、通用接口的可重复使用的软件。
（7）操作运行平台和监控平台。在虚拟环境中完全实现真实机床的操作，让使用者完全感受到真实机床的运行特性。在这些基础上的监控硬件和软件，用来控制简易机床．增加虚拟数控机床的真实感．并且可以进行典型零件的实验性试切加工，让使用者有一种身临其尽的感觉。尤其是在数控教学和培训过程中，初学数控编程者需要大量的编程练习，并进行实际调试。用试切法来检验数控加工程序显然不合理，而且也难于实现。如果利用仿真技术，这些问题可以轻松得到解决，从而避免编程时人为出错或工艺不合理造成工件报废。
篇5：数控加工仿真系统原理及其在教学中的应用
虚拟数控机床实际上是虚拟环境中数控机床的模型。与真实机床相比，虚拟数控机床具有以下的功能和特点：
虚拟数控机床具有与真实机床完全相同的结构。虚拟数控机床能模仿真实机床的任何功能而不致因为采用某种近似替代而导致某种结构和信息的失真或丢失，并与真实机床有完全相同的界面风格和对应功能，如动态旋转、缩放、移动等功能的实时交互操作，从而为学员的学习和培训提供保证。
机床操作全过程仿真。仿真机床操作的整个过程：毛坯定义，工件装夹，压板安装，基准对刀，安装刀具，机床手动操作。
丰富多样的刀具库。系统采用数据库统一管理的刀具材料、特性参数库，含数百种不同材料、类型和形状的车刀、铣刀，同时还支持用户自定义刀具及相关特性参数。
全面的碰撞检测。手动、自动加工等模式下的实时碰撞检测，包括刀炳刀具与夹具、压板、刀具，机床行程越界，主轴不转时刀柄刀具与工件等的碰撞。出错时会有报警或提示，从而防止了误操作的发生。
强大的测量功能。可实现基于刀具切削参数零件粗糙度的测量，能够对仿真软件上加工完成后的工件进行完全自动的、智能化的测量。
具有完善的图形和标准数据接口。用户既能在真实的环境中运行虚拟机床，又能观察它的各种运行参数，并能将其他CAD／CAM软件，如UG、Pro/E、Mastercam等产生的三维设计后置处理的NC程序，直接调入加工。
实用灵活的考试系统。可用于远程网络学习、作业、考试等功能，并实现答卷保存、自动评分、成绩查询和分析等功能，轻松实现无纸化的考核与测评。
虚拟数控机床强大的网络功能，可实现远程教育。不仅在局域网上具有双向互动的教学功能，还具有基于互联网进行双向互动的远程教学功能，数据传送可以采用卫星、宽带（ADSL,ISDN,有线CABLE等）或窄带互联网（56K Modem）等方式进行。这使得远程教学成为名副其实，它代表未来教育的发展方向。
4 结束语
鉴于虚拟数控机床具备如此出众的功能，针对目前各院校数控教学课程和参加数控实习学生人数不断增加的现实，以及数控机床精密、昂贵的特点，把数控加工仿真系统软件引入到教学之中，使之用于数控机床编程与操作培训，无疑是个明智之举。这样既可以避免因误操作造成价格昂贵的数控机床的损坏，又可以使操作人员在对仿真数控机床操作过程中产生现场感和真实感。同时由于其成本较低，可以大量地配置终端，彻底解决了数控机床数量不足的难题，使每位学员都能有足够多的实践机会，因此能够让学生更快地熟悉和了解数控加工的工作过程，掌握各种数控机床的操作方法。其更大的好处还在于，在实现了同样培训效果的情况下，将加工出错率及事故发生率降低到了最低程度。
从我院使用后的效果看，数控仿真系统的引入，使学生在学习数控编程理论时，课堂的教学变得更加生动、更加具体，提高学生的学习兴趣，教学效果明显得到提高。在学习实际操作时，由于仿真软件不存在安全问题，这使得学生可以大胆地、独立地进行学习和练习，并能自我检测加工零件几何形状的精度，对学生机床操作能力的培养，起到了极大的提高、加强作用。同时该系统还可以减轻老师的工作强度，减少工件材料和能源的消耗，节约了实践环节的培训成本，效果十分显著。相信不久的将来，它必将成为数控教学中一种不可或缺的重要手段。
参 考 文 献：
1．曾小惠，吴明华，潘铁虹．在线数控加工仿真教学系统的实现，
2．余勤科，岳应娟，刘宏．虚拟数控机床技术及其应用，
3．王晓楠，王仲海．虚拟现实技术及其应用，
4. 袁修干，人机工程计算机仿真
篇6：EH4电磁成像系统在杭州湾地区晚第四纪地层中的应用
EH4电磁成像系统在杭州湾地区晚第四纪地层中的应用
超音频电磁-大地电磁测深法(EH4)具有不受高阻层屏蔽影响、性能稳定、轻巧便携、操作方便、施工简单和成本低廉等优点,非常适合浅层地质勘探.本文以杭州湾南岸新湾地区的EH4电磁勘探测量结果为例,论述了它在晚第四纪地层基底识别、岩性和沉积相划分、储层和天然气层判别等方面的应用结果.研究表明,EH4电磁成像系统获得的新湾地区晚第四纪地层电阻率-深度剖面,能够详细地反映晚第四纪地层基底连续变化情况,新湾地区晚第四纪沉积层基底为一凹凸不平的不整合面,变化极其复杂.不同沉积环境下形成的沉积物类型和粒度均不同,随着沉积物粒度的.减小电阻率亦减小,因而借助电阻率的变化,可以大致划分沉积物及沉积相类型.通过单点电阻率曲线和电阻率-深度剖面图,可以清楚地反映地下介质电阻率变化情况,气层厚度、气层与水层电阻率差值越大,气层在电阻率曲线上的显示越强,反之则越弱.电阻率曲线可以确定砂质透镜体的位置和分布范围,并判断出气层深度和厚度.
作 者：李艳丽 林春明 于建国 陈海云 路天明 漆滨汶 LI Yanli LIN Chunming YU Jianguo CHEN Haiyun LU Tianming QI Binwen 作者单位：李艳丽,林春明,漆滨汶,LI Yanli,LIN Chunming,QI Binwen(成矿作用研究国家重点实验室,南京大学地球科学系,南京,210093)于建国,陈海云,路天明,YU Jianguo,CHEN Haiyun,LU Tianming(胜利油田有限公司物探研究院,山东东营,257062)
刊 名：地质论评 ISTIC PKU英文刊名：GEOLOGICAL REVIEW 年，卷(期)：2007 53(3) 分类号：P5 关键词：EH4电磁成像系统 晚第四纪地层 杭州湾 天然气【数控电位器在磁共振成像系统中的应用】相关文章：
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