便攜式磁彈性傳感器檢測系統(tǒng)設計*

唐 詠， 廖彥劍， 羅洪艷， 蘇添進， 李 川， 劉 鑫

(重慶大學 生物工程學院,重慶 400044)

便攜式磁彈性傳感器檢測系統(tǒng)設計*

唐 詠， 廖彥劍， 羅洪艷， 蘇添進， 李 川， 劉 鑫

(重慶大學 生物工程學院,重慶 400044)

通過對磁彈性傳感器檢測原理和研究現(xiàn)狀分析，設計了一種便攜式磁彈性傳感器檢測系統(tǒng)。采用永磁鐵提供靜態(tài)偏置磁場簡化了硬件電路，以STM32嵌入式處理器為控制核心，結(jié)合鋰電池供電，實現(xiàn)了系統(tǒng)硬件的小型化和低功耗；設計采用了SD卡本地存儲和低功耗藍牙無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)處理方式，并結(jié)合上位機進行命令的控制和數(shù)據(jù)傳輸。實驗表明，檢測系統(tǒng)可使磁彈性傳感器在不同環(huán)境中完成共振頻率的測量，另外，設計系統(tǒng)功耗可低至mW級并且在無線傳輸條件下實現(xiàn)3天以上的連續(xù)工作，而且這部分指標仍然有較大的優(yōu)化空間。由此可見，該系統(tǒng)具有便攜式、低功耗、可用于長期監(jiān)測等優(yōu)點，可以更好地發(fā)揮磁彈性傳感器無線、無源、微型化、高靈敏的特點，使其在各領域內(nèi)得到更廣泛的應用。

磁彈性傳感器； 共振頻率； STM32； 無線通信； 便攜式

0 引 言

磁彈性傳感器是采用磁彈性敏感材非晶合金帶材，如1K101、Metglas2628作為敏感元件，基于磁致伸縮效應而設計成一種新型傳感器[1]。在外加磁場作用下，傳感器由于磁致伸縮效應而發(fā)生周期性振動，該共振頻率或共振幅值會隨周圍環(huán)境變化而發(fā)生改變，利用該原理可實現(xiàn)質(zhì)量負載、溫度、粘度等物理量的測量[2]。該傳感器具有無線無源、體積小、成本低、高靈敏度的優(yōu)點使其在物理[3]、生化[4]、生物醫(yī)學[5]等領域得到廣泛研究，比如抗生素蛋白[6]，鼠傷寒沙門氏菌[7]，凝血時間檢測[8]等實驗研究。

但就磁彈性傳感器檢測系統(tǒng)發(fā)展而言，傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)多是由實驗室大型儀器組合搭建而成，形成組合式磁彈性傳感器檢測系統(tǒng)，例如赫姆霍茲線圈和鎖相放大器[9]等，雖然這類組合式檢測系統(tǒng)構(gòu)建簡單、精度高，但是存在儀器價格昂貴、操作復雜、體積龐大和無法便攜使用等諸多缺陷。盡管近年來借助集成電路設計集成式的磁彈性傳感器檢測系統(tǒng)[10]，彌補了組合式檢測系統(tǒng)的一些不足，但是仍存在功耗高、便攜性差等缺點。

針對上述問題，本文提出一種便攜式磁彈性傳感器檢測系統(tǒng)的設計。設計采用永磁鐵提供靜態(tài)偏置磁場簡化了硬件電路；采用SMT32嵌入式處理器進行控制系統(tǒng)設計并采用電池供電，實現(xiàn)了系統(tǒng)硬件的小型化和低功耗；同時，設計采用了SD卡本地存儲和低功耗藍牙無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)處理方式，具有便攜性好、操作方便、精度可靠等優(yōu)點。

1 磁彈性傳感器檢測原理及系統(tǒng)設計

鐵基非晶合金薄膜也是磁彈性傳感器的核心，通過測量檢測線圈上感生電動勢的變化就可以實現(xiàn)對傳感器共振特性檢測。從對磁彈性傳感器的共振模型的分析可以看到，關(guān)于傳感器共振頻率的基波或本征頻率f0可以表示為

(1)

式中 E為楊氏模量，ρ為密度，σ為材料泊松比，而傳感器的密度與整體的質(zhì)量有明顯關(guān)系，根據(jù)密度質(zhì)量轉(zhuǎn)換關(guān)系可得傳感器負載變化與傳感器共振頻率偏移的關(guān)系如下

(2)

以阻抗檢測法為例，當傳感器受到交流信號激勵時，由于磁致伸縮效應發(fā)生振動，達到共振頻率點時，其振動的幅度最大，通過檢測線圈檢測的峰峰值也達到最大。圖1給出了一種基于單片機的檢測系統(tǒng)的原理框圖[11]，這是一種典型的集成化檢測系統(tǒng)設計，指標能夠滿足常規(guī)的磁彈性傳感器檢測要求。系統(tǒng)采用PIC單片機作為控制核心，同時利用RS—232串口完成與PC間的數(shù)據(jù)傳輸。硬件系統(tǒng)由直流偏置單元、交流激勵單元、阻抗幅值和相位檢測單元、線圈以及傳感器等組成，通過檢測線圈的阻抗信息實現(xiàn)對傳感器共振信息的檢測。

圖1 基于單片機的檢測系統(tǒng)硬件框圖

總體來說，磁彈性傳感器檢測裝置方面有了較大的改善，性能顯著提升。但在包括便攜性、功耗和工作模式等方面仍然有很大的改善空間，以便攜性為例，不提組合式檢測設備，現(xiàn)有集成式檢測系統(tǒng)也存在串口通信、電源適配器、外接顯示器等有線設備都增加磁彈性傳感器檢測系統(tǒng)的體積和功耗，限制了磁彈性傳感器的應用。

針對現(xiàn)有集成式檢測設備的優(yōu)化設計，本文也提出了一類新的便攜式磁彈性傳感器檢測系統(tǒng)的設計思路和具體方案。包括：1)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計，提高系統(tǒng)便攜性，除去不必要的功能模塊。2)選擇合適的電源管理方案，盡可能選擇便攜性好、功耗低的電源供電方案；3)選擇合適的微控制器，提供檢測系統(tǒng)的控制性能；4)選擇合適的激勵方案，對于現(xiàn)階段集成式檢測系統(tǒng)，功耗最高的兩個功能模塊就是交流激勵和直流偏置，選擇合適的直流偏置設計方案是降低功耗的重要保障；5)選擇合適的通信方式提高系統(tǒng)的便攜性和工作模式的擴展性，比如利用藍牙無線數(shù)據(jù)傳輸和SD卡數(shù)據(jù)存儲。另外，系統(tǒng)的軟件設計和優(yōu)化，包括微控制器編程和上位機軟件等也是整體系統(tǒng)實現(xiàn)的重要工作。

2 系統(tǒng)設計和實現(xiàn)

2.1 微控制器與電源管理

微控制器是系統(tǒng)的控制核心，不僅完成對系統(tǒng)功能電路的控制、數(shù)據(jù)的采集，還完成系統(tǒng)的低功耗休眠與喚醒。所以在選擇控制器時，需要考慮系統(tǒng)的功耗，休眠與喚醒狀態(tài)，功能引腳，時鐘頻率等。綜合分析，本設計選用了意法半導體公司推出STM32F103ZET6控制芯片；該芯片是專門為嵌入式設計的控制型處理器，具有高性能、低成本、低功耗等特點。

實現(xiàn)便攜式設備的長期性和便攜性，一般采用電池供電方式，本系統(tǒng)電源包括±5，+3.3 V 3組電源。系統(tǒng)采用TP4056作為鋰電池充電芯片，然后利用兩個肖特基二極管實現(xiàn)5V適配器與電池共同供電。系統(tǒng)電源的升壓電路則采用升壓芯片AP1609實現(xiàn)5 V電源的輸出，并利用TI公司推出的LM2662電荷泵實現(xiàn)-5 V的輸出，最后利用TPS73601低壓差線性穩(wěn)壓器實現(xiàn)微控制器所需的3.3 V電壓。通過以上電源管理可以既可以實現(xiàn)適配器供電，又可以利用鋰電池供電，提高了系統(tǒng)的便攜性設計和實用性。

2.2 激勵與檢測單元

激勵信號包括交流激勵和直流偏置，而直流偏置目前多采用直流電流源或直流電壓源供電，這樣不但大幅增加檢測系統(tǒng)的功耗，還增加了系統(tǒng)體積。這里利用永磁體或永磁片提供偏置磁場，兩片永磁鐵同軸間距170 mm放置，利用高斯計可測得1.1 mT左右磁場。這種方式不但能降低系統(tǒng)本身的整體功耗，而且能夠減小檢測系統(tǒng)的體積。交流激勵是檢測系統(tǒng)的重要組成部分，根據(jù)不同的檢測對象，所需的交流激勵大小有所不同，故本單元設計包括三個部分(見圖2(a))：首先利用DDS芯片AD9850產(chǎn)生可編程的正弦波信號；然后利用由TI公司的DAC7811與低偏置電壓運放OPA1662構(gòu)成程控增益電路調(diào)節(jié)信號幅值，可實現(xiàn)最大增益范圍為±40 dB，單位增益帶寬高達300 kHz。經(jīng)過后級放大之后，便可輸出可程控的交流電壓信號。檢測功能模塊的核心是有效值轉(zhuǎn)換芯片，根據(jù)正弦波信號幅值與有效值線性相關(guān)的原理，可以利用有效值轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)對磁彈性傳感器的共振幅值檢測。如圖2(b)所示，系統(tǒng)采用LTC1968實現(xiàn)功能并輸出幅值對應的有效值信號。

圖2 激勵與檢測單元設計原理簡圖

2.3 無線通信單元

在數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，設計采用無線藍牙的通信方式代替串口通信同時利用SD卡實現(xiàn)將采集的數(shù)據(jù)本地存儲。系統(tǒng)采用深圳市四海盛電科技有限公司的SH-HC-06藍牙模塊。該模塊遵循V2.0藍牙通信規(guī)范，傳輸通信速率可達2.1 MHz，模塊具有低成本、低功耗、體積小等特點。

如圖3所示，模塊提供4個外部接口，利用3.3 V電源供電，利用串口接收和發(fā)送與微處理器的STM32的串口相連接。完成與上位機軟件的數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 藍牙通信示意圖

2.4 上位機單元

磁彈性共振特性檢測上位機軟件采用了Qt作為應用程序的開發(fā)框架。其主要分為5個部分：波形顯示、測試結(jié)果、系統(tǒng)配置、通信控制以及數(shù)據(jù)存取。系統(tǒng)工作實物及軟件運行結(jié)果如圖4所示。

圖4 工作軟件圖與工作實物圖

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 不同介質(zhì)測試實驗

實驗選用鐵基非晶合金帶材(國標1K101)制作尺寸為20 mm×4 mm×28 μm的傳感器進行測試實驗，將傳感器放入長度為40 mm，直徑為5 mm小試管中，將小試管放入檢測線圈中進行測量，通過相同的激勵參數(shù)完成傳感器在空氣、蒸餾水和30%甘油溶液中重復測試實驗，其中，測試液體的容量為0.7 mL。測試結(jié)果如圖5所示，實驗結(jié)果表明，本裝置能夠通過磁彈性傳感器檢測不同介質(zhì)中的共振頻率響應信號，隨著傳感器周圍環(huán)境的阻尼增加，傳感器的響應信號會隨之減小，其實驗結(jié)果符合理論預期。

圖5 不同介質(zhì)的頻率響應曲線

3.2 系統(tǒng)長期監(jiān)測實驗

首先,將20 mm×4 mm×28 μm的傳感器放入小試管中，向小試管內(nèi)加入0.7 mL的自來水；檢測系統(tǒng)掃頻范圍為102～120 kHz，低功耗休眠時間為1 h。然后，系統(tǒng)連續(xù)工作4天，選取前100 h進行處理分析，處理結(jié)果如圖6所示，由圖可知，傳感器在30 h以前腐蝕的速度較快，而在30 h以后，由于產(chǎn)生局部氧化膜，腐蝕速度將緩慢下來，而在76 h之后，傳感器的共振頻率保持不變，由此可知，此時傳感器表面已經(jīng)覆蓋一層穩(wěn)定的氧化膜而導致質(zhì)量負載不再變化，從而測出的傳感器頻率幾乎不再改變。

圖6 傳感器共振頻率與腐蝕時間關(guān)系圖

通過同步進行的腐蝕過程的顯微鏡觀察也驗證了這個結(jié)論，同時，整個系統(tǒng)在6 000 mA鋰電池供電條件及藍牙無線數(shù)據(jù)傳輸模式下完成了整個測試過程。

4 結(jié)束語

本文實現(xiàn)了以STM32為核心的便攜式磁彈性傳感器檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用鋰電池供電，利用雙永磁體片提供直流偏置和藍牙無線通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)檢測分辨率可達1 Hz，且能在不同介質(zhì)中實現(xiàn)傳感器共振頻率檢測，同時，通過傳感器的腐蝕實驗驗證了系統(tǒng)具有可長期觀察和檢測的功能。由此可知，該檢測系統(tǒng)具有良好的集成度、較高的頻率檢測精度、便攜性良好且能實現(xiàn)在不同環(huán)境下的長期檢測等特性，本文提供了一種磁彈性傳感器檢測系統(tǒng)產(chǎn)品研究的設計方案。

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唐 詠(1990-), 男，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)及便攜式檢測設備。

廖彥劍，通信作者，E-mail：azurelyj@163.com。

Design of portable detection system for magnetoelastic sensor*

TANG Yong, LIAO Yan-jian, LUO Hong-yan, SU Tian-jin, LI Chuan, LIU Xin

(College of Bioengineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China)

Through analysis on detecting principle and current situation of magnetoelastic(ME)sensor,design a portable detection system for ME sensor.Design of the hardware circuit uses permanent magnet to provide a static bias field,with STM32 as the control core, and uses lithium battery for power supply,realize miniaturization and low power consumption of system hardware.Meanwhile,the design uses SD card local storage and low power bluetooth wireless transmission of data.And combines the control command and data transmission of the host computer.The experimental results indicate that this detecting system can achieve measurement of resonant frequency in different medium,in addition,power consumption of design system can be as low as mW level and in wireless transmission conditions,more than 3 days of continuous work can be achieved,and this part of indicators still have a larger optimization space.Thus,the system has advantages such as portable,low power consumption,can be used for long-term monitoring,it can play a better characteristics of passive,miniaturization,high sensitivity magnetoelastic sensor wireless,make it get more extensive application in various fields.

magnetoelastic sensor; resonance frequency; STM32; wireless communication; portable

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0084—03

2016—04—18

重慶市重點產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專項項目(CSTC2015ZDXY—ZTZXX0002)；重慶市研究生科研創(chuàng)新資助項目(CYS15038)

TP 212.3

A

1000—9787(2017)04—0084—03