瞬時激勵的單線圈結(jié)構(gòu)磁致伸縮傳感器

顧 杰， 黎穗瓊， 徐大誠, 祁 響

(蘇州大學(xué) 微納傳感技術(shù)研究中心，江蘇 蘇州 215006)

0 引 言

磁致伸縮傳感器具有無線無源、靈敏度高，適于在液體原位中進行測量的優(yōu)點，在生化檢測領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。例如檢測食品中的沙門氏菌、炭疽病毒等[1,2]。磁致伸縮傳感器敏感單元的諧振頻率對表面吸附的質(zhì)量極其敏感，通過測量其諧振頻率的變化即可實現(xiàn)對免疫吸附的微生物和生物標(biāo)志物精確、實時測量。傳統(tǒng)方法主要通過相關(guān)分析儀器來檢測該傳感器諧振頻率[3]，使用分析儀器可以獲得較高信噪比和檢測精度，但存在價格昂貴、體積較大、不適于現(xiàn)場檢測等諸多限制。因此,設(shè)計便攜式的檢測儀器是必要的。

目前，便攜式磁致伸縮傳感器的檢測方法主要有掃頻法[4～6]和脈沖激勵法[7,8]。應(yīng)用掃頻法的便攜式系統(tǒng)通常需要獨立的激勵電路和響應(yīng)信號檢測電路，電路復(fù)雜?；诿}沖激勵的檢測系統(tǒng)通常采用多線圈檢測的結(jié)構(gòu)，線圈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且系統(tǒng)大多由信號發(fā)生器和上位機構(gòu)成。更重要的是，現(xiàn)有的便攜式磁致伸縮檢測系統(tǒng)均沒有實現(xiàn)對多個傳感器的同時檢測。

針對上述問題，本文設(shè)計了基于脈沖激勵單線圈結(jié)構(gòu)的便攜式磁致伸縮傳感器檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)以DSP28335芯片為核心，通過單一線圈實現(xiàn)傳感器的激勵與檢測，簡化了檢測電路復(fù)雜度，響應(yīng)信號的處理采用線性調(diào)頻Z變換(chirp Z transform,CZT)算法[9]，有效提高了測量高頻諧振頻率的檢測精度。同時，系統(tǒng)實現(xiàn)了對多個傳感器的同時檢測。該系統(tǒng)體積小、檢測速度快、精度高，是理想的便攜式磁致伸縮傳感器檢測系統(tǒng)。

1 理論基礎(chǔ)

磁致伸縮傳感器的諧振頻率隨著傳感器表面質(zhì)量的增加而減小，通過檢測其諧振頻率的偏移可計算表面吸附質(zhì)量的變化。傳感器表面附著質(zhì)量Δm與諧振頻率變化即偏移量Δf的關(guān)系為

(1)

式中f0為傳感器未附著質(zhì)量時的初始諧振頻率，M為傳感器質(zhì)量。

磁致伸縮傳感器的激勵及諧振頻率的檢測均通過線圈與傳感器的磁場耦合進行。磁致伸縮傳感器置于螺線圈內(nèi)，對螺線圈施加脈沖電流，線圈上的電流使得螺線圈內(nèi)產(chǎn)生磁場，線圈內(nèi)的傳感器在磁場的激勵下振動。磁致伸縮傳感器本身可等效為一塊小磁體，其振動改變了線圈內(nèi)的磁通量，在線圈中產(chǎn)生感生電動勢。線圈上電壓幅值的波形反映了傳感器振動的幅度?；诖嗽?，通過采集檢測線圈上的電壓信號，計算信號的頻率，即可得到傳感器的諧振頻率。

傳感器振動波形可描述[7,10]為

(2)

式中t為時間，y(t)為傳感器的振動位移，m為傳感器質(zhì)量，c為粘性阻尼系數(shù)，k為剛度系數(shù)，a等效為磁場對傳感器施加恒定的力。

解式(2)可得

(3)

通過式(3)可以看到，傳感器的衰減振動波形的頻率為ωd，即為分析傳感器振動波形計算到的諧振頻率。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 線圈設(shè)計

目前，基于脈沖激勵的便攜式檢測系統(tǒng)普遍采用圖1左半部分所示的多線圈結(jié)構(gòu)[7]，激勵信號施加在激勵線圈上的同時在檢測線圈上檢測響應(yīng)信號。為了消除激勵信號在檢測線圈中電磁感應(yīng)，檢測線圈一般采用兩個反向串聯(lián)纏繞的線圈，傳感器放置在其中一個檢測線圈中測量。這種結(jié)構(gòu)需要三個線圈，不僅體積大，且制備復(fù)雜，精度難以控制，不宜于微型化與集成化。而本文采用單線圈結(jié)構(gòu)(圖1右半部分)，電路則采用分時檢測的方法，即電路首先施加激勵信號到線圈，使傳感器在脈沖磁場下產(chǎn)生振動，當(dāng)脈沖信號消失時，立刻檢測線圈中衰減信號，此衰減信號是由傳感器的衰減振動而產(chǎn)生的感應(yīng)信號，通過處理此信號即可得到傳感器的諧振頻率。本系統(tǒng)將激勵線圈與檢測線圈合二為一，極大地降低了檢測線圈的復(fù)雜程度。更重要的是，線圈結(jié)構(gòu)的簡化，有利于減小線圈尺寸，增加線圈與傳感器之間的磁場耦合，這對于測量弱信號的小尺寸傳感器極為有利。

圖1 多線圈與單線圈的比較

2.2 硬件設(shè)計

圖2為檢測電路的整體框圖。硬件芯片選用數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)TMS320F28335芯片。系統(tǒng)主要用到DSP芯片的ePWM模塊和采樣模塊。兩個模塊分別用于產(chǎn)生方波和采集信號。首先由DSP的ePWM模塊產(chǎn)生占空比，頻率可調(diào)的方波，方波信號通過8550三極管開關(guān)電路放大，線圈接在三極管的集電極，加在線圈的方波信號使線圈內(nèi)產(chǎn)生脈沖磁場，激勵傳感器振動。當(dāng)線圈電流消失時，傳感器衰減振動，改變了線圈內(nèi)的磁通量，線圈上產(chǎn)生感生電動勢，此電動勢通過運放AD8066放大。AD8066的-3 dB帶寬達(dá)到145 MHz,滿足頻率在500 kHz左右的信號放大20～30倍的需求。放大之后的信號由DSP的采樣模塊采集。DSP的采樣模塊具有12位A/D轉(zhuǎn)換核心，最大采樣頻率為12.5 MHz，完全能滿足精度與采樣頻率的要求。DSP對采集到的信號進行快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)與CZT算法處理，最終計算得到的諧振頻率通過液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)顯示。

圖2 檢測電路結(jié)構(gòu)框圖

3 信號處理與優(yōu)化方法

通過單線圈從磁致伸縮敏感單元耦合的信號經(jīng)模/數(shù)(analog to digital,A/D)轉(zhuǎn)換輸入DSP芯片，在DSP中計算出諧振頻率。DSP芯片主要完成三個任務(wù)：對激勵線圈施加激勵信號；采樣模塊采集線圈上的電壓信號；對采集到的信號做信號處理，計算出信號的諧振頻率。程序流程如圖3所示。

圖3 DSP軟件流程

DSP采集到線圈上電壓信號，通過FFT計算得傳感器諧振頻率。為提高分辨率采用補零法，點數(shù)共為1 024，計算可得頻率分辨率Δf=fs/N=2.44 kHz。通過CZT算法提高頻率分辨率。

CZT能計算連續(xù)頻譜X(ejω)在任意一段頻率范圍(ω1,ω2)內(nèi)M點均勻取值的離散值。有限長序列x(n)的Z變換為

(4)

在單位圓上等間隔抽樣，則

zk=ej(θ0+kφ0 ),k=0，…，M-1

(5)

則頻譜X(zk)是x(n)的連續(xù)頻譜X(ejω)在ω=θ0+kφ0,0≤k≤M-1處的取樣值。即對(θ0,θ0+(M-1)φ0)范圍內(nèi)的頻譜均勻抽樣，頻率抽樣間隔為φ0。假設(shè)設(shè)置抽樣的頻譜范圍為(f1,f2),則頻率分辨率為(f2-f1)/M?？梢韵韧ㄟ^FFT計算得信號的諧振頻率為f，再對f周圍的頻譜進行CZT處理。對(f-1000,f+1000)內(nèi)共2 kHz范圍的頻譜進行CZT處理，M取值100，則頻率分辨率為20 Hz?？梢娭灰O(shè)置合理的頻率細(xì)化范圍及細(xì)化點數(shù)，就能有效地提高頻率分辨率。

4 實驗與結(jié)果分析

4.1 性能測試

傳感器敏感單元的材料為Metglas2826非晶體合金材料。測量的傳感器尺寸分別為4 mm×0.8 mm×30 μm和5 mm×1 mm×30 μm，兩只傳感器同時放置在單線圈中進行測量。螺線圈是直徑0.12 mm的銅線繞在內(nèi)徑為2 mm，外徑為3 mm的塑料管上制成。銅線共繞60匝左右，線圈長度為9 mm。系統(tǒng)實物如圖4所示，其中矩形框內(nèi)為檢測系統(tǒng)。

圖4 系統(tǒng)實物

上位機使用Code Composer Studio(CCS)軟件開發(fā)DSP程序，示波器觀察檢測線圈電壓。整個系統(tǒng)的主要工作在DSP中完成。

圖5(縱坐標(biāo)皆為歸一化幅值)所示為響應(yīng)信號的時域與頻域圖。其中頻域圖中的2個峰值對應(yīng)2只傳感器的諧振頻率，分別為450.138 kHz和552.297 kHz。

圖5 響應(yīng)信號的時域與頻域

4.2 單線圈與多線圈檢測結(jié)果比較

基于所開發(fā)系統(tǒng)，分別利用單線圈和多線圈結(jié)構(gòu)對磁致伸縮傳感器進行了檢測，并對結(jié)果進行了比較。3只5 mm傳感器分別置于單、多線圈結(jié)構(gòu)中測量，取5次結(jié)果算得平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，所得結(jié)果如表1。

表1 單、多線圈檢測結(jié)果 Hz

結(jié)果表明,通過單線圈結(jié)構(gòu)測量的誤差明顯低于多線圈的測量誤差，這主要是由于單線圈結(jié)構(gòu)中線圈與傳感器的磁場耦合更強。可見單線圈的設(shè)計不僅極大地簡化了線圈的結(jié)構(gòu)，且提高測量精度。

4.3 多傳感質(zhì)量響應(yīng)測試

傳感器表面若附著了物質(zhì)，則其諧振頻率會發(fā)生變化。每次在傳感器表面滴2 μL質(zhì)量濃度為1 g/L的多聚賴氨酸溶液，再經(jīng)干燥處理，持續(xù)10次，這樣傳感器表面附著了20 μL溶液干燥后的物質(zhì)。實驗中在傳感器表面分別附著了20，40，60 μL溶液干燥后的物質(zhì)，分別測量3種情況下傳感器的諧振頻率。測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 2種尺寸傳感器諧振頻率與表面附著質(zhì)量的關(guān)系

結(jié)果表明:傳感器表面附著物質(zhì)后，其諧振頻率下降。通過線性擬合傳感器諧振頻率隨質(zhì)量變化的數(shù)據(jù)可以得到磁致伸縮傳感器的靈敏度。4 mm和5 mm傳感器的靈敏度分別為0.384 1 kHz/μg和0.219 8 kHz/μg。因此,本檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對毫米級磁致伸縮傳感器的快速檢測。在生物檢測的應(yīng)用中，可以在不同傳感器上固定不同的生物探針，從而實現(xiàn)在現(xiàn)場、野外對多種生物物質(zhì)的同時檢測。

5 結(jié)束語

在充分研究多線圈結(jié)構(gòu)磁致伸縮傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)計了激勵檢測共用的單線圈結(jié)構(gòu)傳感器，并采用DSP芯片實現(xiàn)基于脈沖激勵的檢測電路。信號頻率檢測在FFT算法的基礎(chǔ)上，增加了CZT算法，提高了檢測頻率的精確度。對于本文給出的脈沖激勵單線圈磁致伸縮傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測電路易于模塊化等優(yōu)點，可以方便地構(gòu)成便攜式生化檢測儀器。