談雪丹，尹成科，2，陳 琛，2，馬云善，張亦柯

(1.蘇州同心醫(yī)療器械有限公司，江蘇蘇州215123;2.蘇州大學(xué)人工心臟研究所，江蘇 蘇州215021)

0 引言

由于心臟供體的缺乏，人工心臟已逐漸成為挽救終末期心力衰竭患者的重要手段，降低因等待心臟移植而導(dǎo)致的死亡率［1］。第三代人工心臟由于采用懸浮技術(shù)［2］，不存在軸承磨損問題，具有使用耐久性高、溶血少、血栓發(fā)生率較低［3］等特點，近年來得到了快速發(fā)展。國內(nèi)人工心臟研究也取得了許多進(jìn)展，研制成功了人工心臟樣機(jī)［4］。

渦流位移傳感器裝置是人工心臟的核心部件之一，其檢測靈敏度與線性度直接影響到人工心臟磁懸浮系統(tǒng)的控制精度。因此，準(zhǔn)確進(jìn)行傳感器性能測試，掌握傳感器實際工作特性，對提高人工心臟的可靠性與穩(wěn)定性有著重要意義。

已有的渦流位移傳感器性能測試裝置與方法中，多采用扁平圓盤作為測試靶板，進(jìn)行單一測量方向上傳感器的性能測試［5～8］。對于具有二自由度和多于二自由度的多傳感器結(jié)構(gòu)，上述裝置只能分別針對各方向，多次安裝并測試傳感器。這種操作可能引入安裝上的誤差，降低整個傳感器性能測試的精度。

第三代人工心臟采用了磁懸浮軸承技術(shù)，利用2路差分式渦流傳感器探頭測量轉(zhuǎn)子位置，從而進(jìn)行二自由度位移主動控制。傳感器探頭位于環(huán)形轉(zhuǎn)子的內(nèi)環(huán)中心處，即測試靶板為環(huán)形封閉結(jié)構(gòu)，需進(jìn)行二自由度測量方向的性能測試，為此，本文設(shè)計了一種基于正交坐標(biāo)系的性能測試裝置，可以實現(xiàn)二自由度的渦流位移傳感器精確性能測試。

1 渦流傳感器基本原理

渦流傳感器主要包括傳感器線圈、前置器和被測金屬導(dǎo)體組成，利用電磁感應(yīng)原理與渦流效應(yīng)原理進(jìn)行探測傳感器與導(dǎo)體之間的間隙。如圖1所示，由前置器產(chǎn)生的高頻電流激勵探頭端部的傳感器線圈時，會在線圈中產(chǎn)生磁場Φ1。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)金屬導(dǎo)體在Φ1的有效范圍內(nèi)運動時，導(dǎo)體會產(chǎn)生渦流，渦流將產(chǎn)生一個阻礙原磁場Φ1變化的渦流磁場Φ2，從而使得傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生改變。線圈阻抗的變化與金屬導(dǎo)體的電阻率、導(dǎo)磁率、厚度以及線圈與金屬導(dǎo)體的間隙等參數(shù)有關(guān)。因此，若保持其余參數(shù)恒定，線圈與導(dǎo)體間的間隙變化量僅與線圈阻抗的變化量有關(guān)，從而將位移量轉(zhuǎn)換成可測量的電信號。

圖1 渦流傳感器原理Fig 1 Principle of eddy current sensor

2 人工心臟傳感器結(jié)構(gòu)與工作機(jī)理

人工心臟差分式渦流位移傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 人工心臟傳感器結(jié)構(gòu)Fig 2 Sensor structure of artificial heart

圖2中，4只渦流傳感器均是由漆包線繞制而成的扁平圓線圈，固定在不導(dǎo)電的非磁性材料骨架上，構(gòu)成傳感器探頭并固定于定子上。在盤狀轉(zhuǎn)子的徑向面建立正交坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)中心點為坐標(biāo)原點，則4只傳感器線圈分別位于x，y兩軸正負(fù)4個方向上，且同一自由度的2只傳感器串聯(lián)。由于采用磁懸浮技術(shù)，無需機(jī)械軸承，轉(zhuǎn)子可采用中空環(huán)形結(jié)構(gòu)。傳感器探頭位于環(huán)形轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)中心處，當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于定子發(fā)生位移時，傳感器線圈與轉(zhuǎn)子的相對間隙也隨之發(fā)生變化，從而引起傳感器線圈阻抗的變化。

以人工心臟徑向x軸為例，其傳感器等效電路如圖3所示。

圖3 差分式傳感器等效電路圖Fig 3 Equivalent circuit of differential sensors

當(dāng)轉(zhuǎn)子靠近線圈1時，同時也遠(yuǎn)離位于同軸相反方向的線圈2。根據(jù)渦流效應(yīng)可知，此時線圈1的等效阻抗Z1實部增大，虛部減小，線圈2的等效阻抗Z2變化剛好相反。傳感器線圈阻抗變化引起圖中A點電壓V的變化，即實現(xiàn)位移—阻抗—電壓的變換。V變化值再經(jīng)過放大、檢波、濾波調(diào)整后，用來控制該方向的位移。

人工心臟渦流位移傳感器采用差分結(jié)構(gòu)，可以抵消傳感線圈的非線性影響，同時有助于消除由于電源電壓、頻率和環(huán)境溫度變化引起的傳感器自身誤差，提高了磁懸浮系統(tǒng)的性能。

3 傳感器性能測試裝置

如圖4所示，性能測試裝置主要由可調(diào)節(jié)支架、微位移機(jī)構(gòu)、千分尺手輪及FRA 5097阻抗分析儀組成。轉(zhuǎn)子夾持在固定的性能測試裝置的臺架上，待測試的差分式渦流位移傳感器探頭安裝在微位移機(jī)構(gòu)上。裝置設(shè)有2個相互正交的千分尺手輪，分別表征坐標(biāo)系的x軸與y軸。

性能測試時，首先對被夾持的轉(zhuǎn)子進(jìn)行調(diào)整，使得傳感器探頭位于轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)適當(dāng)位置。然后保持轉(zhuǎn)子不動，緩慢轉(zhuǎn)動千分尺手輪，帶動傳感器探頭產(chǎn)生徑向(x軸、y軸)的微小位移，渦流傳感器阻抗也隨之變化，位移量大小與阻抗變化量分別由手輪上的刻度與阻抗分析儀讀出。

圖4 渦流傳感器性能測試裝置Fig 4 Performance testing device of eddy current sensor

4 性能測試與結(jié)果分析

人工心臟對轉(zhuǎn)子進(jìn)行二自由度位移控制，每個自由度的傳感器探頭測量范圍設(shè)計值均為±0.5 mm。對2個自由度分別進(jìn)行傳感器性能測試:首先將傳感器探頭調(diào)至某自由度的負(fù)端，此時，該自由度的2個傳感器阻抗差值最大，而另一自由度阻抗差值最小;然后每個自由度均按正反2個行程，每隔0.05 mm移動一次傳感器探頭，測量并記錄該自由度的傳感器阻抗數(shù)據(jù)。

將實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法線擬合處理，獲得傳感器靈敏度與線性度。以一組x軸正反行程的實驗數(shù)據(jù)為例，2個傳感器線圈歸一化阻抗與位移量數(shù)據(jù)如圖5(a)，(b)所示，從圖5中可以看出:當(dāng)傳感器探頭與轉(zhuǎn)子相對間隙發(fā)生變化時，處于同一自由度相反方向的2個線圈阻抗變化趨勢是相反的。

首先計算單行程的差分渦流傳感器阻抗變化量，然后利用正反行程的阻抗變化均值與轉(zhuǎn)子位移量進(jìn)行線性擬合，得到轉(zhuǎn)子位移量Δx與差分渦流位移傳感器的阻抗變化量Δz的輸入—輸出特性。傳感器探頭測量范圍設(shè)計值為±0.5 mm，然而實際工作中，轉(zhuǎn)子發(fā)生±0.5 mm的位移時磁懸浮已經(jīng)失效，因此，考察±0.25 mm內(nèi)的傳感器靈敏度與線性度即可，見式(1)，其擬合直線如圖6所示。

圖5 x軸渦流傳感器阻抗數(shù)據(jù)Fig 5 Impedance data of x-axis eddy current sensor

圖6 差分渦流傳感器位移—阻抗特性Fig 6 Displacement-impedance property of differential eddy current sensor

圖6中，該方向差分渦流傳感器在±0.25mm內(nèi)的靈敏度為1.3142Ω/mm，性能良好，可以滿足人工心臟磁懸浮系統(tǒng)的控制精度要求。對比圖5與圖6，可以看出:該自由度差分特性的線性度明顯優(yōu)于單個傳感器線圈的檢測線性度，經(jīng)計算該差分傳感器在±0.25 mm內(nèi)的線性度［8］為0.49%，阻抗變化與位移量基本呈線性關(guān)系，可以用于探測磁懸浮轉(zhuǎn)子的位置。

5 結(jié)論

本文根據(jù)人工心臟磁懸浮技術(shù)特點，針對現(xiàn)有渦流傳感器性能測試裝置的不足，研制開發(fā)了一種正交坐標(biāo)系的測試裝置，完成了差分式位移渦流傳感器二自由度的精確測試，為進(jìn)一步提高人工心臟磁懸浮控制性能提供了可靠依據(jù)。

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