唐 詠， 廖彥劍， 羅洪艷， 蘇添進(jìn)， 李 川， 劉 鑫

(重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院,重慶 400044)

便攜式磁彈性傳感器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

唐 詠， 廖彥劍， 羅洪艷， 蘇添進(jìn)， 李 川， 劉 鑫

(重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院,重慶 400044)

通過(guò)對(duì)磁彈性傳感器檢測(cè)原理和研究現(xiàn)狀分析，設(shè)計(jì)了一種便攜式磁彈性傳感器檢測(cè)系統(tǒng)。采用永磁鐵提供靜態(tài)偏置磁場(chǎng)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)硬件的小型化和低功耗；設(shè)計(jì)采用了SD卡本地存儲(chǔ)和低功耗藍(lán)牙無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)處理方式，并結(jié)合上位機(jī)進(jìn)行命令的控制和數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)表明，檢測(cè)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(cè)量，另外，設(shè)計(jì)系統(tǒng)功耗可低至mW級(jí)并且在無(wú)線傳輸條件下實(shí)現(xiàn)3天以上的連續(xù)工作，而且這部分指標(biāo)仍然有較大的優(yōu)化空間。由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)具有便攜式、低功耗、可用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，可以更好地發(fā)揮磁彈性傳感器無(wú)線、無(wú)源、微型化、高靈敏的特點(diǎn)，使其在各領(lǐng)域內(nèi)得到更廣泛的應(yīng)用。

磁彈性傳感器； 共振頻率； STM32； 無(wú)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(yīng)而設(shè)計(jì)成一種新型傳感器[1]。在外加磁場(chǎng)作用下，傳感器由于磁致伸縮效應(yīng)而發(fā)生周期性振動(dòng)，該共振頻率或共振幅值會(huì)隨周?chē)h(huán)境變化而發(fā)生改變，利用該原理可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量負(fù)載、溫度、粘度等物理量的測(cè)量[2]。該傳感器具有無(wú)線無(wú)源、體積小、成本低、高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)使其在物理[3]、生化[4]、生物醫(yī)學(xué)[5]等領(lǐng)域得到廣泛研究，比如抗生素蛋白[6]，鼠傷寒沙門(mén)氏菌[7]，凝血時(shí)間檢測(cè)[8]等實(shí)驗(yàn)研究。

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

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種便攜式磁彈性傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)采用永磁鐵提供靜態(tài)偏置磁場(chǎng)簡(jiǎn)化了硬件電路；采用SMT32嵌入式處理器進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并采用電池供電，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)硬件的小型化和低功耗；同時(shí)，設(shè)計(jì)采用了SD卡本地存儲(chǔ)和低功耗藍(lán)牙無(wú)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(diǎn)。

1 磁彈性傳感器檢測(cè)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐵基非晶合金薄膜也是磁彈性傳感器的核心，通過(guò)測(cè)量檢測(cè)線圈上感生電動(dòng)勢(shì)的變化就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器共振特性檢測(cè)。從對(duì)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(fù)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(cè)法為例，當(dāng)傳感器受到交流信號(hào)激勵(lì)時(shí)，由于磁致伸縮效應(yīng)發(fā)生振動(dòng)，達(dá)到共振頻率點(diǎn)時(shí)，其振動(dòng)的幅度最大，通過(guò)檢測(cè)線圈檢測(cè)的峰峰值也達(dá)到最大。圖1給出了一種基于單片機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)的原理框圖[11]，這是一種典型的集成化檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，指標(biāo)能夠滿足常規(guī)的磁彈性傳感器檢測(cè)要求。系統(tǒng)采用PIC單片機(jī)作為控制核心，同時(shí)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(lì)單元、阻抗幅值和相位檢測(cè)單元、線圈以及傳感器等組成，通過(guò)檢測(cè)線圈的阻抗信息實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器共振信息的檢測(cè)。

圖1 基于單片機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)硬件框圖

總體來(lái)說(shuō)，磁彈性傳感器檢測(cè)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(cè)設(shè)備，現(xiàn)有集成式檢測(cè)系統(tǒng)也存在串口通信、電源適配器、外接顯示器等有線設(shè)備都增加磁彈性傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的體積和功耗，限制了磁彈性傳感器的應(yīng)用。

針對(duì)現(xiàn)有集成式檢測(cè)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文也提出了一類(lèi)新的便攜式磁彈性傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和具體方案。包括：1)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(cè)系統(tǒng)的控制性能；4)選擇合適的激勵(lì)方案，對(duì)于現(xiàn)階段集成式檢測(cè)系統(tǒng)，功耗最高的兩個(gè)功能模塊就是交流激勵(lì)和直流偏置，選擇合適的直流偏置設(shè)計(jì)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(kuò)展性，比如利用藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。另外，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和優(yōu)化，包括微控制器編程和上位機(jī)軟件等也是整體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要工作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)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(duì)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(shí)，需要考慮系統(tǒng)的功耗，休眠與喚醒狀態(tài)，功能引腳，時(shí)鐘頻率等。綜合分析，本設(shè)計(jì)選用了意法半導(dǎo)體公司推出STM32F103ZET6控制芯片；該芯片是專(zhuān)門(mén)為嵌入式設(shè)計(jì)的控制型處理器，具有高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)便攜式設(shè)備的長(zhǎng)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(gè)肖特基二極管實(shí)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(shí)現(xiàn)5 V電源的輸出，并利用TI公司推出的LM2662電荷泵實(shí)現(xiàn)-5 V的輸出，最后利用TPS73601低壓差線性穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)微控制器所需的3.3 V電壓。通過(guò)以上電源管理可以既可以實(shí)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(shè)計(jì)和實(shí)用性。

2.2 激勵(lì)與檢測(cè)單元

激勵(lì)信號(hào)包括交流激勵(lì)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(cè)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(chǎng)，兩片永磁鐵同軸間距170 mm放置，利用高斯計(jì)可測(cè)得1.1 mT左右磁場(chǎng)。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(cè)系統(tǒng)的體積。交流激勵(lì)是檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，根據(jù)不同的檢測(cè)對(duì)象，所需的交流激勵(lì)大小有所不同，故本單元設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分(見(jiàn)圖2(a))：首先利用DDS芯片AD9850產(chǎn)生可編程的正弦波信號(hào)；然后利用由TI公司的DAC7811與低偏置電壓運(yùn)放OPA1662構(gòu)成程控增益電路調(diào)節(jié)信號(hào)幅值，可實(shí)現(xiàn)最大增益范圍為±40 dB，單位增益帶寬高達(dá)300 kHz。經(jīng)過(guò)后級(jí)放大之后，便可輸出可程控的交流電壓信號(hào)。檢測(cè)功能模塊的核心是有效值轉(zhuǎn)換芯片，根據(jù)正弦波信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)磁彈性傳感器的共振幅值檢測(cè)。如圖2(b)所示，系統(tǒng)采用LTC1968實(shí)現(xiàn)功能并輸出幅值對(duì)應(yīng)的有效值信號(hào)。

圖2 激勵(lì)與檢測(cè)單元設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)圖

2.3 無(wú)線通信單元

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

如圖3所示，模塊提供4個(gè)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(jī)軟件的數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 藍(lán)牙通信示意圖

2.4 上位機(jī)單元

磁彈性共振特性檢測(cè)上位機(jī)軟件采用了Qt作為應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)框架。其主要分為5個(gè)部分：波形顯示、測(cè)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(shí)物及軟件運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

圖4 工作軟件圖與工作實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同介質(zhì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用鐵基非晶合金帶材(國(guó)標(biāo)1K101)制作尺寸為20 mm×4 mm×28 μm的傳感器進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，將傳感器放入長(zhǎng)度為40 mm，直徑為5 mm小試管中，將小試管放入檢測(cè)線圈中進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)相同的激勵(lì)參數(shù)完成傳感器在空氣、蒸餾水和30%甘油溶液中重復(fù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，其中，測(cè)試液體的容量為0.7 mL。測(cè)試結(jié)果如圖5所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本裝置能夠通過(guò)磁彈性傳感器檢測(cè)不同介質(zhì)中的共振頻率響應(yīng)信號(hào)，隨著傳感器周?chē)h(huán)境的阻尼增加，傳感器的響應(yīng)信號(hào)會(huì)隨之減小，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合理論預(yù)期。

圖5 不同介質(zhì)的頻率響應(yīng)曲線

3.2 系統(tǒng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

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(lái)水；檢測(cè)系統(tǒng)掃頻范圍為102～120 kHz，低功耗休眠時(shí)間為1 h。然后，系統(tǒng)連續(xù)工作4天，選取前100 h進(jìn)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(lái)，而在76 h之后，傳感器的共振頻率保持不變，由此可知，此時(shí)傳感器表面已經(jīng)覆蓋一層穩(wěn)定的氧化膜而導(dǎo)致質(zhì)量負(fù)載不再變化，從而測(cè)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(shí)間關(guān)系圖

通過(guò)同步進(jìn)行的腐蝕過(guò)程的顯微鏡觀察也驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)論，同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)在6 000 mA鋰電池供電條件及藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模式下完成了整個(gè)測(cè)試過(guò)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了以STM32為核心的便攜式磁彈性傳感器檢測(cè)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(lán)牙無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)檢測(cè)分辨率可達(dá)1 Hz，且能在不同介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)傳感器共振頻率檢測(cè)，同時(shí)，通過(guò)傳感器的腐蝕實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)具有可長(zhǎng)期觀察和檢測(cè)的功能。由此可知，該檢測(cè)系統(tǒng)具有良好的集成度、較高的頻率檢測(cè)精度、便攜性良好且能實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境下的長(zhǎng)期檢測(cè)等特性，本文提供了一種磁彈性傳感器檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品研究的設(shè)計(jì)方案。

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唐 詠(1990-), 男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)及便攜式檢測(cè)設(shè)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(diǎn)產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(CSTC2015ZDXY—ZTZXX0002)；重慶市研究生科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目(CYS15038)

TP 212.3

A

1000—9787(2017)04—0084—03