瞬时激励的单线圈结构磁致伸缩传感器

顾 杰， 黎穗琼， 徐大诚, 祁 响

(苏州大学 微纳传感技术研究中心，江苏 苏州 215006)

0 引 言

磁致伸缩传感器具有无线无源、灵敏度高，适于在液体原位中进行测量的优点，在生化检测领域有广泛应用前景。例如检测食品中的沙门氏菌、炭疽病毒等[1,2]。磁致伸缩传感器敏感单元的谐振频率对表面吸附的质量极其敏感，通过测量其谐振频率的变化即可实现对免疫吸附的微生物和生物标志物精确、实时测量。传统方法主要通过相关分析仪器来检测该传感器谐振频率[3]，使用分析仪器可以获得较高信噪比和检测精度，但存在价格昂贵、体积较大、不适于现场检测等诸多限制。因此,设计便携式的检测仪器是必要的。

目前，便携式磁致伸缩传感器的检测方法主要有扫频法[4～6]和脉冲激励法[7,8]。应用扫频法的便携式系统通常需要独立的激励电路和响应信号检测电路，电路复杂。基于脉冲激励的检测系统通常采用多线圈检测的结构，线圈结构复杂，且系统大多由信号发生器和上位机构成。更重要的是，现有的便携式磁致伸缩检测系统均没有实现对多个传感器的同时检测。

针对上述问题，本文设计了基于脉冲激励单线圈结构的便携式磁致伸缩传感器检测系统。系统以DSP28335芯片为核心，通过单一线圈实现传感器的激励与检测，简化了检测电路复杂度，响应信号的处理采用线性调频Z变换(chirp Z transform,CZT)算法[9]，有效提高了测量高频谐振频率的检测精度。同时，系统实现了对多个传感器的同时检测。该系统体积小、检测速度快、精度高，是理想的便携式磁致伸缩传感器检测系统。

1 理论基础

磁致伸缩传感器的谐振频率随着传感器表面质量的增加而减小，通过检测其谐振频率的偏移可计算表面吸附质量的变化。传感器表面附着质量Δm与谐振频率变化即偏移量Δf的关系为

(1)

式中f0为传感器未附着质量时的初始谐振频率，M为传感器质量。

磁致伸缩传感器的激励及谐振频率的检测均通过线圈与传感器的磁场耦合进行。磁致伸缩传感器置于螺线圈内，对螺线圈施加脉冲电流，线圈上的电流使得螺线圈内产生磁场，线圈内的传感器在磁场的激励下振动。磁致伸缩传感器本身可等效为一块小磁体，其振动改变了线圈内的磁通量，在线圈中产生感生电动势。线圈上电压幅值的波形反映了传感器振动的幅度。基于此原理，通过采集检测线圈上的电压信号，计算信号的频率，即可得到传感器的谐振频率。

传感器振动波形可描述[7,10]为

(2)

式中t为时间，y(t)为传感器的振动位移，m为传感器质量，c为粘性阻尼系数，k为刚度系数，a等效为磁场对传感器施加恒定的力。

解式(2)可得

(3)

通过式(3)可以看到，传感器的衰减振动波形的频率为ωd，即为分析传感器振动波形计算到的谐振频率。

2 检测系统设计

2.1 线圈设计

目前，基于脉冲激励的便携式检测系统普遍采用图1左半部分所示的多线圈结构[7]，激励信号施加在激励线圈上的同时在检测线圈上检测响应信号。为了消除激励信号在检测线圈中电磁感应，检测线圈一般采用两个反向串联缠绕的线圈，传感器放置在其中一个检测线圈中测量。这种结构需要三个线圈，不仅体积大，且制备复杂，精度难以控制，不宜于微型化与集成化。而本文采用单线圈结构(图1右半部分)，电路则采用分时检测的方法，即电路首先施加激励信号到线圈，使传感器在脉冲磁场下产生振动，当脉冲信号消失时，立刻检测线圈中衰减信号，此衰减信号是由传感器的衰减振动而产生的感应信号，通过处理此信号即可得到传感器的谐振频率。本系统将激励线圈与检测线圈合二为一，极大地降低了检测线圈的复杂程度。更重要的是，线圈结构的简化，有利于减小线圈尺寸，增加线圈与传感器之间的磁场耦合，这对于测量弱信号的小尺寸传感器极为有利。

图1 多线圈与单线圈的比较

2.2 硬件设计

图2为检测电路的整体框图。硬件芯片选用数字信号处理器(digital signal processor,DSP)TMS320F28335芯片。系统主要用到DSP芯片的ePWM模块和采样模块。两个模块分别用于产生方波和采集信号。首先由DSP的ePWM模块产生占空比，频率可调的方波，方波信号通过8550三极管开关电路放大，线圈接在三极管的集电极，加在线圈的方波信号使线圈内产生脉冲磁场，激励传感器振动。当线圈电流消失时，传感器衰减振动，改变了线圈内的磁通量，线圈上产生感生电动势，此电动势通过运放AD8066放大。AD8066的-3 dB带宽达到145 MHz,满足频率在500 kHz左右的信号放大20～30倍的需求。放大之后的信号由DSP的采样模块采集。DSP的采样模块具有12位A/D转换核心，最大采样频率为12.5 MHz，完全能满足精度与采样频率的要求。DSP对采集到的信号进行快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)与CZT算法处理，最终计算得到的谐振频率通过液晶显示器(liquid crystal display,LCD)显示。

图2 检测电路结构框图

3 信号处理与优化方法

通过单线圈从磁致伸缩敏感单元耦合的信号经模/数(analog to digital,A/D)转换输入DSP芯片，在DSP中计算出谐振频率。DSP芯片主要完成三个任务：对激励线圈施加激励信号；采样模块采集线圈上的电压信号；对采集到的信号做信号处理，计算出信号的谐振频率。程序流程如图3所示。

图3 DSP软件流程

DSP采集到线圈上电压信号，通过FFT计算得传感器谐振频率。为提高分辨率采用补零法，点数共为1 024，计算可得频率分辨率Δf=fs/N=2.44 kHz。通过CZT算法提高频率分辨率。

CZT能计算连续频谱X(ejω)在任意一段频率范围(ω1,ω2)内M点均匀取值的离散值。有限长序列x(n)的Z变换为

(4)

在单位圆上等间隔抽样，则

zk=ej(θ0+kφ0 ),k=0，…，M-1

(5)

则频谱X(zk)是x(n)的连续频谱X(ejω)在ω=θ0+kφ0,0≤k≤M-1处的取样值。即对(θ0,θ0+(M-1)φ0)范围内的频谱均匀抽样，频率抽样间隔为φ0。假设设置抽样的频谱范围为(f1,f2),则频率分辨率为(f2-f1)/M。可以先通过FFT计算得信号的谐振频率为f，再对f周围的频谱进行CZT处理。对(f-1000,f+1000)内共2 kHz范围的频谱进行CZT处理，M取值100，则频率分辨率为20 Hz。可见只要设置合理的频率细化范围及细化点数，就能有效地提高频率分辨率。

4 实验与结果分析

4.1 性能测试

传感器敏感单元的材料为Metglas2826非晶体合金材料。测量的传感器尺寸分别为4 mm×0.8 mm×30 μm和5 mm×1 mm×30 μm，两只传感器同时放置在单线圈中进行测量。螺线圈是直径0.12 mm的铜线绕在内径为2 mm，外径为3 mm的塑料管上制成。铜线共绕60匝左右，线圈长度为9 mm。系统实物如图4所示，其中矩形框内为检测系统。

图4 系统实物

上位机使用Code Composer Studio(CCS)软件开发DSP程序，示波器观察检测线圈电压。整个系统的主要工作在DSP中完成。

图5(纵坐标皆为归一化幅值)所示为响应信号的时域与频域图。其中频域图中的2个峰值对应2只传感器的谐振频率，分别为450.138 kHz和552.297 kHz。

图5 响应信号的时域与频域

4.2 单线圈与多线圈检测结果比较

基于所开发系统，分别利用单线圈和多线圈结构对磁致伸缩传感器进行了检测，并对结果进行了比较。3只5 mm传感器分别置于单、多线圈结构中测量，取5次结果算得平均值与标准差，所得结果如表1。

表1 单、多线圈检测结果 Hz

结果表明,通过单线圈结构测量的误差明显低于多线圈的测量误差，这主要是由于单线圈结构中线圈与传感器的磁场耦合更强。可见单线圈的设计不仅极大地简化了线圈的结构，且提高测量精度。

4.3 多传感质量响应测试

传感器表面若附着了物质，则其谐振频率会发生变化。每次在传感器表面滴2 μL质量浓度为1 g/L的多聚赖氨酸溶液，再经干燥处理，持续10次，这样传感器表面附着了20 μL溶液干燥后的物质。实验中在传感器表面分别附着了20，40，60 μL溶液干燥后的物质，分别测量3种情况下传感器的谐振频率。测量结果如图6所示。

图6 2种尺寸传感器谐振频率与表面附着质量的关系

结果表明:传感器表面附着物质后，其谐振频率下降。通过线性拟合传感器谐振频率随质量变化的数据可以得到磁致伸缩传感器的灵敏度。4 mm和5 mm传感器的灵敏度分别为0.384 1 kHz/μg和0.219 8 kHz/μg。因此,本检测系统可以实现对毫米级磁致伸缩传感器的快速检测。在生物检测的应用中，可以在不同传感器上固定不同的生物探针，从而实现在现场、野外对多种生物物质的同时检测。

5 结束语

在充分研究多线圈结构磁致伸缩传感器的基础上，设计了激励检测共用的单线圈结构传感器，并采用DSP芯片实现基于脉冲激励的检测电路。信号频率检测在FFT算法的基础上，增加了CZT算法，提高了检测频率的精确度。对于本文给出的脉冲激励单线圈磁致伸缩传感器，具有结构简单、检测电路易于模块化等优点，可以方便地构成便携式生化检测仪器。