磁致伸縮傳感器具有無(wú)線(xiàn)無(wú)源、靈敏度高，適于在液體原位中進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，在生化檢測(cè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。例如檢測(cè)食品中的沙門(mén)氏菌、炭疽病毒等。磁致伸縮傳感器敏感單元的諧振頻率對(duì)表面吸附的質(zhì)量極其敏感，通過(guò)測(cè)量其諧振頻率的變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)免疫吸附的微生物和生物標(biāo)志物精確、實(shí)時(shí)測(cè)量。傳統(tǒng)方法主要通過(guò)相關(guān)分析儀器來(lái)檢測(cè)該傳感器諧振頻率，使用分析儀器可以獲得較高信噪比和檢測(cè)精度，但存在價(jià)格昂貴、體積較大、不適于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等諸多限制。因此，設(shè)計(jì)便攜式的檢測(cè)儀器是必要的。
目前，便攜式磁致伸縮傳感器的檢測(cè)方法主要有掃頻法和脈沖激勵(lì)法。應(yīng)用掃頻法的便攜式系統(tǒng)通常需要獨(dú)立的激勵(lì)電路和響應(yīng)信號(hào)檢測(cè)電路，電路復(fù)雜。基于脈沖激勵(lì)的檢測(cè)系統(tǒng)通常采用多線(xiàn)圈檢測(cè)的結(jié)構(gòu)，線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且系統(tǒng)大多由信號(hào)發(fā)生器和上位機(jī)構(gòu)成。更重要的是，現(xiàn)有的便攜式磁致伸縮檢測(cè)系統(tǒng)均沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)傳感器的同時(shí)檢測(cè)。
針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于脈沖激勵(lì)單線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的便攜式磁致伸縮傳感器檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)以 DSP28335 芯片為核心，通過(guò)單一線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)傳感器的激勵(lì)與檢測(cè)，簡(jiǎn)化
了檢測(cè)電路復(fù)雜度，響應(yīng)信號(hào)的處理采用線(xiàn)性調(diào)頻Z變換( chirp Z transform，CZT)算法，有效提高了測(cè)量高頻諧振頻率的檢測(cè)精度。同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)傳感器的同時(shí)檢測(cè)。該系統(tǒng)體積小、檢測(cè)速度快、精度高，是理想的便攜式磁致伸縮傳感器檢測(cè)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(guò)檢測(cè)其諧振頻率的偏移可計(jì)算表面吸附質(zhì)量的變化。
磁致伸縮傳感器的激勵(lì)及諧振頻率的檢測(cè)均通過(guò)線(xiàn)圈與傳感器的磁場(chǎng)耦合進(jìn)行。磁致伸縮傳感器置于螺線(xiàn)圈內(nèi)，對(duì)螺線(xiàn)圈施加脈沖電流，線(xiàn)圈上的電流使得螺線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，線(xiàn)圈內(nèi)的傳感器在磁場(chǎng)的激勵(lì)下振動(dòng)。磁致伸縮傳感器本身可等效為一塊小磁體，其振動(dòng)改變了線(xiàn)圈內(nèi)的磁通量，在線(xiàn)圈中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。線(xiàn)圈上電壓幅值的波形反映了傳感器振動(dòng)的幅度?；诖嗽?，通過(guò)采集檢測(cè)線(xiàn)圈上的電壓信號(hào)，計(jì)算信號(hào)的頻率，即可得到傳感器的諧振頻率。
2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2. 1 線(xiàn)圈設(shè)計(jì)
目前，基于脈沖激勵(lì)的便攜式檢測(cè)系統(tǒng)普遍采用圖 1左半部分所示的多線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，激勵(lì)信號(hào)施加在激勵(lì)線(xiàn)圈上的同時(shí)在檢測(cè)線(xiàn)圈上檢測(cè)響應(yīng)信號(hào)。為了消除激勵(lì)信號(hào)在檢測(cè)線(xiàn)圈中電磁感應(yīng)，檢測(cè)線(xiàn)圈一般采用兩個(gè)反向串聯(lián)纏繞的線(xiàn)圈，傳感器放置在其中一個(gè)檢測(cè)線(xiàn)圈中測(cè)量。這種結(jié)構(gòu)需要三個(gè)線(xiàn)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(xiàn)圈結(jié)構(gòu)(圖 1 右半部分)，電路則采用分時(shí)檢測(cè)的方法，即電路首先施加激勵(lì)信號(hào)到線(xiàn)圈，使傳感器在脈沖磁場(chǎng)下產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)脈沖信號(hào)消失時(shí)，立刻檢測(cè)線(xiàn)圈中衰減信號(hào)，此衰減信號(hào)是由傳感器的衰減振動(dòng)而產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)，通過(guò)處理此信號(hào)即可得到傳感器的諧振頻率。本系統(tǒng)將激勵(lì)線(xiàn)圈與檢測(cè)線(xiàn)圈合二為一，極大地降低了檢測(cè)線(xiàn)圈的復(fù)雜程度。更重要的是，線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，有利于減小線(xiàn)圈尺寸，增加線(xiàn)圈與傳感器之間的磁場(chǎng)耦合，這對(duì)于測(cè)量弱信號(hào)的小尺寸傳感器極為有利。
2. 2 硬件設(shè)計(jì)
硬件芯片選用數(shù)字信號(hào)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(gè)模塊分別用于產(chǎn)生方波和采集信號(hào)。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(hào)通過(guò) 8550 三極管開(kāi)關(guān)電路放大，線(xiàn)圈接在三極管的集電極，加在線(xiàn)圈的方波信號(hào)使線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，激勵(lì)傳感器振動(dòng)。當(dāng)線(xiàn)圈電流消失時(shí)，傳感器衰減振動(dòng)，改變了線(xiàn)圈內(nèi)的磁通量，線(xiàn)圈上產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)通過(guò)運(yùn)放 AD8066 放大。 AD8066 的 － 3 dB 帶寬達(dá)到 145 MHz，滿(mǎn)足頻率在 500 kHz左右的信號(hào)放大 20 ～ 30 倍的需求。放大之后的信號(hào)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，采樣頻率為 12． 5 MHz，能滿(mǎn)足精度與采樣頻率的要求。DSP 對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換( fast Fourier transform，F(xiàn)FT)與 CZT 算法處理，最終計(jì)算得到的諧振頻率通過(guò)液晶顯示器( liquid crystal display，LCD)顯示。
3 信號(hào)處理與優(yōu)化方法
通過(guò)單線(xiàn)圈從磁致伸縮敏感單元耦合的信號(hào)經(jīng)模/數(shù)( analog to digital，A /D)轉(zhuǎn)換輸入 DSP 芯片，在 DSP 中計(jì)算出諧振頻率。DSP 芯片主要完成三個(gè)任務(wù):對(duì)激勵(lì)線(xiàn)圈施加激勵(lì)信號(hào);采樣模塊采集線(xiàn)圈上的電壓信號(hào);對(duì)采集到的信號(hào)做信號(hào)處理，計(jì)算出信號(hào)的諧振頻率。
4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
4. 1 性能測(cè)試
傳感器敏感單元的材料為 Metglas2826 非晶體合金材料。測(cè)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(shí)放置在單線(xiàn)圈中進(jìn)行測(cè)量。螺線(xiàn)圈是直徑 0． 12 mm 的銅線(xiàn)繞在內(nèi)徑為 2 mm，外徑為 3 mm 的塑料管上制成。銅線(xiàn)共繞 60 匝左右，線(xiàn)圈長(zhǎng)度為 9 mm。
上位機(jī)使用 Code Composer Studio(CCS)軟件開(kāi)發(fā)程序，示波器觀察檢測(cè)線(xiàn)圈電壓。整個(gè)系統(tǒng)的主要工作在DSP中完成。
4. 2 單線(xiàn)圈與多線(xiàn)圈檢測(cè)結(jié)果比較
基于所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，分別利用單線(xiàn)圈和多線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)對(duì)磁致伸縮傳感器進(jìn)行了檢測(cè)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較。3 只5 mm傳感器分別置于單、多線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)中測(cè)量，取 5 次結(jié)果算得平均值與標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果表明，通過(guò)單線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)測(cè)量的誤差明顯低于多線(xiàn)圈的測(cè)量誤差，這主要是由于單線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)中線(xiàn)圈與傳感器的磁場(chǎng)耦合更強(qiáng)?？梢?jiàn)單線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)不僅極大地簡(jiǎn)化了線(xiàn)圈的結(jié)構(gòu)，且提高測(cè)量精度。
4. 3 多傳感質(zhì)量響應(yīng)測(cè)試
傳感器表面若附著了物質(zhì)，則其諧振頻率會(huì)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(lài)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(shí)驗(yàn)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(cè)量 3 種情況下傳感器的諧振頻率。
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(guò)線(xiàn)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(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)毫米級(jí)磁致伸縮傳感器的快速檢測(cè)。在生物檢測(cè)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(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)、野外對(duì)多種生物物質(zhì)的同時(shí)檢測(cè)。
5 結(jié)束語(yǔ)
在充分研究多線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)磁致伸縮傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了激勵(lì)檢測(cè)共用的單線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)傳感器，并采用 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)基于脈沖激勵(lì)的檢測(cè)電路。信號(hào)頻率檢測(cè)在 FFT 算法的基礎(chǔ)上，增加了 CZT 算法，提高了檢測(cè)頻率的精確度。對(duì)于本文給出的脈沖激勵(lì)單線(xiàn)圈磁致伸縮傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)電路易于模塊化等優(yōu)點(diǎn)，可以方便地構(gòu)成便攜式生化檢測(cè)儀器。
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