基于巨磁阻传感器的低电导率物质检测系统设计

姜 凯，雷华明，赵 辉

（上海交通大学 仪器系，上海 200240）

生物组织阻抗特性与其病理特征有着紧密联系，可以通过研究生物组织的阻抗率变化来间接研究其医学病理特征的变化。但由于生物组织电导率相对较低，肌肉组织电导率在0.3~0.4 S/m范围内，骨组织电导率在0.08~0.2 S/m范围内[1-2]。因此，低电导率物质检测方法一直是生物医学研究领域的研究热点。

现今研究较为成熟的低电导率物质的检测方法主要有如下几种：基于电涡流效应的磁感应成像技术（MIT）[3]，基于电极激励电场效应的电阻抗成像技术（EIT）[4]。由于电涡流检测是一种无接触无损伤的测量方法，相对而言基于电涡流效应的电阻抗检测方法在生物组织医学检测方面有着宽广的发展前景。

巨磁阻传感器是基于金属多层膜电子自旋相关散射效应而设计的新型磁敏传感器[5]。相比其他磁敏传感器件以及传统的电涡流检测线圈，它具有较高的灵敏度、非常宽广的测量范围，测量稳定性良好的优点，在工业自动化领域有广泛应用[6]。本文介绍了一种结合巨磁阻传感器与电涡流效应的低电导率物质检测方法，并利用该方法设计的非接触式低电导率测量系统针对不同电导率的盐溶液进行了检测实验，相对于以往的线圈式检测方法提高了针对低电导率物质的非接触式检测的检测分辨力，达到了良好的实验效果。

1 巨磁阻传感器检测原理

基于巨磁阻传感器设计的电导率检测方法是基于电涡流效应设计的检测方法。而传统的电涡流检测方法多采用线圈结构，而双线圈结构又相对较为常见。上海交大王成龙提出了串联反向三线圈结构利用pcb技术制作的串联三线圈对不同材料进行测量到达了较好的检测效果[7]，但线圈检测多用于工业级检测，对低电导率物质的检测灵敏度较低，较难达到良好的检测效果。相比于传统检测方法以线圈阻抗变化值为检测对象来说，而巨磁阻传感器检测的是电磁场的强度变化，具有更高的灵敏度。

图1 巨磁阻检测原理图Fig.1 GMR magnetic detection principle diagram

巨磁阻传感器检测的基本原理如图1所示，激励线圈在正弦的激励电流I的作用下，线圈所在空间将产生一定大小的激励磁场分布H，由毕奥沙伐拉普拉斯尔定理可以得出对应距离线圈底面中心h处a点的磁场强度为:

其中，N为线圈匝数，μ0为磁导率，r为线圈半径。

当该位置放置待测物时，由于涡流效应，待测物在变化的磁场H激励下，待测物表面将产生同频的电涡流场，而电涡流密度为

其中δ为待测物电导率，A为矢量磁位。

涡流场也可看成是多个环形线圈，由式（1）可知，涡流场在a位置处也会产生一定的感应磁场ΔB，而J与I成正比，因此可得：

但ΔB的方向与激励磁场的方向相反，这使得a 点的磁场强度变化为B0-ΔB。如果利用巨磁阻传感器的磁敏感特性，检测磁场的变化值ΔB，便可实现对待测物质的电导率进行测量。

2 检测系统

基于巨磁阻传感器的低电导率物质检测系统由传感检测探头、信号处理电路、信号显示储存模块3个部分组成。信号激励电路产生对应的正弦激励信号后，送往传感器单元，利用传感器单元中的线圈在探测空间中产生一定大小的电磁场，传感器模块中的GMR传感器检测到空间的磁场信号后，讲送往信号处理电路，经过信号放大、滤波等相关处理后，利用数据采集卡和Labview上位机对信号进行实时采集显示。该系统结构图如图2所示。

图2 系统结构图Fig.2 Structure diagram of the system

2.1 传感检测探头结构

传感检测探头为一体化设计结构，实现系统磁场信号激励与磁场信号检测两项功能。作为系统的核心部件，其设计对系统检测具有决定性作用。本系统设计的传感检测探头由以下三部分组成，激励线圈、巨磁阻传感器，探头防提离结构。

2.1.1 激励线圈

线圈参数是通过COMSOL电磁仿真分析计算而得，线圈的制作是采用传统线圈的制作工艺，将漆包线在圆形塑料线圈骨架上绕制而成。在绕制过程中需保证漆包线紧密贴合，无绕制间隙，同时，线圈匝数，线圈内外径必须严格控制，以控制产生的激励磁场大小不超过巨磁阻传感器的工作范围。线圈具体参数如表1所示。

表1 激励线圈尺寸参数Tab.1 The dimension parameter of the Inducing coil

2.1.2 巨磁阻传感器

巨磁阻传感器选用的是NVE公司生产的AA03系列巨磁阻传感器。该传感器内部为惠斯通电桥结构，双路模拟线性输出，功耗低，工作频率可达1 MHz，最低可检测2 oe的磁场，饱和磁场强度为20 oe，SOIC8封装，具有宽广的线性工作范围和较高的检测灵敏度。

为了达到最佳的检测效果，针对涡流检测的特点优化设计了传感器放置位置。根据电涡流原理知，圆形线圈在待测物表面产生的环形涡流场，在环形中心位置交变涡流场产生的交变磁场强度最大，相应在该位置处对圆形线圈产生的激励磁场削弱作用也越强。因此，探头将传感器设置于线圈的中心位置。相比其他位置而言，传感器在该位置能够探测出较强的涡流变化，进而能对更低电导率的待测物进行检测。

2.1.3 探头防提离结构

提离效应是指在电涡流检测过程中，电涡流的大小随着变化电磁场源与导体之间距离改变而变化的现象。在检测溶液的电导率时，为了获得准确的信号输出，提高信号测量的重复性，必须固定探头与待测物之间的距离，抑制提离效应的产生。因此，探头设置了防提离结构，将激励线圈和巨磁阻传感器置于结构中心包裹起来，再将其浸入溶液测量。该装置由外壳压件，和外壳底座两部分组成，压件与底座通过螺纹结合，将激励线圈和巨磁阻传感器压入两者之间的空隙，营造了一个封闭的检测环境，而底座底面厚度即为探头与待测物的固定检测距离。该设计既可以保护激励线圈和传感器，以免其受外界污染，又可以控制探头与待测物之间的固定距离不变，防止因提离效应产生的测量信号变化，提高了探测信号的稳定性。防提离结构如图3所示。

图3 防提离结构示意图Fig.3 Diagram of protection model

2.2 信号处理电路

信号处理电路部分是系统的核心部分，该部分为检测系统提供磁场发生源正弦激励信号，同时将采集到的磁场信号进行放大滤波等相关处理，为后续信号的存储显示做好信号的前期准备。根据信号处理的功能来区分，信号处理电路分为两大模块，信号激励模块，信号检测模块。信号处理电路的结构图如图4所示。

图4 信号处理电路结构框图Fig.4 Structure diagram of the signal process circuit

信号激励模块由信号发生、幅值放大和功率放大三部分组成。信号发生部分是由ADI公司的AD9850—DDS可编程数字函数发生器搭建，该芯片通过三线SPI端口与PIC单片机进行实时通信，在单片机控制下产生固定频率和相位正弦信号，频率调节精度达0.029 Hz，相位调节精度达11.25°。将生成的正弦信号接入椭圆带通滤波器，滤除噪声干扰，随后再接入比例放大电路，提高信号幅值，DDS正弦发生电路如图5所示。由于产生的正弦信号带负载能力较弱，不能直接接入激励线圈，需进行功率放大，因此，之后接入甲乙类功率放大电路[8]对信号进行功率放大提高信号带负载能力。

图5 DDS正弦信号发生电路Fig.5 DDSsinusoidal signal generator circuit

信号检测模块由差分放大和带通滤波两部分组成。由于巨磁阻传感是电桥式差分输出，为了获取有效的磁场信号，芯片输出端需接入利用集成运放搭建的差分放大电路进行差分放大处理。经差分放大之后，信号接入二阶带通滤波电路滤除信号噪声。最后信号接入NI PCI6251数据采集卡，通过设计的Labview上位机对信号进行数字信号处理并实时显示。

2.3 LabVIEW信号处理模块

NI PCI 6251数据采集卡是NI公司一款16路模拟多通道输入，16位分辨率，最大采样频率1.25 M/s的高速数据采集卡。基于该采集卡对信号处理电路获取的磁场信号进行数字采集，并在LabVIEW环境下对数字信号进行处理并显示。设计的LabVIEW信号处理模块主要分为数据DAQ采集模块，数据带通滤波模块，数据峰值检波模块，数据存储模块，程序结构图6所示。

3 实验结果及验证

不同浓度的NaCl溶液拥有对应不同大小的电导率，因此验证系统对不同电导率物质的测量情况，可以通过对不同浓度NaCl溶液的测量来灵敏度来验证。为了验证系统对低电导率的检测效果，作者设计了针对不同浓度溶液的检测实验，实验装置结构如图7所示。

图6 Labview信号采集模块程序结构图Fig.6 The Labview signal acquire model

图7 实验装置结构图Fig.7 Structure diagram of experiment

为了保证实验的稳定性，实验过程中对激励信号的频率控制在200kHz、幅值、电流强度都通过 tektronic TDS 2012C示波器和惠普34401A高精度万用表进行实时监测，改变的只有探头的探测溶液环境，从而保证了外界对系统的影响只来自探测溶液。溶液配制通过DENVER INSTRUMENT电子天平控制NaCl质量，溶液电导率是利用杭州齐威仪器公司生产的DDBJ-350电极式电导率仪来进行标定，针对不同浓度NaCl一共进行了8组实验，每组实验对待测溶液进行重复8次测量，剔除测得数据的最大值和最小值，取剩下6次数据的平均值，将测量结果绘制成曲线观察系统测量的线性测量情况，检测实验结果如表2和图8所示。

表2 不同电导率溶液测量实验结果Tab.2 Different conductivity solution detection result

图8 200kHz激励电流条件下不同电导率电涡流情况Fig.8 Different conductivity detection result by 200 kHz inducing current

图8 中实线是巨磁阻传感器输出电压幅值大小变化量的数据拟合曲线，虚线是线性拟合曲线，拟合方程为：

Y=0.013 6x+0.010 6

其中x代表电导率大小，Y代表巨磁阻输出电压幅值大小变化量，最大偏差值为0.009 3 s/m，偏差较小。总的来说，系统在检测不同电导率溶液时，能够实现线性的测量，这与与巨磁阻电涡流检测原理相相一致，证实了涡流磁场与待测物质的电导率大小正相关的理论，而且在通过实验测量到最低的电导率溶液达到了0.128 s/m，相比三线圈检测的方法最低能测到0.5 s/m的NaCl溶液[9]检测能力获得了提升。

4 结 论

本文提出了一种基于巨磁阻传感器低电导率物质的测量方法，对巨磁阻电涡流检测探头结构设计进行了详细介绍，通过对NaCl盐溶液电导率测量实验证实了巨磁阻在低电导率物质测量方面的应用可行性，而且该基于巨磁阻传感器的测量方法对不同电导率溶液检测具有相当高的灵敏度，能对0.128 s/m的NaCl盐溶液进行实时检测，揭示了巨磁阻传感器在生物医学领域的研究前景。

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