便携式磁弹性传感器检测系统设计*

唐 詠， 廖彦剑， 罗洪艳， 苏添进， 李 川， 刘 鑫

(重庆大学 生物工程学院,重庆 400044)

便携式磁弹性传感器检测系统设计*

唐 詠， 廖彦剑， 罗洪艳， 苏添进， 李 川， 刘 鑫

(重庆大学 生物工程学院,重庆 400044)

通过对磁弹性传感器检测原理和研究现状分析，设计了一种便携式磁弹性传感器检测系统。采用永磁铁提供静态偏置磁场简化了硬件电路，以STM32嵌入式处理器为控制核心，结合锂电池供电，实现了系统硬件的小型化和低功耗；设计采用了SD卡本地存储和低功耗蓝牙无线传输的数据处理方式，并结合上位机进行命令的控制和数据传输。实验表明，检测系统可使磁弹性传感器在不同环境中完成共振频率的测量，另外，设计系统功耗可低至mW级并且在无线传输条件下实现3天以上的连续工作，而且这部分指标仍然有较大的优化空间。由此可见，该系统具有便携式、低功耗、可用于长期监测等优点，可以更好地发挥磁弹性传感器无线、无源、微型化、高灵敏的特点，使其在各领域内得到更广泛的应用。

磁弹性传感器； 共振频率； STM32； 无线通信； 便携式

0 引 言

磁弹性传感器是采用磁弹性敏感材非晶合金带材，如1K101、Metglas2628作为敏感元件，基于磁致伸缩效应而设计成一种新型传感器[1]。在外加磁场作用下，传感器由于磁致伸缩效应而发生周期性振动，该共振频率或共振幅值会随周围环境变化而发生改变，利用该原理可实现质量负载、温度、粘度等物理量的测量[2]。该传感器具有无线无源、体积小、成本低、高灵敏度的优点使其在物理[3]、生化[4]、生物医学[5]等领域得到广泛研究，比如抗生素蛋白[6]，鼠伤寒沙门氏菌[7]，凝血时间检测[8]等实验研究。

但就磁弹性传感器检测系统发展而言，传统的检测系统多是由实验室大型仪器组合搭建而成，形成组合式磁弹性传感器检测系统，例如赫姆霍兹线圈和锁相放大器[9]等，虽然这类组合式检测系统构建简单、精度高，但是存在仪器价格昂贵、操作复杂、体积庞大和无法便携使用等诸多缺陷。尽管近年来借助集成电路设计集成式的磁弹性传感器检测系统[10]，弥补了组合式检测系统的一些不足，但是仍存在功耗高、便携性差等缺点。

针对上述问题，本文提出一种便携式磁弹性传感器检测系统的设计。设计采用永磁铁提供静态偏置磁场简化了硬件电路；采用SMT32嵌入式处理器进行控制系统设计并采用电池供电，实现了系统硬件的小型化和低功耗；同时，设计采用了SD卡本地存储和低功耗蓝牙无线传输的数据处理方式，具有便携性好、操作方便、精度可靠等优点。

1 磁弹性传感器检测原理及系统设计

铁基非晶合金薄膜也是磁弹性传感器的核心，通过测量检测线圈上感生电动势的变化就可以实现对传感器共振特性检测。从对磁弹性传感器的共振模型的分析可以看到，关于传感器共振频率的基波或本征频率f0可以表示为

(1)

式中 E为杨氏模量，ρ为密度，σ为材料泊松比，而传感器的密度与整体的质量有明显关系，根据密度质量转换关系可得传感器负载变化与传感器共振频率偏移的关系如下

(2)

以阻抗检测法为例，当传感器受到交流信号激励时，由于磁致伸缩效应发生振动，达到共振频率点时，其振动的幅度最大，通过检测线圈检测的峰峰值也达到最大。图1给出了一种基于单片机的检测系统的原理框图[11]，这是一种典型的集成化检测系统设计，指标能够满足常规的磁弹性传感器检测要求。系统采用PIC单片机作为控制核心，同时利用RS—232串口完成与PC间的数据传输。硬件系统由直流偏置单元、交流激励单元、阻抗幅值和相位检测单元、线圈以及传感器等组成，通过检测线圈的阻抗信息实现对传感器共振信息的检测。

图1 基于单片机的检测系统硬件框图

总体来说，磁弹性传感器检测装置方面有了较大的改善，性能显著提升。但在包括便携性、功耗和工作模式等方面仍然有很大的改善空间，以便携性为例，不提组合式检测设备，现有集成式检测系统也存在串口通信、电源适配器、外接显示器等有线设备都增加磁弹性传感器检测系统的体积和功耗，限制了磁弹性传感器的应用。

针对现有集成式检测设备的优化设计，本文也提出了一类新的便携式磁弹性传感器检测系统的设计思路和具体方案。包括：1)优化结构设计，提高系统便携性，除去不必要的功能模块。2)选择合适的电源管理方案，尽可能选择便携性好、功耗低的电源供电方案；3)选择合适的微控制器，提供检测系统的控制性能；4)选择合适的激励方案，对于现阶段集成式检测系统，功耗最高的两个功能模块就是交流激励和直流偏置，选择合适的直流偏置设计方案是降低功耗的重要保障；5)选择合适的通信方式提高系统的便携性和工作模式的扩展性，比如利用蓝牙无线数据传输和SD卡数据存储。另外，系统的软件设计和优化，包括微控制器编程和上位机软件等也是整体系统实现的重要工作。

2 系统设计和实现

2.1 微控制器与电源管理

微控制器是系统的控制核心，不仅完成对系统功能电路的控制、数据的采集，还完成系统的低功耗休眠与唤醒。所以在选择控制器时，需要考虑系统的功耗，休眠与唤醒状态，功能引脚，时钟频率等。综合分析，本设计选用了意法半导体公司推出STM32F103ZET6控制芯片；该芯片是专门为嵌入式设计的控制型处理器，具有高性能、低成本、低功耗等特点。

实现便携式设备的长期性和便携性，一般采用电池供电方式，本系统电源包括±5，+3.3 V 3组电源。系统采用TP4056作为锂电池充电芯片，然后利用两个肖特基二极管实现5V适配器与电池共同供电。系统电源的升压电路则采用升压芯片AP1609实现5 V电源的输出，并利用TI公司推出的LM2662电荷泵实现-5 V的输出，最后利用TPS73601低压差线性稳压器实现微控制器所需的3.3 V电压。通过以上电源管理可以既可以实现适配器供电，又可以利用锂电池供电，提高了系统的便携性设计和实用性。

2.2 激励与检测单元

激励信号包括交流激励和直流偏置，而直流偏置目前多采用直流电流源或直流电压源供电，这样不但大幅增加检测系统的功耗，还增加了系统体积。这里利用永磁体或永磁片提供偏置磁场，两片永磁铁同轴间距170 mm放置，利用高斯计可测得1.1 mT左右磁场。这种方式不但能降低系统本身的整体功耗，而且能够减小检测系统的体积。交流激励是检测系统的重要组成部分，根据不同的检测对象，所需的交流激励大小有所不同，故本单元设计包括三个部分(见图2(a))：首先利用DDS芯片AD9850产生可编程的正弦波信号；然后利用由TI公司的DAC7811与低偏置电压运放OPA1662构成程控增益电路调节信号幅值，可实现最大增益范围为±40 dB，单位增益带宽高达300 kHz。经过后级放大之后，便可输出可程控的交流电压信号。检测功能模块的核心是有效值转换芯片，根据正弦波信号幅值与有效值线性相关的原理，可以利用有效值转换芯片，实现对磁弹性传感器的共振幅值检测。如图2(b)所示，系统采用LTC1968实现功能并输出幅值对应的有效值信号。

图2 激励与检测单元设计原理简图

2.3 无线通信单元

在数据传输环节，设计采用无线蓝牙的通信方式代替串口通信同时利用SD卡实现将采集的数据本地存储。系统采用深圳市四海盛电科技有限公司的SH-HC-06蓝牙模块。该模块遵循V2.0蓝牙通信规范，传输通信速率可达2.1 MHz，模块具有低成本、低功耗、体积小等特点。

如图3所示，模块提供4个外部接口，利用3.3 V电源供电，利用串口接收和发送与微处理器的STM32的串口相连接。完成与上位机软件的数据传输。

图3 蓝牙通信示意图

2.4 上位机单元

磁弹性共振特性检测上位机软件采用了Qt作为应用程序的开发框架。其主要分为5个部分：波形显示、测试结果、系统配置、通信控制以及数据存取。系统工作实物及软件运行结果如图4所示。

图4 工作软件图与工作实物图

3 实验结果与分析

3.1 不同介质测试实验

实验选用铁基非晶合金带材(国标1K101)制作尺寸为20 mm×4 mm×28 μm的传感器进行测试实验，将传感器放入长度为40 mm，直径为5 mm小试管中，将小试管放入检测线圈中进行测量，通过相同的激励参数完成传感器在空气、蒸馏水和30%甘油溶液中重复测试实验，其中，测试液体的容量为0.7 mL。测试结果如图5所示，实验结果表明，本装置能够通过磁弹性传感器检测不同介质中的共振频率响应信号，随着传感器周围环境的阻尼增加，传感器的响应信号会随之减小，其实验结果符合理论预期。

图5 不同介质的频率响应曲线

3.2 系统长期监测实验

首先,将20 mm×4 mm×28 μm的传感器放入小试管中，向小试管内加入0.7 mL的自来水；检测系统扫频范围为102～120 kHz，低功耗休眠时间为1 h。然后，系统连续工作4天，选取前100 h进行处理分析，处理结果如图6所示，由图可知，传感器在30 h以前腐蚀的速度较快，而在30 h以后，由于产生局部氧化膜，腐蚀速度将缓慢下来，而在76 h之后，传感器的共振频率保持不变，由此可知，此时传感器表面已经覆盖一层稳定的氧化膜而导致质量负载不再变化，从而测出的传感器频率几乎不再改变。

图6 传感器共振频率与腐蚀时间关系图

通过同步进行的腐蚀过程的显微镜观察也验证了这个结论，同时，整个系统在6 000 mA锂电池供电条件及蓝牙无线数据传输模式下完成了整个测试过程。

4 结束语

本文实现了以STM32为核心的便携式磁弹性传感器检测系统，系统采用锂电池供电，利用双永磁体片提供直流偏置和蓝牙无线通信实现数据传输。系统检测分辨率可达1 Hz，且能在不同介质中实现传感器共振频率检测，同时，通过传感器的腐蚀实验验证了系统具有可长期观察和检测的功能。由此可知，该检测系统具有良好的集成度、较高的频率检测精度、便携性良好且能实现在不同环境下的长期检测等特性，本文提供了一种磁弹性传感器检测系统产品研究的设计方案。

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唐 詠(1990-), 男，硕士研究生，主要研究方向为嵌入式系统及便携式检测设备。

廖彦剑，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

重庆市重点产业共性关键技术创新专项项目(CSTC2015ZDXY—ZTZXX0002)；重庆市研究生科研创新资助项目(CYS15038)

TP 212.3

A

1000—9787(2017)04—0084—03