基于巨磁阻傳感器的低電導率物質檢測系統設計

姜 凱，雷華明，趙 輝

（上海交通大學 儀器系，上海 200240）

生物組織阻抗特性與其病理特征有著緊密聯系，可以通過研究生物組織的阻抗率變化來間接研究其醫學病理特征的變化。但由于生物組織電導率相對較低，肌肉組織電導率在0.3~0.4 S/m范圍內，骨組織電導率在0.08~0.2 S/m范圍內[1-2]。因此，低電導率物質檢測方法一直是生物醫學研究領域的研究熱點。

現今研究較為成熟的低電導率物質的檢測方法主要有如下幾種：基于電渦流效應的磁感應成像技術（MIT）[3]，基于電極激勵電場效應的電阻抗成像技術（EIT）[4]。由于電渦流檢測是一種無接觸無損傷的測量方法，相對而言基于電渦流效應的電阻抗檢測方法在生物組織醫學檢測方面有著寬廣的發展前景。

巨磁阻傳感器是基于金屬多層膜電子自旋相關散射效應而設計的新型磁敏傳感器[5]。相比其他磁敏傳感器件以及傳統的電渦流檢測線圈，它具有較高的靈敏度、非常寬廣的測量范圍，測量穩定性良好的優點，在工業自動化領域有廣泛應用[6]。本文介紹了一種結合巨磁阻傳感器與電渦流效應的低電導率物質檢測方法，并利用該方法設計的非接觸式低電導率測量系統針對不同電導率的鹽溶液進行了檢測實驗，相對于以往的線圈式檢測方法提高了針對低電導率物質的非接觸式檢測的檢測分辨力，達到了良好的實驗效果。

1 巨磁阻傳感器檢測原理

基于巨磁阻傳感器設計的電導率檢測方法是基于電渦流效應設計的檢測方法。而傳統的電渦流檢測方法多采用線圈結構，而雙線圈結構又相對較為常見。上海交大王成龍提出了串聯反向三線圈結構利用pcb技術制作的串聯三線圈對不同材料進行測量到達了較好的檢測效果[7]，但線圈檢測多用于工業級檢測，對低電導率物質的檢測靈敏度較低，較難達到良好的檢測效果。相比于傳統檢測方法以線圈阻抗變化值為檢測對象來說，而巨磁阻傳感器檢測的是電磁場的強度變化，具有更高的靈敏度。

圖1 巨磁阻檢測原理圖Fig.1 GMR magnetic detection principle diagram

巨磁阻傳感器檢測的基本原理如圖1所示，激勵線圈在正弦的激勵電流I的作用下，線圈所在空間將產生一定大小的激勵磁場分布H，由畢奧沙伐拉普拉斯爾定理可以得出對應距離線圈底面中心h處a點的磁場強度為:

其中，N為線圈匝數，μ0為磁導率，r為線圈半徑。

當該位置放置待測物時，由于渦流效應，待測物在變化的磁場H激勵下，待測物表面將產生同頻的電渦流場，而電渦流密度為

其中δ為待測物電導率，A為矢量磁位。

渦流場也可看成是多個環形線圈，由式（1）可知，渦流場在a位置處也會產生一定的感應磁場ΔB，而J與I成正比，因此可得：

但ΔB的方向與激勵磁場的方向相反，這使得a 點的磁場強度變化為B0-ΔB。如果利用巨磁阻傳感器的磁敏感特性，檢測磁場的變化值ΔB，便可實現對待測物質的電導率進行測量。

2 檢測系統

基于巨磁阻傳感器的低電導率物質檢測系統由傳感檢測探頭、信號處理電路、信號顯示儲存模塊3個部分組成。信號激勵電路產生對應的正弦激勵信號后，送往傳感器單元，利用傳感器單元中的線圈在探測空間中產生一定大小的電磁場，傳感器模塊中的GMR傳感器檢測到空間的磁場信號后，講送往信號處理電路，經過信號放大、濾波等相關處理后，利用數據采集卡和Labview上位機對信號進行實時采集顯示。該系統結構圖如圖2所示。

圖2 系統結構圖Fig.2 Structure diagram of the system

2.1 傳感檢測探頭結構

傳感檢測探頭為一體化設計結構，實現系統磁場信號激勵與磁場信號檢測兩項功能。作為系統的核心部件，其設計對系統檢測具有決定性作用。本系統設計的傳感檢測探頭由以下三部分組成，激勵線圈、巨磁阻傳感器，探頭防提離結構。

2.1.1 激勵線圈

線圈參數是通過COMSOL電磁仿真分析計算而得，線圈的制作是采用傳統線圈的制作工藝，將漆包線在圓形塑料線圈骨架上繞制而成。在繞制過程中需保證漆包線緊密貼合，無繞制間隙，同時，線圈匝數，線圈內外徑必須嚴格控制，以控制產生的激勵磁場大小不超過巨磁阻傳感器的工作范圍。線圈具體參數如表1所示。

表1 激勵線圈尺寸參數Tab.1 The dimension parameter of the Inducing coil

2.1.2 巨磁阻傳感器

巨磁阻傳感器選用的是NVE公司生產的AA03系列巨磁阻傳感器。該傳感器內部為惠斯通電橋結構，雙路模擬線性輸出，功耗低，工作頻率可達1 MHz，最低可檢測2 oe的磁場，飽和磁場強度為20 oe，SOIC8封裝，具有寬廣的線性工作范圍和較高的檢測靈敏度。

為了達到最佳的檢測效果，針對渦流檢測的特點優化設計了傳感器放置位置。根據電渦流原理知，圓形線圈在待測物表面產生的環形渦流場，在環形中心位置交變渦流場產生的交變磁場強度最大，相應在該位置處對圓形線圈產生的激勵磁場削弱作用也越強。因此，探頭將傳感器設置于線圈的中心位置。相比其他位置而言，傳感器在該位置能夠探測出較強的渦流變化，進而能對更低電導率的待測物進行檢測。

2.1.3 探頭防提離結構

提離效應是指在電渦流檢測過程中，電渦流的大小隨著變化電磁場源與導體之間距離改變而變化的現象。在檢測溶液的電導率時，為了獲得準確的信號輸出，提高信號測量的重復性，必須固定探頭與待測物之間的距離，抑制提離效應的產生。因此，探頭設置了防提離結構，將激勵線圈和巨磁阻傳感器置于結構中心包裹起來，再將其浸入溶液測量。該裝置由外殼壓件，和外殼底座兩部分組成，壓件與底座通過螺紋結合，將激勵線圈和巨磁阻傳感器壓入兩者之間的空隙，營造了一個封閉的檢測環境，而底座底面厚度即為探頭與待測物的固定檢測距離。該設計既可以保護激勵線圈和傳感器，以免其受外界污染，又可以控制探頭與待測物之間的固定距離不變，防止因提離效應產生的測量信號變化，提高了探測信號的穩定性。防提離結構如圖3所示。

圖3 防提離結構示意圖Fig.3 Diagram of protection model

2.2 信號處理電路

信號處理電路部分是系統的核心部分，該部分為檢測系統提供磁場發生源正弦激勵信號，同時將采集到的磁場信號進行放大濾波等相關處理，為后續信號的存儲顯示做好信號的前期準備。根據信號處理的功能來區分，信號處理電路分為兩大模塊，信號激勵模塊，信號檢測模塊。信號處理電路的結構圖如圖4所示。

圖4 信號處理電路結構框圖Fig.4 Structure diagram of the signal process circuit

信號激勵模塊由信號發生、幅值放大和功率放大三部分組成。信號發生部分是由ADI公司的AD9850—DDS可編程數字函數發生器搭建，該芯片通過三線SPI端口與PIC單片機進行實時通信，在單片機控制下產生固定頻率和相位正弦信號，頻率調節精度達0.029 Hz，相位調節精度達11.25°。將生成的正弦信號接入橢圓帶通濾波器，濾除噪聲干擾，隨后再接入比例放大電路，提高信號幅值，DDS正弦發生電路如圖5所示。由于產生的正弦信號帶負載能力較弱，不能直接接入激勵線圈，需進行功率放大，因此，之后接入甲乙類功率放大電路[8]對信號進行功率放大提高信號帶負載能力。

圖5 DDS正弦信號發生電路Fig.5 DDSsinusoidal signal generator circuit

信號檢測模塊由差分放大和帶通濾波兩部分組成。由于巨磁阻傳感是電橋式差分輸出，為了獲取有效的磁場信號，芯片輸出端需接入利用集成運放搭建的差分放大電路進行差分放大處理。經差分放大之后，信號接入二階帶通濾波電路濾除信號噪聲。最后信號接入NI PCI6251數據采集卡，通過設計的Labview上位機對信號進行數字信號處理并實時顯示。

2.3 LabVIEW信號處理模塊

NI PCI 6251數據采集卡是NI公司一款16路模擬多通道輸入，16位分辨率，最大采樣頻率1.25 M/s的高速數據采集卡。基于該采集卡對信號處理電路獲取的磁場信號進行數字采集，并在LabVIEW環境下對數字信號進行處理并顯示。設計的LabVIEW信號處理模塊主要分為數據DAQ采集模塊，數據帶通濾波模塊，數據峰值檢波模塊，數據存儲模塊，程序結構圖6所示。

3 實驗結果及驗證

不同濃度的NaCl溶液擁有對應不同大小的電導率，因此驗證系統對不同電導率物質的測量情況，可以通過對不同濃度NaCl溶液的測量來靈敏度來驗證。為了驗證系統對低電導率的檢測效果，作者設計了針對不同濃度溶液的檢測實驗，實驗裝置結構如圖7所示。

圖6 Labview信號采集模塊程序結構圖Fig.6 The Labview signal acquire model

圖7 實驗裝置結構圖Fig.7 Structure diagram of experiment

為了保證實驗的穩定性，實驗過程中對激勵信號的頻率控制在200kHz、幅值、電流強度都通過 tektronic TDS 2012C示波器和惠普34401A高精度萬用表進行實時監測，改變的只有探頭的探測溶液環境，從而保證了外界對系統的影響只來自探測溶液。溶液配制通過DENVER INSTRUMENT電子天平控制NaCl質量，溶液電導率是利用杭州齊威儀器公司生產的DDBJ-350電極式電導率儀來進行標定，針對不同濃度NaCl一共進行了8組實驗，每組實驗對待測溶液進行重復8次測量，剔除測得數據的最大值和最小值，取剩下6次數據的平均值，將測量結果繪制成曲線觀察系統測量的線性測量情況，檢測實驗結果如表2和圖8所示。

表2 不同電導率溶液測量實驗結果Tab.2 Different conductivity solution detection result

圖8 200kHz激勵電流條件下不同電導率電渦流情況Fig.8 Different conductivity detection result by 200 kHz inducing current

圖8 中實線是巨磁阻傳感器輸出電壓幅值大小變化量的數據擬合曲線，虛線是線性擬合曲線，擬合方程為：

Y=0.013 6x+0.010 6

其中x代表電導率大小，Y代表巨磁阻輸出電壓幅值大小變化量，最大偏差值為0.009 3 s/m，偏差較小。總的來說，系統在檢測不同電導率溶液時，能夠實現線性的測量，這與與巨磁阻電渦流檢測原理相相一致，證實了渦流磁場與待測物質的電導率大小正相關的理論，而且在通過實驗測量到最低的電導率溶液達到了0.128 s/m，相比三線圈檢測的方法最低能測到0.5 s/m的NaCl溶液[9]檢測能力獲得了提升。

4 結 論

本文提出了一種基于巨磁阻傳感器低電導率物質的測量方法，對巨磁阻電渦流檢測探頭結構設計進行了詳細介紹，通過對NaCl鹽溶液電導率測量實驗證實了巨磁阻在低電導率物質測量方面的應用可行性，而且該基于巨磁阻傳感器的測量方法對不同電導率溶液檢測具有相當高的靈敏度，能對0.128 s/m的NaCl鹽溶液進行實時檢測，揭示了巨磁阻傳感器在生物醫學領域的研究前景。

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