基于瞬时激励的磁致伸缩传感器便携式检测系统

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磁致伸缩传感器是一种以非晶体铁磁合金材料为敏感单元的谐振式传感器。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。敏感单元与线圈通过磁场耦合的方式实现对谐振频率的测量,检测过程中敏感单元与检测装置没有任何连接。磁致伸缩传感器具有无线无源、灵敏度高,实时性强,适于在液体原位中进行测量的优点,在物理、生化检测尤其是医学传感器等领域具有广泛应用前景。传统的磁致伸缩传感器检测系统主要依托网络分析仪或频谱分析仪等大型分析仪器,基于分析仪器的检测可以达到很高的检测精度,但是仪器昂贵、功耗大、体积大等因素制约了此类磁致伸缩传感器的普遍应用。目前使用微控制器的便携式磁致伸缩传感器检测系统大多基于扫频法开发,外围电路模块较多,大多数系统只能检测灵敏度较低的大尺寸传感器,并且无法实现多传感器同时测量。针对上述问题,本文开发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。检测系统使用DSP芯片实现了对传感器的激励与信号的检测分析,辅以较少的外围电路实现了便携式磁致伸缩传感器的微型化和集成化。本系统应用平面线圈驱动及检测磁致伸缩传感器,并首次针对平面线圈开发便携式检测系统。MEMS工艺制备的平面线圈相对于传统螺线圈具有体积小、可集成、易于微加工等诸多优势。本研究通过仿真分析了不同线宽线距的平面线圈对系统激励与检测的影响,为便携式检测系统激励电路的设计提供了理论基础。在信号处理方面,结合快速傅里叶变换(FFT)和线性调频Z变换(CZT)算法计算传感器敏感单元的谐振频率,有效提高了毫米级磁致伸缩传感器的检测精度。本文设计的基于脉冲激励法的检测系统相比于现有的基于扫频法的便携式检测系统敏感单元尺寸大幅减小,检测速度更快,灵敏度更高,并且实现了同时检测多个敏感单元的谐振频率。本研究在理论分析基础上制备了便携式磁致伸缩传感器检测系统,该检测系统具有一定的通用性,既可结合螺线圈进行检测,也可结合平面线圈进行检测。利用基于平面线圈的便携式系统实现了对小尺寸、高精度传感器的检测,完成了两种不同小尺寸(2mm、3mm)传感器的同时检测,并实现了液体挥发过程的实时检测。利用基于螺线圈的检测系统完成了两种较大尺寸(4mm、5mm)传感器的同时检测,并对两个传感器的质量响应进行了测试,结果表明长度为4mm的传感器灵敏度为0.3841(kHz/μg),长度为5mm的传感器灵敏度为0.2198(kHz/μg)。实验结果验证了本研究所开发的便携式系统在快速、现场生化检测中具有广泛的应用前景。
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