CN101231314A

CN101231314A - 一种磁弹性传感器共振频率检测方法及装置

Info

Publication number: CN101231314A
Application number: CNA2008100306562A
Authority: CN
Inventors: 蔡青云; 杨唐胜; 何令文
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2008-07-30

Abstract

本发明公开了一种磁弹性传感器共振频率检测方法及装置，该检测装置包括检测线圈、激励线圈、直流激励支路、交流扫频支路、信号检测处理装置，所述直流激励支路与交流扫频支路并联并接至所述激励线圈，所述信号检测处理装置的信号输入端连接所述检测线圈的输出端。该检测装置的检测线圈结构为对称反绕去耦合检测线圈组合线圈结构，即在复合线圈内的两个单线圈匝数相同而绕向相反，结构对称，外包激励线圈使得反绕的两线圈在激励磁场中的位置也是对称的。该检测装置和方法可以准确测量磁弹性传感器在不同的介质内的共振频率，精度高，适用范围广。

Description

一种磁弹性传感器共振频率检测方法及装置

技术领域

本发明属于仪表与信号检测领域，涉及一种磁弹性传感器的共振频率检测装置及其方法。

背景技术

铁磁材料在中频段会发生磁力耦合共振，其共振频率不仅与材料性质和材料尺寸有关，还受外部环境的影响，如温度、压力、粘度等。由铁磁材料做成的磁弹性传感器可以用来制作各种生物和化学微传感器，如血液粘度传感器、胰蛋白酶传感器、α-淀粉酶传感器、磷酸酯酶活性传感器等。这种传感器的优点是测量费用低，而且是非接触测量，除了在实验室使用外，还可以用于生物体的在体测量。测量弹性传感器共振频率的变化可以反映被测物理量的值或变化特征，因此，精确测量磁弹性传感器的共振频率是关键。

磁弹性传感器共振频率的测量是通过测定其在交变磁场激励下的受激振动的共振频率实现的。受交变磁场激励，传感器产生沿长度方向的伸缩振动。由于传感器材料本身是磁性的，其振动产生磁通，并在检测线圈中产生感应电势，感应电势的大小正比于传感器的振动强度。当交变磁场的频率与传感器共振频率相等时，此时具有最大振动强度，产生最大感应电势。由输出频谱的峰值信号可以测定传感器的共振频率。由于检测线圈处在激励线圈所产生的磁场内，即使不放入传感器也会产生磁耦合，在检测线圈上产生与激励信号相同频率的感应电动势，产生背景干扰。相较于激励信号产生的交变磁场，由传感器振动产生的磁通十分弱小。从强大的背景信号中检测出微弱的感应信号是测定的关键。

测量磁弹性传感器共振频率的常用测量方法和检测线圈结构主要是基于脉冲磁场激励法(也称振铃法)，就是给测量线圈加一激励脉冲，传感器在脉冲磁场激励下产生衰减振荡。在激励停止时，根据其衰减振荡频率的特征可以获得传感器的共振频率。如对振荡过程进行频谱分析，其主频分量就是该传感器的共振频率。或采用过零计数法，过零比较器将振荡信号转换为脉冲信号，计数器对方波计数，根据计数计算传感器共振频率。脉冲磁场激励法采用单线圈结构，交直流共用一个线圈，线圈结构和测量电路都很简单实用，但是对于粘度大的液体，由于没有激励信号的支撑，传感器自由振荡衰减很快，使得测量无法进行。

发明内容

为了解决现有磁弹性传感器共振频率检测存在的上述技术问题，本发明提供一种持续激励条件下的磁弹性传感器共振频率检测装置及检测方法，本发明可准确测量磁弹性传感器在不同的介质内的共振频率。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种磁弹性传感器共振频率检测方法，包括以下步骤：

(1)将检测线圈放置在激励线圈中；

(2)将磁弹性传感器放置在检测线圈中；

(3)将直流偏置电压以及交流扫频信号加至激励线圈；

(4)从检测线圈的感应输出信号中检测出共振频率。

上述步骤(1)中所述的检测线圈采用对称反绕去耦合复线圈的结构，包括两根平行放置的非导磁管，每一管上分别绕有一组线圈，两组线圈匝数相同、缠绕位置对称、缠绕方向相反，所述两线圈一端的引出线短接，另一端的引出线作为所述检测线圈的输出端。

一种磁弹性传感器共振频率检测装置，包括检测线圈、激励线圈、直流励磁支路、交流扫频支路、信号检测处理装置，所述检测线圈套装在激励线圈中，所述直流励磁支路与交流扫频支路并联，并联后的电路两端分别连接所述激励线圈的两端，所述信号检测处理装置的信号输入端连接所述检测线圈的两个输出端。

其中直流激励支路为直流源和直流调节器串联构成，用以产生稳定且可调的支流偏置电压，提供传感器的直流偏置磁场。信号发生器和交流调节器串联构成交流扫频支路，用于产生幅度、功率和频率可调的正弦信号输出到激励线圈，用以产生交流激振磁场。所述的信号发生器是指频率合成器，其产生的正弦交流信号的频率和功率都可数控或程控。所述的交流调节器用于放大交流信号。

直流励磁支路以及交流扫频支路并联，并且该两条支路的两端分别接激励线圈的两端。

所述的检测线圈采用对称反绕去耦合复线圈的检测线圈结构，具体地，包括两根平行放置的非导磁管，每一管上分别绕有一组线圈，所述的两组线圈匝数相同、缠绕位置对称、缠绕方向相反，所述两线圈一端的引出线短接，另一端的引出线作为所述检测线圈的输出端。

作为改进，所述的信号检测处理装置包括控制器、信号检测电路和模\数转换电路，所述的信号检测电路的两个输入端接所述检测线圈的两个输出端，所述的信号检测电路的输出端接模\数转换电路的输入端，所述的模\数转换电路的输出端接所述控制器的输入端，所述控制器的输出端分别与所述直流源以及信号发生器的输入端连接。所述的控制器可以是MCS51系列的单片机、ARM处理系统、DSP(数字信号处理器)系统以及可编程阵列(FPGA或CPLD)等数字处理系统。

作为改进，共振频率检测装置还包括一台上位机，即PC机(个人计算机)，所述的信号检测处理装置与该上位机通信连接，其通讯模式采用RS232串口或并口或IIC串行总线。

所述的信号发生器是频率合成器，其产生的正弦交流信号的频率和功率都可数控或程控。

在检测过程中，加入所述激励线圈上的激励信号是持续的。

本发明所具有的技术效果在于：

(1)消除了激励耦合的影响，消除了背景干扰，测量精度提高。由于本发明用于传感器共振频率检测的检测线圈结构为对称反绕去耦合检测线圈组合线圈结构，该复合线圈内的两个单线圈匝数相同而绕向相反，结构对称，外包激励线圈使得反绕的两线圈在激励磁场中的位置也是对称的，在传感器没放入的情况下施加激励信号，两反绕线圈产生的感应电动势相同而方向相反，检测线圈输出为零，消除了激励耦合的影响。在两个反绕线圈中的任何一个线圈内放入传感器，检测线圈输出都能反映传感器振动情况，使得检测线圈输出与传感器振幅成正比。由此，相对于现有的技术，本发明能显著提高测量精度，在技术上解决了在持续激励时，如何消除检测线圈磁感应信号中的强背景噪声的问题。

(2)测量的适用范围增大。本发明由于检测线圈采用了对称反绕去耦合检测线圈组合线圈结构，加上有持续的激励存在，克服了脉冲磁场激励法不适用对于粘度大的液体的缺陷。因此该装置和方法不仅能在一般场合精确测量传感器共振频率，而且在大粘度液体等应用场合时，仍然能够正常测量，由此拓宽了磁弹性传感器的应用范围。

附图说明

图1是本发明中的励磁线圈和检测线圈绕线图；

图2是本发明中的励磁线圈和检测线圈示意图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是本发明中磁弹性传感器在不同介质条件下的实测曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1、2，图1、2为本发明中励磁线圈和检测线圈绕线图的结构图，图中1为励磁线圈、2为检测线圈、3为磁弹性传感器。由于检测线圈处在激励线圈所产生的磁场内，即使不放入磁弹性传感器也会产生磁耦合，在检测线圈上产生与激励信号相同频率的感应电动势，对测量结果产生影响。为了消除比磁弹性传感器输出的有效信号更强的因对激励产生感应的同频段背景噪声信号，设计了对称反绕去耦合复线圈的检测线圈结构，该结构能很好的消除背景噪声信号。该复合线圈内的两个单线圈匝数相同而绕向相反，结构对称，外包激励线圈使得反绕的两线圈在激励磁场中的位置也是对称的，在传感器没放入的情况下施加激励信号，两反绕线圈产生的感应电动势相同而方向相反，检测线圈输出为零，消除了激励耦合的影响。在两个反绕线圈中的任何一个线圈内放入传感器，检测线圈输出都能反映传感器振动情况，使得检测线圈的输出与传感器振幅成正比。

检测线圈(也可称为磁传感检测线圈)制作方法：先分别在两根形状相同的非导磁、非金属管状材料上绕制线圈，两线圈匝数和缠绕位置相同，但缠绕方向相反，管径和线圈匝数根据磁弹性传感器尺寸而定；然后将两线圈并在一起，两线圈一端的引出线短接，另一端的引出线作为检测线圈输出；直流偏置线圈可以与激励线圈共用，检测线圈绕线方法如图1所示，示意图如图2所示。

图3给出了共振频率检测装置的示意图。如图3所示，本发明的共振频率检测装置包括检测线圈、激励线圈、直流源、直流调节器、信号发生器、交流调节器、信号检测处理装置，所述直流源与直流调节器串联并连接所述激励线圈，所述信号发生器与交流调节器串联并连接所述激励线圈，输出检测装置的信号输入端连接所述检测线圈。

直流电源通过直流调节器后输出给激励线圈，提供磁弹性传感器的直流偏置磁场；信号发生器产生正弦扫频信号经交流调节器放大后输出给同一激励线圈，产生交流激振磁场；在直流偏置磁场和交流激振磁场持续激励条件下直接测量检测线圈的输出信号。检测线圈放在激励线圈中心位置，磁弹性传感器放入该检测线圈中，信号检测处理装置接检测线圈的输出，包括信号检测电路即峰值检测电路和模/数转换(A/D转换)电路和单片机，单片机的一个输出端口(第一输出端口)与直流源连接，另一个输出端口(第二输出端口)与信号发生器(交流信号源)连接。为简洁起见，图3中单片机至直流源和信号发生器的输出信号线包括2个控制信号，特此说明。单片机与计算机(上位机)通过RS232串口通讯，从而借助计算机的强大计算能力以及良好的人机接口界面，使得检测过程更为方便。通过计算机向单片机发出相关指令以设置各种必要的参数。由此，一个功能完善、操作方便的共振频率检测系统构筑完成。

该装置具体工作过程和相关的工作原理如下：

(1)单片机控制直接数字频率合成器(DDS)产生扫频信号直接数字频率合成器芯片AD9832的输出频率f_out由时钟频率f_clk和频率控制码决定：

f_out＝-(K/2^N)f_clk

式中：N＝32，是相位累加器的位数，K是二进制频率控制码对应的十进制值，控制码由单片机通过串口传给AD9832。单片机通过调整频率控制码，即可控制仪器的扫频过程及扫频范围。

单片机采用DS87C52，其作用是控制直接数字频率合成器(DDS)产生扫频信号、控制交直流驱动输出功率、控制峰值检测电路的检测时间和数据采样以及与PC机的数据通信。

(2)单片机控制交直流驱动输出功率

不同尺寸的磁弹性传感器以及同一传感器的不同应用场合对直流偏置磁场和交流激励磁场的驱动功率要求不同，因此，不仅要求驱动功率可调，还要把驱动条件作为检测条件进行记录。为此，我们用数字电位器来控制驱动放大器的放大系数，单片机按用户给出的驱动电压值来控制数字电位器的输出，从而实现了对交直流驱动输出功率的程序控制。数字电位器采用了集成芯片AD8403。

(3)峰值检测电路检测磁弹性传感器振幅

峰值检测电路即信号检测电路，磁弹性传感器信号由检测线圈采集，检测线圈输出信号送给峰值检测电路，峰值检测信号由采样保持器和电压比较器构成。其原理是当将当前输入信号与原采样信号进行比较，如果当前信号大于原采样信号，比较器输出高电平使采样保持器工作在采样状态；反之使采样保持器工作在保持状态，因而采样保持器可以记录幅值。单片机控制采样保持器输出和清零。

(4)信号的A/D转换(模拟/数字转换)

峰值检测电路测得检测线圈在各频点的输出信号峰值，该信号被送入A/D转换器，后者将信号变成数字信号通过数据总线送给单片机。A/D转换集成芯片采用MAX150芯片。

(5)控制参数、运行命令、测量过程由计算机完成。

具体测量方法的步骤如下：

(1)：将检测线圈放置在激励线圈中；

(2)：将磁弹性传感器放置在检测线圈中；

(3)：将直流偏置电压以及交流扫频信号加至激励线圈；

用户通过人机界面给出控制参数和运行指令；计算机通过串口将控制参数和运行指令传给单片机；单片机一方面按用户给出的扫频范围控制直接数字频率合成器输出扫频激励信号，另一方面按用户参数来控制直流偏置磁场驱动信号功率和交流磁场驱动的扫频激励信号功率。

(4)：从检测线圈的感应输出信号中检测出共振频率。

峰值检测电路测量传感器在各扫频点的振动幅值；单片机将各扫频点的振动幅值经A/D转换后传给计算机；计算机将分析结果显示和保存。图4给出了在不同介质条件下的实测结果。

由图4可知，所测得的某种磁弹性传感器在20％甘油-水溶液、水以及空气这三种介质中的共振频率分别为104kHz、105.2kHz和106kHz。

Claims

1.一种磁弹性传感器共振频率检测方法，包括以下步骤：

(1)将检测线圈放置在激励线圈中；

(2)将磁弹性传感器放置在检测线圈中；

(3)将直流偏置电压以及交流扫频信号加至激励线圈；

(4)从检测线圈的感应输出信号中检测出共振频率。

2.如权利要求1所述的磁弹性传感器共振频率检测方法，所述步骤(1)中的检测线圈包括两根平行放置的非导磁管，每一管上分别绕有一组线圈，两组线圈匝数相同、缠绕位置对称、缠绕方向相反，两线圈一端的引出线短接，另一端的两个引出线作为所述检测线圈的输出端。

3.一种磁弹性传感器共振频率检测装置，其特征在于：包括检测线圈、激励线圈、直流励磁支路、交流扫频支路、信号检测处理装置，所述检测线圈套装在激励线圈中，所述直流励磁支路与交流扫频支路并联，并联后的电路两端分别连接所述激励线圈的两端，所述信号检测处理装置的信号输入端连接所述检测线圈的两个输出端。

4.如权利要求3所述的磁弹性传感器共振频率检测装置，其特征在于：所述的检测线圈包括两根平行放置的非导磁管，每一管上分别绕有一组线圈，所述的两线圈匝数相同、缠绕位置对称、缠绕方向相反，所述两线圈一端的引出线短接，另一端的引出线作为所述检测线圈的输出端。

5.如权利要求3所述的磁弹性传感器共振频率检测装置，其特征在于：所述的直流励磁支路为直流源与直流调节器串联；所述的交流扫频支路为信号发生器与交流调节器串联。

6.如权利要求5所述的磁弹性传感器共振频率检测装置，其特征在于：所述的信号检测处理装置包括控制器、信号检测电路和模\数转换电路，所述的信号检测电路的两个输入端接所述检测线圈的两个输出端，所述的信号检测电路的输出端接模\数转换电路的输入端，所述的模\数转换电路的输出端接所述控制器的输入端，所述控制器的输出端分别与所述直流源以及信号发生器的输入端连接。

7.如权利要求3至6之一所述的磁弹性传感器共振频率检测装置，其特征在于：还包括一台上位机，所述的信号检测处理装置与该上位机通信连接。

8.如权利要求7所述的磁弹性传感器共振频率检测装置，其特征在于：所述的信号检测处理装置与该上位机之间采用RS232串口或并口或IIC串行总线的模式通讯。

9.如权利要求5所述的磁弹性传感器共振频率检测装置，其特征在于：信号发生器是频率合成器。