医疗应用中的磁致伸缩位置传感器

医疗应用中的磁致伸缩位置传感器
作者：David S.Nyce





        磁致伸缩式位置传感器具有非接触式敏感、能读取绝对值、分辨率不受限制等特点。这种技术的非接触式特征意味着不存在摩擦或滑动的部件及相应的磨损，可以保证位置传感器具有几乎无限长的寿命。高可靠性和无限长的服务寿命使得该技术非常适用于医疗设备使用。这类传感器本身的特点决定了它们拥有绝对读数能力和不受限制的分辨率，这意味着不再需要定期进行零位调整或校准，测量的增量可以小到电子电路接口所能分辨的极限。

        磁致伸缩式直线位置传感器由一个容纳电子线路的头部、一只敏感探头和定位磁体构成。敏感探头通常是固定不动的，定位磁体则连接到待测的移动物体上。随着定位磁体沿敏感探头的长度方向移动，定位磁体与头部电路部分间的距离被不断读出。读取通常以 1000~4000 次 /s的频率进行。定位磁体并不与敏感探头发生接触，而是通过其磁场与探头耦合。

       磁致伸缩效应是镍、铁、钴等铁磁材料的一种特性，它是指施加磁场后，可以让材料在尺寸或形状方面发生物理变化，如图2所示。这一变化是由于材料中的磁畴与外部施加的磁场方向对齐的缘故。磁畴(由箭头表示)可以被看作是微小的永磁体，在未经磁化的材料中，它们的取向是随机的。 经过磁化后，磁畴形成了统一的取向。

       正因为磁场在铁磁材料中所造成的变化是一种物理变化，所以其逆变化也是成立的：施加应变也会造成材料磁特性(磁导率)的变化。这一“逆磁致伸缩现象”称为Villari效应，装有电路的结构头部可以利用它来检测波导上的超声脉冲。

       上面所说的波导是一定长度的线状磁致伸缩材料，并置于传感器的敏感探头部分。当磁致伸缩线上流过电流脉冲(称为询问脉冲)且线上某点处施加一个轴向磁场时，施加轴向磁场的部位就会出现扭转应变，这称为Wiedemann效应。扭转应变在波导中以超声波脉冲形式分别向相反的两个方向传播，并通过阻尼元件消除远离电子头处的脉冲。

       向电子头处运动的脉冲在达到电子头时可被电子线路检测出来。不同于波导其它部分，该超声脉冲是一种应变波，随着磁导率变化(Villar效应)而变化。当这一块磁导率不同的部位通过一个为偏置磁场所包围的敏感线圈时，就会引发一个电压脉冲(Faraday效应)，电子线路部分则对该电压脉冲进行检测(称为回应脉冲)。

       工作时，在发出询问脉冲的同时，一个计时器相应启动。检测到回应脉冲后，计时器停止计时。其间流逝的时间表示出定位磁体与电子头之间的距离。附加的电子线路则将时间长短转换为所希望的模拟或数字输出信号。

       传感器外壳通常有若干种形式。对图1所示的形式而言，其安装是将传感器的带外螺纹的法兰旋入应用中沿敏感轴向刻出的内螺纹中。定位磁体是一个单独的部件，由用户安装到待检测的运动部件上。一种在汽车上使用的外壳形式，则是低成本的包覆成形(overmolded)塑料外壳，通过在外壳上铸模时形成的螺钉孔固定。其他的安装方式还包括挂钩安装和侧向安装，在这两种安装方式中，定位磁体被安装到一个载体上，并保持与波导的对准关系。关于外壳形式及相关尺寸的详细信息，可以在制造商的网址上查找。

       电子头包括了能向波导发出询问脉冲的电路、放大器、滤波器，并能检测超声波脉冲引起的电压信号，测量出询问脉冲和回应脉冲之间的时间间隔，产生所期望的输出。通常可获得的输出包括模拟电压、模拟电流、电压脉冲(称为起停)、CANbus、Profibus、SSI和其它形式。电源电压范围通常是5VDC~24VDC，具体情况与型号有关。

       磁致伸缩直线位置传感器如何安装到医院病床上，用来控制病床的调整。以前的产品往往采用接触式或霍耳效应(磁)开关，使用时，需要在床的组装过程中由人工方法调整每一个开关点。对不同型号的病床来说，需要用各种不同类型的支架来固定每一个位置上的开关。为了保证每个开关都能在所期望的位置上动作，需要逐一进行单独的校准。反过来说，如果使用一个磁致伸缩直线位置传感器，则在整个行程长度上可以提供全部可能的开关点。当床放置到预定位置时，与传感器接口的控制模块可以通过编程方法设定为自动校准“开关”点。此时，只需要采用一个安装托架，而且任何可能的开关点都可以方便地编程设定。虽然磁致伸缩式传感器比单个接触式或磁开关昂贵，但它能取代多个开关、支架而且节省了手工劳动量。

       与此类似，一个磁致伸缩传感器可以取代若干个牙科诊疗椅上常用的接触式或者磁开关。此外，由于系统是完全可编程的，所以可以利用一个微处理器和存储器来设定并记忆所有预先确定的“标准”位置。牙医可以选取这些预定位置中的任一个，或者编程设定一个新位置。

       磁致伸缩线性位置传感器也可以用于改善轮椅提升机构的耐用性，提高正位移喷药系统的剂量控制精度。如果用其替换接触和磁开关，那么对制造商和用户来说，其具备的全范围内可编程设定能力将带来极大的方便。

       上面提到的突出特点将有助于降低某些应用的成本，具体办法是采用多个定位磁体。例如，同一时间可以将两个磁体沿敏感探针放置，当询问脉冲发出时，两个定位磁铁所在位置将分别发出一个超声脉冲。两个脉冲依次被检测出来，计时器将存储两个脉冲被检测出之前分别经历的时间。通过这一办法，可以用单个传感器(只需花费单件产品的价格)实现对两个对象的测量。用一个传感器检测16个磁体也已经成为司空见惯的做法。

        磁致伸缩位置传感器近来已取得了显著的进步，其中一些要归功于汽车工业为了保证可靠性和低成本要求而采用的自动化制造过程。除了物理尺寸较小、成本更低、易于大批量制造外，其失效率也很低，据报道远低于汽车工业要求的 50ppm。高可靠性和本身寿命无限的特点，使得磁致伸缩传感器能很好的为医疗行业所需的高可靠性的产品服务。

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