人工心臟磁懸浮系統(tǒng)渦電流位移傳感器的設計*

尹成科，談雪丹，渠文波，馬云善，陳 琛*

(1.蘇州大學人工心臟研究所，江蘇蘇州215021;2.蘇州同心醫(yī)療器械有限公司，江蘇蘇州215123)

人工心臟作為一種植入式醫(yī)療器械，通過輔助或者替代衰弱的心臟實現(xiàn)泵血功能，是目前一種無法替代的最終治療手段［1－2］。第三代人工心臟采用磁懸浮軸承技術(shù)［3］，無機械軸承，具有使用耐久性高、溶血少、血栓發(fā)生率較低［4］等優(yōu)點，近年來得到了快速發(fā)展。

位移傳感器是人工心臟磁懸浮系統(tǒng)的核心部件之一。相對于其他非接觸式位移傳感器，渦電流位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、抗干擾強、可靠性高等優(yōu)點，廣泛用于人工心臟領域。目前，國內(nèi)外對渦電流傳感器的性能、結(jié)構(gòu)設計等方面已經(jīng)展開了一系列的研究［5－9］，并針對不同應用要求優(yōu)化設計渦電流傳感器結(jié)構(gòu)［10－12］。

為了滿足生物相容性要求，人工心臟轉(zhuǎn)子與定子表面均有一層血液相容性好的鈦［13］合金隔層，傳感器需穿透鈦合金隔層檢測轉(zhuǎn)子位置。鈦合金隔層的加入使得傳感器的特性更加復雜。同時，植入式人工心臟對傳感器尺寸有嚴格的限制。目前，僅PAI Chi-nan等人［14］采用了實物湊試法得到類似結(jié)構(gòu)下的傳感器參數(shù)，如果被測結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，只能重新試驗。因此，針對人工心臟中帶有鈦合金隔層的結(jié)構(gòu)，從渦電流檢測的基本原理出發(fā)，進行了以下3方面的工作:采用有限元法分析渦電流傳感器在檢測帶有鈦合金隔層靶板時的磁場分布特性，得出制作線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù);設計一個線圈繞制與監(jiān)測裝置，在繞制線圈的同時，監(jiān)測線圈的形狀、繞線的張力等，以保證線圈阻抗的一致性;對繞制的線圈進行性能測試與分析。

1 非接觸式渦電流位移傳感器原理

如圖1所示，當一個線圈中通入高頻電流時，空間將產(chǎn)生高頻電磁場φ1。如果一個導體靠近這個線圈，在該導體中會產(chǎn)生渦電流。渦電流產(chǎn)生的渦電流磁場φ2會反作用于線圈，影響線圈的電壓和電流。從線圈兩端來看，就是線圈的等效阻抗發(fā)生了改變。線圈阻抗的變化與金屬導體的磁導率、電導率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)、激勵電流頻率以及線圈到金屬導體的距離等參數(shù)有關［15］。若保持其余參數(shù)恒定，線圈與導體間的距離變化量僅與線圈阻抗的變化量有關，即通過測量線圈阻抗的變化，可探測導體與線圈之間的距離。

圖1 渦電流傳感器原理

2 人工心臟的磁懸浮傳感結(jié)構(gòu)

圖2是人工心臟磁懸浮系統(tǒng)的傳感結(jié)構(gòu)，4個渦電流傳感器固定在不導電的非磁性材料骨架上，構(gòu)成傳感器探頭并固定于定子上。在盤狀轉(zhuǎn)子的徑向面建立正交坐標系，轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)中心點為坐標原點，4個傳感器線圈則分別位于X、Y兩軸正負4個方向上，且同軸的兩個傳感器串聯(lián)。

人工心臟采用磁懸浮技術(shù)，無需機械軸承，故轉(zhuǎn)子采用了中空環(huán)形結(jié)構(gòu)。為增強傳感效果，在轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)側(cè)面放置了高電導率、不導磁的金屬環(huán)，傳感器通過檢測該金屬環(huán)來得到轉(zhuǎn)子位移信息。人工心臟工作時，定子與轉(zhuǎn)子與血液直接接觸，故在其表面添加鈦合金隔層，以提高血液相容性。

傳感器探頭位于轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)中心處，當轉(zhuǎn)子相對于定子發(fā)生位移變化時，傳感器線圈與轉(zhuǎn)子的相對間隙也隨之發(fā)生變化，從而引起傳感器線圈阻抗的變化。經(jīng)由檢測電路，即可將線圈阻抗的變化轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的徑向位移電信號，從而完成轉(zhuǎn)子位移的測量。

人工心臟在轉(zhuǎn)子軸向及扭轉(zhuǎn)方向均采用被動懸浮，而在轉(zhuǎn)子徑向上采用兩個自由度的位移主動控制，因此只需考慮徑向的位移傳感器。由于徑向兩個方向是相似的，故僅分析其中一個方向。

圖2 人工心臟磁懸浮傳感結(jié)構(gòu)

3 渦電流傳感器的有限元分析

針對有鈦合金隔層、被測對象為圓柱面的渦電流傳感器，采用有限元軟件對其進行分析，獲得特定鈦合金隔層厚度下傳感器所需的最佳激勵頻率等參數(shù)，實現(xiàn)傳感器的優(yōu)化設計。有限元分析的主要目的是分析鈦合金隔層對傳感器靈敏度的影響。為了方便，在有限元分析中采用了簡化的二維模型。

圖3 渦電流傳感器線圈的有限元仿真

傳感器有限元計算分析的結(jié)果如圖3(b)所示。圖3中A是被測轉(zhuǎn)子中的高導電率金屬環(huán)，采用的是鋁。B是轉(zhuǎn)子上的鈦合金隔層，C是定子上的鈦合金隔層，D是渦電流傳感器線圈。線圈磁場可穿透鈦合金隔層，在被測轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生渦電流，渦電流磁場在經(jīng)過鈦合金隔層衰減后影響傳感器線圈的阻抗，完成檢測功能。磁場在遇到定子鈦合金隔層時，其磁場能量衰減。根據(jù)趨膚效應可知，如果鈦合金隔層厚度值及傳感器線圈激勵頻率合理，則可以得到最好的傳感靈敏度。

在有限元優(yōu)化過程中，首先估算了一個線圈與被測對象的初始結(jié)構(gòu)。通過移動轉(zhuǎn)子來考察線圈的阻抗變化，得出線圈靈敏度。然后調(diào)整鈦合金隔層的厚度，得到線圈靈敏度與鈦合金隔層厚度的對應關系。分析結(jié)果顯示，對于外徑為5 mm，內(nèi)徑為3 mm，線徑為0.08 mm，線圈總有效橫截面積為1 mm×1 mm的線圈，鈦合金隔層厚度為0.2 mm～0.3 mm。

渦電流線圈的靈敏度與線圈的工作頻率有關，因此確定合理的工作頻率是有限元計算的重要優(yōu)化目的。由有限元計算的結(jié)果可以看出，當工作頻率為100 kHz～200 kHz時，渦電流傳感器線圈靈敏度較高。在更高頻率，看起來有更高的靈敏度，但是相位反轉(zhuǎn)，本文認為這是線圈的自諧振特性帶來的假象，在這個頻率范圍內(nèi)線圈實際上工作不穩(wěn)定。再考慮到電路設計因素，最終工作頻率選為125 kHz。

4 渦電流傳感器線圈的制作

線圈制作是渦電流位移傳感器性能好壞的核心和關鍵，尺寸、形狀等因素對線圈阻抗一致性有著重要的影響。為了繞制阻抗一致性良好的線圈，構(gòu)建如圖4所示的線圈繞制系統(tǒng)，主要由一個手動繞線機、精密張力控制器及微距CCD成像系統(tǒng)組成。

圖4 線圈繞制與監(jiān)測裝置

在線圈繞制過程中，用繞線機繞制線圈并記錄繞線參數(shù);用張力控制器控制繞線過程中的張力;用微距CCD實時監(jiān)控線圈繞制過程。通過以上措施，使得繞制的線圈在形狀上保持一致，以保證阻抗一致。

繞制完畢后，在取下線圈以前，使用熱風槍加熱線圈，促使其自黏線硬化。等到線圈冷卻后，取下線圈，即得到繞制好的渦電流傳感器線圈。

5 渦電流傳感器線圈性能測試與分析

對于工程應用而言，只有傳感器線圈的阻抗分散度小于其靈敏度，線圈才具有實際使用價值。從制作的渦電流傳感器線圈中隨機抽取149個進行阻抗分散程度、阻抗靈敏度兩個方面的性能測試與分析。

線圈的歸一化阻抗數(shù)據(jù)如圖5所示，其標準偏差為3.8%，表明該批線圈阻抗分布的分散程度小，一致性好。

圖5 線圈阻抗分布圖

渦電流線圈的阻抗靈敏度決定了渦電流傳感器的位移靈敏度。線圈靈敏度測量方法是將渦電流線圈固定在一個精密位移臺上，調(diào)整渦電流傳感器線圈與被測金屬的距離，得到位移與線圈阻抗變化量的輸入－輸出特性，由此計算線圈的阻抗靈敏度。圖6是歸一化的靈敏度測量結(jié)果。結(jié)果顯示，阻抗靈敏度最高可大于10%，大于阻抗的標準偏差，且在工作范圍±0.5 mm內(nèi)有較好的線性度，所設計的傳感器線圈滿足人工心臟的位移檢測要求。

圖6 渦電流傳感器線圈阻抗－位移曲線

上述測試過程是在空氣中進行的，實際上，渦電流傳感器工作在血液環(huán)境中。本文認為血液對渦電流傳感器的影響可以忽略。首先，血液的電導率遠遠小于金屬的電導率，電磁場在血液中的穿透深度要比金屬大，與金屬相當厚度的血液對傳感性能幾乎沒有什么影響。其次，在人工心臟中傳感器關鍵是要工作可靠，準確度是較為次要的。因此，本文忽略了血液對傳感器的影響。實際傳感器工作中隔了一層鈦合金，這一點需要進一步的實驗研究。

6 結(jié)束語

以帶有鈦合金隔層的定子與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為應用對象，設計了一種非接觸式渦電流位移傳感器，采用自行構(gòu)建的繞制裝置，進行渦電流傳感器線圈的制作。結(jié)果表明，該方法制作的傳感器阻抗偏差為3.8%，靈敏度高于10%，滿足了人工心臟磁懸浮系統(tǒng)對位移傳感器的要求。同時，該方法為檢測對象帶有金屬隔層的渦電流傳感器的分析、設計與優(yōu)化提供有效指導，對于制作高性能的傳感器有著重要的意義。對于渦電流在血液中的工作特性以及鈦合金隔層的實際影響，還有待于進一步的研究和實驗。

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