AMR傳感器在UBM線性掃描探頭中的應用

柳青青，鄭 政

(上海理工大學醫療器械與食品學院，上海200093)

0 引言

超聲活體顯微鏡(ultrasound biomicroscopy，UBM)是頻率高于40 MHz的超聲影像技術，因其卓越的組織分辨能力，被越來越多地應用于淺表器官和實驗動物的超聲檢查［1，2］。由于工藝的原因，UBM探頭仍然采用線性機械掃描。通常，UBM探頭要求達到大于15 mm的掃描范圍，位移精度小于50μm，掃描幀率大于10 Hz。線性機械掃描可以用步進電機、直流電機或電磁掃描機構驅動。步進電機控制簡單，但振動和噪音比較大;直流電機或電磁掃描機構更加適用于UBM探頭驅動。但后者需要實時監測直線位移信息，位移信息的檢測精度直接決定了探頭掃描精度。

伺服系統中常用的直線位移傳感器通常有電位器式、差動變壓器式、光柵尺等傳感器。電位器式傳感器結構簡單，輸出信號大，使用方便，但容易磨損;差動變壓器式傳感器靈敏度高，量程范圍寬，線性度好，但是體積偏大;光柵尺結構復雜，價格偏高。本文采用各向異性磁電阻(anisotropy magneto resistive，AMR)傳感器檢測UBM掃描探頭的直線位移，無接觸，精度高，實時性好，而且體積小。

1 AMR傳感器原理

將鐵磁性物質通過真空鍍膜方式蒸鍍到薄膜上，沿一定方向通電流，鐵磁性物質會表現出一定的電阻。當這個薄膜放置于磁場中時，薄膜上的磁疇會沿著磁場方向排列，鐵磁物質的電阻會發生變化，這種變化與磁場和電流方向的夾角相關。這種現象叫做AMR效應，利用AMR可測出磁場方向的變化［3，4］。

HMC1501是Honeywell公司生產的一種典型的AMR傳感器。它在同一薄膜材料上制作出4只相同的電阻器，構成一個惠斯頓電橋，如圖1。通電后，電橋將輸出一個電壓，輸出電壓的大小只與外部磁場的方向有關，而與磁場大小無關［6］。HMC1501 的飽和磁場為 80 Gs［5］。

HMC1501的輸出是外部磁場和參考方向之間的角度θ的函數

如圖2所示，其中，Vs是供電電壓，S≈12 mV/V，是一個常數［5］。

根據Honeywell公司提供的技術文獻，磁鋼沿著軸線A移動(如圖2所示)，以磁鋼在傳感器正下方為0，得到如圖3所示的波形圖。從圖中可以看出:最小值與最大值之間的中間區域具有很好的線性，可以用來檢測線性位移。

圖1 AMR傳感器原理示意圖［5］Fig 1 Principle diagram of AMR sensor［5］

圖2 HMC1501位移檢測示意圖［5］Fig 2 Schematic diagram of displacement detection by HMC1501［5］

圖3 HMC1501線性位移波形圖［5］Fig 3 Linear displacement waveform diagram of HMC1501［5］

2 UBM探頭掃描系統設計

系統采用直流電機旋轉驅動，用齒輪齒條作為運動轉換部件，實現超聲換能器的線性運動［7］。超聲換能器的位置依靠與其連接的磁鋼和HMC1501傳感器測出。2只HMC1501傳感器1和傳感器2的相對位置如圖4所示。系統由TI公司PIC16F1827單片機控制，該芯片集成了A/D轉換模塊，時鐘頻率為32 MHz。傳感器1和傳感器2測得的電壓分別通過A1和A2放大，放大后的信號 Va1和Va2從單片機的I/O口輸入進行A/D轉換，得到s1和s2。單片機對得到的s1和s2進行分析，運算，得到位移信息xt

xt和位移指令xs作比較，得到兩者的差Δx

圖4 系統模塊示意圖Fig 4 Schematic diagram of system module

控制系統的調節目標是Δx為0［8］。Δx通過控制器運算，輸出給DAC進行D/A轉換，由A3放大器進行功率放大，驅動電機旋轉，由齒輪齒條傳動機構帶動超聲換能器移動。如此，形成一個伺服控制系統。在數字控制中，常用算法可以分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。本系統采用位置式PID控制算法。

若當前時刻為n時刻，得到Δx(n)，n-1時刻和n-2時刻的差值分別為Δx(n-1)和Δx(n-2)，則輸出的Dout為

其中，a0，a1，a2均為常系數。將 Δx(n-2)，Δx(n-1)，Δx(n)分別用 d2，d1，d0代替得到簡潔的表達式

Dout輸出給DAC進行D/A轉換。

3 實驗測試

3.1 位移檢測標定

為能夠精準地控制換能器位移，需要對位移傳感器進行標定。先測得傳感器輸出電壓和實際位移之間的比例關系

式中 ΔV為傳感器輸出電壓，k1為常數，x為實際位移。

如圖5所示為位移標定裝置，將掃描裝置固定在支架上，固定超聲換能器的連接件與螺旋測微器一端固定。掃描電機不加電，然后通過調節螺旋測微器旋鈕，每隔500μm標定一個固定位移，記為xd。用示波器測量(如圖5所示)A1和A2的輸出，記為 Va1，Va2，記錄 Va1和 Va2。多次測量，取平均值，得到如圖6(a)所示位移傳感器的輸出與超聲換能器的位移關系曲線。

圖5 位移標定裝置示意圖Fig 5 Schematic diagram of displacement calibration device

對采集到的數據進行分析，發現Va1+Va2的值單調遞減，因此，選用Va1與Va2的和為判斷依據，進行信號重組，當它們的和大于或等于指定值時，采用Va1;當和小于指定值時，采用Va2，并將Va1作平移與Va2銜接，得到如圖6(b)所示曲線Va。從圖中可以看出:Va的線性度并不好，可能是受到導軌(鋼性材料)的影響，與HMC1501技術文獻中所闡述的具有一定的差異性。為解決線性度不足的問題，需要對Va進行分段線性擬合，最大程度上保留數據本來具有的變化規律。把非線性段曲線分成N個區段，在每個區段中用直線段近似地代替曲線，然后再把各區段的分析結果銜接起來，就得到了一條由N條直線段組成的曲線。將這N個直線段方程以列表形式排列在存儲器中，當系統得到s1和s2(對應Va1和Va2)時，根據s1和s2的值通過指令查找對應的函數來計算當前位移xt(如公式2所示)。

3.2 靜態誤差分析

如圖4所示，通過示波器來檢測A1和A2處的電壓，4次采樣取平均值，記錄數值Va1和Va2，由Va1和Va2得到Va值。如3.1節中介紹的分段線性擬合方式，在每個區段里，Va值和超聲換能器位移值的方程都是線性的。根據Va值查找對應的區段方程，計算實際位移值xt。每隔500μm測量穩態時命令位移值xs與實際位移值xt的誤差。得到如圖7所示的靜態誤差曲線，系統靜態誤差標準差為8.32×10-7nm。

3.3 動態性能測試

按照圖5所示的測試系統進行測量，得到如圖8所示UBM掃描幀率為10 Hz，掃描范圍為15 mm的動態位移曲線，其中xs為內部命令位移，xt為檢測位移。將xt曲線平移，與xs曲線基本重合，測量線性區域段的xt與xs的差值，誤差為27.5μm，小于50μm，基本符合精度要求。

圖6 傳感器輸出電壓與超聲換能器的位移關系和位移標定曲線Fig 6 Relation of sensor output voltage and displacement of ultrasonic transducer and displacement calibration curve

圖7 系統靜態誤差測量曲線Fig 7 Static error measuring curve of system

圖8 系統動態性能測試曲線Fig 8 Dynamic performance test curve of system

4 結論

本文對AMR位移傳感器在UBM掃描探頭中的應用進行了系統研究和驗證。通過高精度螺旋測微器對傳感器的位移檢測進行標定，并通過示波器對測量系統的誤差進行了測試。實驗過程和數據表明:AMR傳感器在有限范圍內具有精度高、結構簡單的優點，可以為UBM掃描探頭提供高精度的位移信息。

［1］王寧利，劉 文.活體超聲顯微鏡眼科學［M］.北京:科學出版社，2002:287-288.

［2］馮 若.超聲診斷設備原理與設計［M］.北京:中國醫藥科技出版社，1992:35-86.

［3］裴 鐵，虞南方，劉 奇，等.各向異性磁阻傳感器的原理及其應用［J］.儀表技術與傳感器，2004(8):26-32.

［4］Taghvaeeyan S，Rajamani R.The development of AMR sensors for vehicle position estimation［C］∥American Control Conference，2011:3936-3941.

［5］Honeywell.Applications of magnetic position sensors［Z］.Honeywell.

［6］Zimmermann E，Verweerd A，Glaas W，et al.An AMR sensorbased measurement system for magnetoelectrical resistivity tomography［J］.Sensors，2005，5(2):233-241.

［7］柳青青，趙智慧，李金冬，等.一種超聲線性掃描裝置:中國，ZL201120217149.7［P］.2012—03—07.

［8］雨宮好文，末松良一.機械控制入門［M］.北京:科學出版社，2000:62-84.