AMR传感器在UBM线性扫描探头中的应用

柳青青，郑 政

(上海理工大学医疗器械与食品学院，上海200093)

0 引言

超声活体显微镜(ultrasound biomicroscopy，UBM)是频率高于40 MHz的超声影像技术，因其卓越的组织分辨能力，被越来越多地应用于浅表器官和实验动物的超声检查［1，2］。由于工艺的原因，UBM探头仍然采用线性机械扫描。通常，UBM探头要求达到大于15 mm的扫描范围，位移精度小于50μm，扫描帧率大于10 Hz。线性机械扫描可以用步进电机、直流电机或电磁扫描机构驱动。步进电机控制简单，但振动和噪音比较大;直流电机或电磁扫描机构更加适用于UBM探头驱动。但后者需要实时监测直线位移信息，位移信息的检测精度直接决定了探头扫描精度。

伺服系统中常用的直线位移传感器通常有电位器式、差动变压器式、光栅尺等传感器。电位器式传感器结构简单，输出信号大，使用方便，但容易磨损;差动变压器式传感器灵敏度高，量程范围宽，线性度好，但是体积偏大;光栅尺结构复杂，价格偏高。本文采用各向异性磁电阻(anisotropy magneto resistive，AMR)传感器检测UBM扫描探头的直线位移，无接触，精度高，实时性好，而且体积小。

1 AMR传感器原理

将铁磁性物质通过真空镀膜方式蒸镀到薄膜上，沿一定方向通电流，铁磁性物质会表现出一定的电阻。当这个薄膜放置于磁场中时，薄膜上的磁畴会沿着磁场方向排列，铁磁物质的电阻会发生变化，这种变化与磁场和电流方向的夹角相关。这种现象叫做AMR效应，利用AMR可测出磁场方向的变化［3，4］。

HMC1501是Honeywell公司生产的一种典型的AMR传感器。它在同一薄膜材料上制作出4只相同的电阻器，构成一个惠斯顿电桥，如图1。通电后，电桥将输出一个电压，输出电压的大小只与外部磁场的方向有关，而与磁场大小无关［6］。HMC1501 的饱和磁场为 80 Gs［5］。

HMC1501的输出是外部磁场和参考方向之间的角度θ的函数

如图2所示，其中，Vs是供电电压，S≈12 mV/V，是一个常数［5］。

根据Honeywell公司提供的技术文献，磁钢沿着轴线A移动(如图2所示)，以磁钢在传感器正下方为0，得到如图3所示的波形图。从图中可以看出:最小值与最大值之间的中间区域具有很好的线性，可以用来检测线性位移。

图1 AMR传感器原理示意图［5］Fig 1 Principle diagram of AMR sensor［5］

图2 HMC1501位移检测示意图［5］Fig 2 Schematic diagram of displacement detection by HMC1501［5］

图3 HMC1501线性位移波形图［5］Fig 3 Linear displacement waveform diagram of HMC1501［5］

2 UBM探头扫描系统设计

系统采用直流电机旋转驱动，用齿轮齿条作为运动转换部件，实现超声换能器的线性运动［7］。超声换能器的位置依靠与其连接的磁钢和HMC1501传感器测出。2只HMC1501传感器1和传感器2的相对位置如图4所示。系统由TI公司PIC16F1827单片机控制，该芯片集成了A/D转换模块，时钟频率为32 MHz。传感器1和传感器2测得的电压分别通过A1和A2放大，放大后的信号 Va1和Va2从单片机的I/O口输入进行A/D转换，得到s1和s2。单片机对得到的s1和s2进行分析，运算，得到位移信息xt

xt和位移指令xs作比较，得到两者的差Δx

图4 系统模块示意图Fig 4 Schematic diagram of system module

控制系统的调节目标是Δx为0［8］。Δx通过控制器运算，输出给DAC进行D/A转换，由A3放大器进行功率放大，驱动电机旋转，由齿轮齿条传动机构带动超声换能器移动。如此，形成一个伺服控制系统。在数字控制中，常用算法可以分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。本系统采用位置式PID控制算法。

若当前时刻为n时刻，得到Δx(n)，n-1时刻和n-2时刻的差值分别为Δx(n-1)和Δx(n-2)，则输出的Dout为

其中，a0，a1，a2均为常系数。将 Δx(n-2)，Δx(n-1)，Δx(n)分别用 d2，d1，d0代替得到简洁的表达式

Dout输出给DAC进行D/A转换。

3 实验测试

3.1 位移检测标定

为能够精准地控制换能器位移，需要对位移传感器进行标定。先测得传感器输出电压和实际位移之间的比例关系

式中 ΔV为传感器输出电压，k1为常数，x为实际位移。

如图5所示为位移标定装置，将扫描装置固定在支架上，固定超声换能器的连接件与螺旋测微器一端固定。扫描电机不加电，然后通过调节螺旋测微器旋钮，每隔500μm标定一个固定位移，记为xd。用示波器测量(如图5所示)A1和A2的输出，记为 Va1，Va2，记录 Va1和 Va2。多次测量，取平均值，得到如图6(a)所示位移传感器的输出与超声换能器的位移关系曲线。

图5 位移标定装置示意图Fig 5 Schematic diagram of displacement calibration device

对采集到的数据进行分析，发现Va1+Va2的值单调递减，因此，选用Va1与Va2的和为判断依据，进行信号重组，当它们的和大于或等于指定值时，采用Va1;当和小于指定值时，采用Va2，并将Va1作平移与Va2衔接，得到如图6(b)所示曲线Va。从图中可以看出:Va的线性度并不好，可能是受到导轨(钢性材料)的影响，与HMC1501技术文献中所阐述的具有一定的差异性。为解决线性度不足的问题，需要对Va进行分段线性拟合，最大程度上保留数据本来具有的变化规律。把非线性段曲线分成N个区段，在每个区段中用直线段近似地代替曲线，然后再把各区段的分析结果衔接起来，就得到了一条由N条直线段组成的曲线。将这N个直线段方程以列表形式排列在存储器中，当系统得到s1和s2(对应Va1和Va2)时，根据s1和s2的值通过指令查找对应的函数来计算当前位移xt(如公式2所示)。

3.2 静态误差分析

如图4所示，通过示波器来检测A1和A2处的电压，4次采样取平均值，记录数值Va1和Va2，由Va1和Va2得到Va值。如3.1节中介绍的分段线性拟合方式，在每个区段里，Va值和超声换能器位移值的方程都是线性的。根据Va值查找对应的区段方程，计算实际位移值xt。每隔500μm测量稳态时命令位移值xs与实际位移值xt的误差。得到如图7所示的静态误差曲线，系统静态误差标准差为8.32×10-7nm。

3.3 动态性能测试

按照图5所示的测试系统进行测量，得到如图8所示UBM扫描帧率为10 Hz，扫描范围为15 mm的动态位移曲线，其中xs为内部命令位移，xt为检测位移。将xt曲线平移，与xs曲线基本重合，测量线性区域段的xt与xs的差值，误差为27.5μm，小于50μm，基本符合精度要求。

图6 传感器输出电压与超声换能器的位移关系和位移标定曲线Fig 6 Relation of sensor output voltage and displacement of ultrasonic transducer and displacement calibration curve

图7 系统静态误差测量曲线Fig 7 Static error measuring curve of system

图8 系统动态性能测试曲线Fig 8 Dynamic performance test curve of system

4 结论

本文对AMR位移传感器在UBM扫描探头中的应用进行了系统研究和验证。通过高精度螺旋测微器对传感器的位移检测进行标定，并通过示波器对测量系统的误差进行了测试。实验过程和数据表明:AMR传感器在有限范围内具有精度高、结构简单的优点，可以为UBM扫描探头提供高精度的位移信息。

［1］王宁利，刘 文.活体超声显微镜眼科学［M］.北京:科学出版社，2002:287-288.

［2］冯 若.超声诊断设备原理与设计［M］.北京:中国医药科技出版社，1992:35-86.

［3］裴 铁，虞南方，刘 奇，等.各向异性磁阻传感器的原理及其应用［J］.仪表技术与传感器，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，赵智慧，李金冬，等.一种超声线性扫描装置:中国，ZL201120217149.7［P］.2012—03—07.

［8］雨宫好文，末松良一.机械控制入门［M］.北京:科学出版社，2000:62-84.