磁悬浮人工心脏电涡流位移传感线圈特性研究*

汪 明，陈 琛，2，尹成科，徐博翎

(1.苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州215021;2.苏州同心医疗器械有限公司，江苏 苏州215125)

0 引 言

人工心脏是一种代替或辅助天然心脏工作的医疗器械，对于终末期心衰患者来说，由于心脏供体的短缺，植入人工心脏是重要的治疗手段［1，2］。基于磁悬浮技术的第三代人工心脏无机械轴承磨损，寿命长，血液相容性好［3］，代表了人工心脏最前沿的技术方向。

磁悬浮人工心脏的转子与定子之间无机械接触，只有一层厚度约数百微米的血液薄层。其中，转子位移检测是一个关键问题。经过大量研究实践，电涡流位移传感器是最具有可行性的方案。然而，磁悬浮人工心脏所有外表面都覆盖着钛合金薄壳，这样，位于定子中的位移传感器必须穿透血液薄层和两层钛合金薄壳感知转子的位移［4］。由于这两层金属薄壳的存在，其内部产生的电涡流会严重影响传感线圈的特性，使得传统的检测原理和方法不再适用［5］。研究穿透金属薄壳的电涡流位移传感线圈特性，不但是磁悬浮人工心脏的迫切需求，还可以发现新的设计方法，拓展电涡流传感技术的应用领域，为类似的位移传感需求提供设计指导依据。

1 电涡流位移传感原理

电涡流位移传感器是一种利用电涡流效应的位移检测装置，它能实现无损伤、非接触的位移检测［6］。其原理如图1 所示，当线圈通入交流激励电流后，线圈会产生频率与激励信号相同的变化磁场ψ1。当有金属导体位于此空间磁场范围内时，线圈所产生的变化磁场会在金属导体中产生环形的电涡流［7］，电涡流的强度与金属导体电阻率ρ、磁导率μ、交变磁场频率f以及线圈到金属导体间距离d有关。而此电涡流也会产生与线圈磁场变化趋势相反、频率相同的交变磁场ψ2。ψ2在线圈中感应出电动势，导致线圈两端表现阻抗的变化。在其它条件不变的情况下，通过检测线圈阻抗的变化，就可以检测出线圈到金属导体的距离d 的变化，即金属导体的位移量。

图1 电涡流传感器工作原理Fig 1 Operating principle of eddy current sensor

电涡流传感器等效电路如图2 所示，R1与L1为线圈的电阻与电感，R2与L2为电涡流回路的电阻与电感，M 为线圈与电涡流回路的互感系数。当线圈与被测金属间距离变化时，互感系数M 会改变，从而引起线圈两端阻抗改变。

图2 电涡流传感器等效电路Fig 2 Equivalent circuit of eddy current sensor

2 人工心脏中电涡流位移传感工作机理

2.1 人工心脏及其电涡流传感器结构

如图3 所示，在磁悬浮人工心脏中转子和定子表面均覆盖一层钛合金薄壳。电涡流位移传感器线圈位于定子薄壳后方，其产生的激励磁场穿过定子薄壳与转子薄壳，到达转子内的感应环表面并在其内部产生电涡流。感应环用铜或者铝等高电导率金属制作，以产生较为明显的电涡流，提高位移监测灵敏度。当转子与定子间的相对位置变化时，线圈阻抗会发生改变。

磁悬浮人工心脏转子需要测量径向两个自由度的位移，每个自由度采用两个电涡流传感线圈实现(如图3 所示)。这两个线圈以差分方式工作，其中一个自由度的信号调理电路原理如图4 所示。

每个线圈都并联一个电容器C 组成谐振回路，再与一个电阻器R 串联。激励电压ui均加载到电阻器与谐振回路两端。以径向x 轴为例，当转子在x 轴上位于定子中心时，两个线圈阻抗相等，两端电压差分输出uo为零。当转子在x 轴上位置改变时，则传感器差分输出相对应的电压信号，并经过后续电路的解调，得到转子在x 轴上的位移量。传感线圈并联电容器组成的谐振回路能有效地提高位移灵敏度。两个线圈差分工作可以提高传感器的线性度与灵敏度，同时有效地避免激励电压、频率、环境磁场、温度等因素引起的测量误差。特别适用于磁悬浮人工心脏的应用场合。

图3 人工心脏传感器结构图Fig 3 Sensor structure for artificial heart

图4 传感器检测电路Fig 4 Detection circuit of transducer

对线圈来说，位移灵敏度S 定义为线圈两端的压差与转子位移的比值

式中 d1，d2为转子位移;uo1，uo2为转子不同位移时差分输出电压。

2.2 金属薄壳对电涡流传感器的影响

传统的电涡流传感应用中，一般要求传感线圈与被测物体之间无导电或导磁介质。但人工心脏内传感线圈与感应环之间存在两层钛合金薄壳，这两层薄壳中所产生的电涡流会极大地改变传感器的阻抗—位移特性。经测试商用的电涡流传感器在这种情况下无法工作(灵敏度过低甚至改变符号)。磁悬浮人工心脏内部结构复杂而精细，空间电磁场的理论计算极为困难。在仅仅针对线圈和感应环的有限元仿真中，发现线圈各匝空间分布引起的阻抗误差已经与位移改变引起的阻抗变化相比拟。在这种情况下，直接采用实验手段测量线圈阻抗随转子位移的改变是更具有工程可行性的手段［8］。

3 有薄壳时传感线圈性能测试

线圈参数测试装置如图5 所示，传感器线圈、定子薄壳固定在定子支架上，感应环、转子薄壳安装在转子支架上，转子支架再固定在一个精密位移平台上。整个装置放置在二次元影像测量仪下以精确测量位移。在测试装置安装完成后，通过调节精密位移平台上的千分尺来改变转子(感应环)位移，同时使用英国稳科WK6505B 精密阻抗分析仪测量传感器线圈的电阻R 与电抗X，从而得到线圈电参数随转子位移改变时的特性。

图5 传感器线圈性能测试装置Fig 5 Coil of sensor characteristics testing apparatus of

3.1 钛合金薄壳对传感器线圈特性影响

如图6 所示，当激励频率为1 MHz，无钛合金薄壳时，随着线圈与转子间位移增加，线圈等效电阻减小、等效电抗变大，这符合理论预期，也与传统的电涡流传感器一致。

图6 激励频率f=1 MHz 时，传感器线圈的电阻R 和电抗X 数据Fig 6 Resistance and reactance of the sensor coil at driving frequency 1 MHz

当转子位移相同，转子增加钛合金薄壳后，线圈电阻变大、电抗略微减小;转子定子同时增加钛合金薄壳后，线圈电阻显著变大、电抗减小。这是由于薄壳的存在增加了损耗，削弱了磁场，而定子薄壳的影响更大。

对位移灵敏度而言，当存在转子钛合金薄壳时，随着线圈与转子间位移增加，线圈参数的变化趋势与转子无钛合金薄壳一致。当同时存在定子钛合金薄壳与转子钛合金薄壳时，随着转子位移增加，线圈等效电阻变大、等效电抗也变大，这与传统电涡流传感器不一致，也与仅仅转子增加薄壳时不一致。

转子钛合金薄壳的存在对传感器线圈的影响比较小，其作用相当于增加了被测金属的作用面积或减小了线圈到被测金属间的距离。而定子钛合金薄壳存在时，线圈磁场穿透钛合金薄壳后严重衰减，薄壳上产生较强的电涡流，线圈磁场的空间分布明显改变，严重影响了线圈阻抗随被测金属位移改变的特性，甚至使其变化趋势发生改变。其中的物理机理还需要进一步研究。由结果可知，如果直接使用传统的商用传感器，则会导致灵敏度过低甚至改变符号的情况。

3.2 激励频率对传感器性能的影响

传统的电涡流传感器激励频率较高，通常从1 兆赫兹到几十兆赫兹。在自谐振频率以下，线圈的工作频率越高，其品质因数越高。因此，传统的电涡流传感器往往在自谐振频率和电路的限制范围内，尽可能地提高工作频率。但在有金属薄壳隔离的情况下，1 MHz 工作频率时，传感器的电参数趋势已经与传统情况明显不同。因此，需要研究工作频率对传感线圈特性的影响。

定子金属薄壳与转子金属薄壳都存在，且两薄壳表面在线圈处相切时转子位移d=0，测得工作频率与线圈阻抗的关系如表1 所示。通过归一化处理后，不同频率下传感线圈阻抗—位移关系如图7 所示。

表1 不同频率下转子位移d=0 时线圈电参数Tab 1 Electrical parameters of sensor coil under different frequencies when the displacement of rotor d=0 mm

可见，当工作频率较低时，线圈电阻随着被测金属位移增加而减小，与无金属薄壳情况一致;当激励频率较高时，线圈电阻随着被测金属位移增加而变大，与无金属薄壳情况不一致。线圈电抗都随着被测金属位移增加而增加，但在不同频率下电抗变化率差别较大。

图7 不同频率f 下传感器线圈的电阻R 和电抗X(数据归一化处理)Fig 7 Normalized resistance and reactance of sensor coil under different frequencies

当激励频率为100 kHz 时，钛合金趋肤深度δ 不超过2 100 μm;当激励频率为1 MHz 时，钛合金趋肤深度δ 不超过660 μm。由于传感器线圈磁场需要穿透两层厚度均为250 μm 的钛合金薄壳后到达被测金属表面，因此，频率较低的电磁场能很容易地穿透钛合金薄壳到达被测金属表面，钛合金薄壳的存在对传感器线圈磁场的削弱作用有限。但是，当频率较高的电磁场穿透钛合金薄壳时，定子薄壳上产生不容忽视的电涡流，传感器线圈产生的磁场会被严重削弱，并直接影响着线圈电参数随被测金属位移改变的特性，从而会影响传感器性能。

3.3 工作频率优化

在金属薄壳存在的情况下，必须对传感器工作频率进行优化，以获得最好的灵敏度。通过测量不同激励频率下传感线圈的阻抗参数，由此求得传感器的灵敏度(本文2.1节)和品质因数(Q 值)，如图8 所示。此时金属薄壳存在且转子位于定子中心。从图8 可见:线圈Q 值和传感器的灵敏度具有良好的一致性。因此，可以利用Q 值作为优化目标。当有薄壳时，存在一个可以使传感器达到最优灵敏度的频率。在本实例中，这一频率为450 kHz，而传统的商用电涡流传感器的工作频率在1 MHz 以上。因此，在人工心脏的涡电流传感器设计中，应根据最大灵敏度所对应的频率和线圈阻抗—位移变化特征，相应设计调理电路，以获得尽量高的位移灵敏度。

图8 不同频率f 下传感器灵敏度S 与线圈Q 值Fig 8 Values of sensitivity and quality factor under different frequencies

4 结 论

磁悬浮人工心脏应用中，线圈与被测金属之间存在钛合金薄壳时传感线圈特性会受到严重影响，以至于传统的电涡流传感器无法工作。本文测试分析了金属薄壳对电涡流传感线圈特性的影响，给出了阻抗—位移特性随着工作频率的变化关系。有金属薄壳时，电涡流传感器存在最优的工作频率，可以品质因数为优化目标，根据线圈阻抗—位移特征，重新进行设计和优化。本文解决了磁悬浮人工心脏电涡流传感的实际应用问题，同时对类似的应用也有指导意义。

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