柳青青，鄭 政

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)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(shù)，因其卓越的組織分辨能力，被越來越多地應(yīng)用于淺表器官和實(shí)驗(yàn)動(dòng)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(jī)械掃描。通常，UBM探頭要求達(dá)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(jī)械掃描可以用步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)或電磁掃描機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)控制簡(jiǎn)單，但振動(dòng)和噪音比較大;直流電機(jī)或電磁掃描機(jī)構(gòu)更加適用于UBM探頭驅(qū)動(dòng)。但后者需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直線位移信息，位移信息的檢測(cè)精度直接決定了探頭掃描精度。

伺服系統(tǒng)中常用的直線位移傳感器通常有電位器式、差動(dòng)變壓器式、光柵尺等傳感器。電位器式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出信號(hào)大，使用方便，但容易磨損;差動(dòng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格偏高。本文采用各向異性磁電阻(anisotropy magneto resistive，AMR)傳感器檢測(cè)UBM掃描探頭的直線位移，無接觸，精度高，實(shí)時(shí)性好，而且體積小。

1 AMR傳感器原理

將鐵磁性物質(zhì)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(zhì)會(huì)表現(xiàn)出一定的電阻。當(dāng)這個(gè)薄膜放置于磁場(chǎng)中時(shí)，薄膜上的磁疇會(huì)沿著磁場(chǎng)方向排列，鐵磁物質(zhì)的電阻會(huì)發(fā)生變化，這種變化與磁場(chǎng)和電流方向的夾角相關(guān)。這種現(xiàn)象叫做AMR效應(yīng)，利用AMR可測(cè)出磁場(chǎng)方向的變化［3，4］。

HMC1501是Honeywell公司生產(chǎn)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(gòu)成一個(gè)惠斯頓電橋，如圖1。通電后，電橋?qū)⑤敵鲆粋€(gè)電壓，輸出電壓的大小只與外部磁場(chǎng)的方向有關(guān)，而與磁場(chǎng)大小無關(guān)［6］。HMC1501 的飽和磁場(chǎng)為 80 Gs［5］。

HMC1501的輸出是外部磁場(chǎng)和參考方向之間的角度θ的函數(shù)

如圖2所示，其中，Vs是供電電壓，S≈12 mV/V，是一個(gè)常數(shù)［5］。

根據(jù)Honeywell公司提供的技術(shù)文獻(xiàn)，磁鋼沿著軸線A移動(dòng)(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(qū)域具有很好的線性，可以用來檢測(cè)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(cè)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(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，用齒輪齒條作為運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換部件，實(shí)現(xiàn)超聲換能器的線性運(yùn)動(dòng)［7］。超聲換能器的位置依靠與其連接的磁鋼和HMC1501傳感器測(cè)出。2只HMC1501傳感器1和傳感器2的相對(duì)位置如圖4所示。系統(tǒng)由TI公司PIC16F1827單片機(jī)控制，該芯片集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊，時(shí)鐘頻率為32 MHz。傳感器1和傳感器2測(cè)得的電壓分別通過A1和A2放大，放大后的信號(hào) Va1和Va2從單片機(jī)的I/O口輸入進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到s1和s2。單片機(jī)對(duì)得到的s1和s2進(jìn)行分析，運(yùn)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(tǒng)模塊示意圖Fig 4 Schematic diagram of system module

控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)目標(biāo)是Δx為0［8］。Δx通過控制器運(yùn)算，輸出給DAC進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，由A3放大器進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，由齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)超聲換能器移動(dòng)。如此，形成一個(gè)伺服控制系統(tǒng)。在數(shù)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(tǒng)采用位置式PID控制算法。

若當(dāng)前時(shí)刻為n時(shí)刻，得到Δx(n)，n-1時(shí)刻和n-2時(shí)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(shù)。將 Δx(n-2)，Δx(n-1)，Δx(n)分別用 d2，d1，d0代替得到簡(jiǎn)潔的表達(dá)式

Dout輸出給DAC進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 位移檢測(cè)標(biāo)定

為能夠精準(zhǔn)地控制換能器位移，需要對(duì)位移傳感器進(jìn)行標(biāo)定。先測(cè)得傳感器輸出電壓和實(shí)際位移之間的比例關(guān)系

式中 ΔV為傳感器輸出電壓，k1為常數(shù)，x為實(shí)際位移。

如圖5所示為位移標(biāo)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(cè)微器一端固定。掃描電機(jī)不加電，然后通過調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微器旋鈕，每隔500μm標(biāo)定一個(gè)固定位移，記為xd。用示波器測(cè)量(如圖5所示)A1和A2的輸出，記為 Va1，Va2，記錄 Va1和 Va2。多次測(cè)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(guān)系曲線。

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

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Va1+Va2的值單調(diào)遞減，因此，選用Va1與Va2的和為判斷依據(jù)，進(jìn)行信號(hào)重組，當(dāng)它們的和大于或等于指定值時(shí)，采用Va1;當(dāng)和小于指定值時(shí)，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(dǎo)軌(鋼性材料)的影響，與HMC1501技術(shù)文獻(xiàn)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(duì)Va進(jìn)行分段線性擬合，最大程度上保留數(shù)據(jù)本來具有的變化規(guī)律。把非線性段曲線分成N個(gè)區(qū)段，在每個(gè)區(qū)段中用直線段近似地代替曲線，然后再把各區(qū)段的分析結(jié)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(gè)直線段方程以列表形式排列在存儲(chǔ)器中，當(dāng)系統(tǒng)得到s1和s2(對(duì)應(yīng)Va1和Va2)時(shí)，根據(jù)s1和s2的值通過指令查找對(duì)應(yīng)的函數(shù)來計(jì)算當(dāng)前位移xt(如公式2所示)。

3.2 靜態(tài)誤差分析

如圖4所示，通過示波器來檢測(cè)A1和A2處的電壓，4次采樣取平均值，記錄數(shù)值Va1和Va2，由Va1和Va2得到Va值。如3.1節(jié)中介紹的分段線性擬合方式，在每個(gè)區(qū)段里，Va值和超聲換能器位移值的方程都是線性的。根據(jù)Va值查找對(duì)應(yīng)的區(qū)段方程，計(jì)算實(shí)際位移值xt。每隔500μm測(cè)量穩(wěn)態(tài)時(shí)命令位移值xs與實(shí)際位移值xt的誤差。得到如圖7所示的靜態(tài)誤差曲線，系統(tǒng)靜態(tài)誤差標(biāo)準(zhǔn)差為8.32×10-7nm。

3.3 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

按照?qǐng)D5所示的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)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(dòng)態(tài)位移曲線，其中xs為內(nèi)部命令位移，xt為檢測(cè)位移。將xt曲線平移，與xs曲線基本重合，測(cè)量線性區(qū)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(guān)系和位移標(biāo)定曲線Fig 6 Relation of sensor output voltage and displacement of ultrasonic transducer and displacement calibration curve

圖7 系統(tǒng)靜態(tài)誤差測(cè)量曲線Fig 7 Static error measuring curve of system

圖8 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試曲線Fig 8 Dynamic performance test curve of system

4 結(jié)論

本文對(duì)AMR位移傳感器在UBM掃描探頭中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)研究和驗(yàn)證。通過高精度螺旋測(cè)微器對(duì)傳感器的位移檢測(cè)進(jìn)行標(biāo)定，并通過示波器對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的誤差進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)表明:AMR傳感器在有限范圍內(nèi)具有精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可以為UBM掃描探頭提供高精度的位移信息。

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