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醫療應用中的磁致伸縮位置傳感器

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2022-03-14 13:57

  

        磁致伸縮式位置傳感器具有非接觸式敏感、能讀取絕對值、分辨率不受限制等特點。這種技術的非接觸式特征意味著不存在摩擦或滑動的部件及相應的磨損,可以保證位置傳感器具有幾乎無限長的壽命。高可靠性和無限長的服務壽命使得該技術非常適用于醫療設備使用。這類傳感器本身的特點決定了它們擁有絕對讀數能力和不受限制的分辨率,這意味著不再需要定期進行零位調整或校準,測量的增量可以小到電子電路接口所能分辨的極限。
        磁致伸縮式直線位置傳感器由一個容納電子線路的頭部、一只敏感探頭和定位磁體構成。敏感探頭通常是固定不動的,定位磁體則連接到待測的移動物體上。隨著定位磁體沿敏感探頭的長度方向移動,定位磁體與頭部電路部分間的距離被不斷讀出。讀取通常以 1000~4000 次 /s的頻率進行。定位磁體并不與敏感探頭發生接觸,而是通過其磁場與探頭耦合。
       磁致伸縮效應是鎳、鐵、鈷等鐵磁材料的一種特性,它是指施加磁場后,可以讓材料在尺寸或形狀方面發生物理變化,如圖2所示。這一變化是由于材料中的磁疇與外部施加的磁場方向對齊的緣故。磁疇(由箭頭表示)可以被看作是微小的永磁體,在未經磁化的材料中,它們的取向是隨機的。 經過磁化后,磁疇形成了統一的取向。
       正因為磁場在鐵磁材料中所造成的變化是一種物理變化,所以其逆變化也是成立的:施加應變也會造成材料磁特性(磁導率)的變化。這一“逆磁致伸縮現象”稱為Villari效應,裝有電路的結構頭部可以利用它來檢測波導上的超聲脈沖。
       上面所說的波導是一定長度的線狀磁致伸縮材料,并置于傳感器的敏感探頭部分。當磁致伸縮線上流過電流脈沖(稱為詢問脈沖)且線上某點處施加一個軸向磁場時,施加軸向磁場的部位就會出現扭轉應變,這稱為Wiedemann效應。扭轉應變在波導中以超聲波脈沖形式分別向相反的兩個方向傳播,并通過阻尼元件消除遠離電子頭處的脈沖。
       向電子頭處運動的脈沖在達到電子頭時可被電子線路檢測出來。不同于波導其它部分,該超聲脈沖是一種應變波,隨著磁導率變化(Villar效應)而變化。當這一塊磁導率不同的部位通過一個為偏置磁場所包圍的敏感線圈時,就會引發一個電壓脈沖(Faraday效應),電子線路部分則對該電壓脈沖進行檢測(稱為回應脈沖)。
磁致伸縮位移傳感器
       工作時,在發出詢問脈沖的同時,一個計時器相應啟動。檢測到回應脈沖后,計時器停止計時。其間流逝的時間表示出定位磁體與電子頭之間的距離。附加的電子線路則將時間長短轉換為所希望的模擬或數字輸出信號。
       傳感器外殼通常有若干種形式。對圖1所示的形式而言,其安裝是將傳感器的帶外螺紋的法蘭旋入應用中沿敏感軸向刻出的內螺紋中。定位磁體是一個單獨的部件,由用戶安裝到待檢測的運動部件上。一種在汽車上使用的外殼形式,則是低成本的包覆成形(overmolded)塑料外殼,通過在外殼上鑄模時形成的螺釘孔固定。其他的安裝方式還包括掛鉤安裝和側向安裝,在這兩種安裝方式中,定位磁體被安裝到一個載體上,并保持與波導的對準關系。關于外殼形式及相關尺寸的詳細信息,可以在制造商的網址上查找。
       電子頭包括了能向波導發出詢問脈沖的電路、放大器、濾波器,并能檢測超聲波脈沖引起的電壓信號,測量出詢問脈沖和回應脈沖之間的時間間隔,產生所期望的輸出。通??色@得的輸出包括模擬電壓、模擬電流、電壓脈沖(稱為起停)、CANbus、Profibus、SSI和其它形式。電源電壓范圍通常是5VDC~24VDC,具體情況與型號有關。
       磁致伸縮直線位置傳感器如何安裝到醫院病床上,用來控制病床的調整。以前的產品往往采用接觸式或霍耳效應(磁)開關,使用時,需要在床的組裝過程中由人工方法調整每一個開關點。對不同型號的病床來說,需要用各種不同類型的支架來固定每一個位置上的開關。為了保證每個開關都能在所期望的位置上動作,需要逐一進行單獨的校準。反過來說,如果使用一個磁致伸縮直線位置傳感器,則在整個行程長度上可以提供全部可能的開關點。當床放置到預定位置時,與傳感器接口的控制模塊可以通過編程方法設定為自動校準“開關”點。此時,只需要采用一個安裝托架,而且任何可能的開關點都可以方便地編程設定。雖然磁致伸縮式傳感器比單個接觸式或磁開關昂貴,但它能取代多個開關、支架而且節省了手工勞動量。
       與此類似,一個磁致伸縮傳感器可以取代若干個牙科診療椅上常用的接觸式或者磁開關。此外,由于系統是完全可編程的,所以可以利用一個微處理器和存儲器來設定并記憶所有預先確定的“標準”位置。牙醫可以選取這些預定位置中的任一個,或者編程設定一個新位置。
       磁致伸縮線性位置傳感器也可以用于改善輪椅提升機構的耐用性,提高正位移噴藥系統的劑量控制精度。如果用其替換接觸和磁開關,那么對制造商和用戶來說,其具備的全范圍內可編程設定能力將帶來極大的方便。
       上面提到的突出特點將有助于降低某些應用的成本,具體辦法是采用多個定位磁體。例如,同一時間可以將兩個磁體沿敏感探針放置,當詢問脈沖發出時,兩個定位磁鐵所在位置將分別發出一個超聲脈沖。兩個脈沖依次被檢測出來,計時器將存儲兩個脈沖被檢測出之前分別經歷的時間。通過這一辦法,可以用單個傳感器(只需花費單件產品的價格)實現對兩個對象的測量。用一個傳感器檢測16個磁體也已經成為司空見慣的做法。
        磁致伸縮位置傳感器近來已取得了顯著的進步,其中一些要歸功于汽車工業為了保證可靠性和低成本要求而采用的自動化制造過程。除了物理尺寸較小、成本更低、易于大批量制造外,其失效率也很低,據報道遠低于汽車工業要求的 50ppm。高可靠性和本身壽命無限的特點,使得磁致伸縮傳感器能很好的為醫療行業所需的高可靠性的產品服務。
 


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