一种基于巨磁阻效应的微量铁粉检测装置

摘要

本发明涉及一种铁粉检测装置，属于测量技术领域，具体是涉及一种基于巨磁阻效应的微量铁粉检测装置。包括：巨磁阻传感器，包括至少一个能够感应电阻变化，输出电压或电流信号的惠斯通电桥；传动模块，用于将带有铁粉的试纸传动至巨磁阻传感器；磁化模块，用于产生一外施磁场以将试纸铁粉磁化至饱和状态；信号处理装置，用于监测巨磁阻传感器的输出电压信号，并根据所述电压信号判断试纸含铁量。因此，本发明基于巨磁阻效应来检测微量铁粉元素，根据惠斯通电桥电压信号变化情况来定量测量铁粉的含量，其结构简单，检测精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁粉检测装置，属于测量技术领域，具体是涉及一种基于巨磁阻效应的微量铁粉检测装置。

背景技术

现有技术中存的铁粉检测是将铁原子粉末浸在特种胶状物质中，呈游离悬浮态，胶质的作用是将铁原子与空气、水分隔离防止氧化。现通过注射器将含有铁原子粉末的液体胶质注射涂抹在试纸条中，用磁铁或外加磁场靠近试纸，将铁原子磁化，再通过TMR传感器检测铁原子含量，该方法不定量，只精略定性，如显示结果为：试纸中铁原子含量为S1级、S2级、……S10级。

因此，对现有技术中的铁粉检测装置进行改进，以满足精确定量的要求，是当前迫切需要解决的技术问题。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的上述的技术问题，提供了一种基于巨磁阻效应的微量铁粉检测装置。该装置基于巨磁阻效应的检测微量铁粉，其检测精度高。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种基于巨磁阻效应的微量铁粉检测装置，包括：

巨磁阻传感器，包括至少一个能够感应电阻变化，输出电压或电流信号的惠斯通电桥；

传动模块，用于将带有铁粉的试纸传动至巨磁阻传感器；

磁化模块，用于产生一外施磁场以将试纸铁粉磁化至饱和状态；

信号处理装置，用于监测巨磁阻传感器的输出电压信号，并根据所述电压信号判断试纸含铁量。

在本发明的至少一个和例中，所述惠斯通电桥电路中，R1电阻与外施磁场B0和铁粉附加磁场B1正相关，R2与外施磁场正相关，R3、R4维持不变。

在本发明的至少一个和例中，系统进入启动待机状态，传动模块不断探测是否有试纸进入。如有试纸，将触发启动传动装置把试纸传送至磁化区域，然后降低传送速度，当试纸到达限位位置后启动限位器、停止传动，并启动固定机构将试纸铁粉区压紧，使试纸铁粉区与巨磁阻传感器传感器感应区紧密贴合；贴紧到位后采集测量传感器进行信号采集分析。

在本发明的至少一个和例中，试纸通过传动机构进入磁化区后，首先降低传动带速度至最低，然后采用高精度红外限位传感器对试纸边沿进行探测并定位，定位位置误差要控制在(D1-D2)范围内。其中D1指试剂宽度，D2指TMR传感器感应区宽度，传感器选型要求D1＞D2，为了成功限位，可规定D1＞2*D2。

在本发明的至少一个实施例中，限位成功后，通过试纸固定机构向试纸中试剂铁粉区施加固定大小的压力F，压力F必须适中，以确保试纸铁粉区与TMR传感器感应区紧密贴合。同时要求多次施压后贴合紧密度保持严格一致性。试纸固定件必须由非导磁材料组成，优先表面平整光滑的PVC塑料材质。

在本发明的至少一个实施例中，还包括一中央控制系统，所述中央控制系统选择STM32系列嵌入式控制芯片最小版系统，能够控制液晶显示屏、进行信号测量与分析、控制算法设计、数据存储、USB接口输出等功能。

因此，本发明基于巨磁阻效应来检测微量铁粉元素，根据惠斯通电桥电压信号变化情况来定量测量铁粉的含量，其结构简单，检测精度高。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1例示了本发明实施例中的原理图；

图2例示了本发明实施例中的检测装置的系统构成图；

图3例示了本发明实施例中的检测装置整体设计框图；

图4例示了本发明实施例中的TMR模块技术路线图；

图5例示了本发明实施例中的由TMR电阻构成惠斯通电桥示意图。

图6例示了本发明实施例中的磁化模块的技术路线图；

图7例示了本发明实施例中的机械传动模块技术路线示意图；

图8例示了本发明实施例中的中控模块技术路线示意图；

图9例示了本发明实施例中的微弱信号处理模块技术路线示意图；

图10例示了本发明实施例中的磁化恒定电流源技术路线示意图；

图11例示了本发明实施例中的TMR供电电流源技术路线示意图；

图12例示了本发明实施例中的经典锁相放大器电路。

将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

实施例

如图1所示，为本实施例的检测装置原理图，该检测装置的基本原理是基于巨磁阻传感器(TMR)的微量铁粉饱和磁场检测。由TMR传感器组成惠斯通电桥电路，通过直流或变流磁化器产生激励磁场B0，作用于

TMR传感单元(R1)和TMR参考单元上(R2、R3、R4)，这两个单元发生同样的电阻变化。当磁性铁粉加到巨磁阻传感器芯片上后，铁粉自在激励磁场空间中，在激励磁场的作用下，铁粉被磁化，产生一个微弱的附加磁场B1。该附加磁场引起TMR传感器电阻的变化，从而破坏了惠斯通电桥的平衡，使电桥的输出电压信号发生变化，将电压变化量进行信号放大、预处理、A/D采集等环节，并进行信号分析，显示出铁粉磁场大小的结果。在外磁磁场恒定不变的情况下，铁粉含量与铁粉磁场大成正相关关系。根据该关系将铁粉含量显示在终端显示器上，从而实现对铁粉含量的检测。

如图2所示，为检测装置的系统构成。主要包括励磁系统、信号测量系统、机械执行系统和主控系统4个部分。

基于TMR的微量铁粉检测装置的整体设计如图3示，主要由传动模块、磁化模块、TMR模块、微弱信号处理模块、电源模块、中控模块及显示模块等7个部分组成。

下面对本实施例的主要模块分别介绍。

1.TMR模块

TMR传感器的选型将综合考虑铁粉饱和磁化等级、信号测量范围、测量灵敏度、外部磁场干扰强度、传感器温漂因子等多个因素，选定最适合该项目的TMR传感器，并确定其供电电源、尺寸、信号的预处理方式等。

惠斯通电桥能够感应电阻变化，输出电压或电流信号。惠斯通电桥电路中，R1电阻与外施磁场B0和铁粉附加磁场B1正相关，R2与外施磁场正相关，R3、R4维持不变，即：

R1＝f1(B0+B1)、R2＝f2(B0)

当磁化器磁化电流不变，即B0恒定不变时，惠斯通电桥电路输出的电压差U的大小为：

U＝fx(B0)

2.磁化模块

TMR传感器的选型将综合考虑铁粉饱和磁化等级、信号测量范围、测量灵敏度、外部磁场干扰强度等多个因素，选定最适合该项目的磁化强度等级，并确定其线圈尺寸、线圈电源、线圈方向及散热等问题。

通过亥姆霍兹线圈中心磁场、均匀直流螺线管管心、或电磁铁中心轴线磁场产生合适大小的外加电场，对试纸上的磁粉进行定向磁化。以亥姆霍兹线圈为例，产生中心磁场：

B＝9*10-4*N*I/R(mT)

以螺线管为例，产生中心磁场：

B＝1.2*10-3*N*I(mT)

外施磁场大小需满足将试纸铁粉磁化至饱和状态。

磁化器根据实际空间可由亥姆霍兹线圈或均匀螺线管、或电磁铁产生。限位器控制试纸在固定的位置，使试纸中的铁粉部分正对在TMR传感器上方表面。磁化器的磁化电流有两种选择方案，即恒定直流磁化和在直流电流基础上叠加小交变电流磁化。两种磁化产生的磁化效果不同，对应生成的TMR传感器输出电压信号不同。具体选择将根据实际情况调整。

3.传动模块

整个装置的机械系统将考虑带齿皮带齿距、试纸移动速度、限位位置、试纸固定压力、TMR尺寸大小、铁粉在试纸中的位置区间等多个方面进行设计，并确定传动皮带型号、电机扭矩、电机控制器、固定件尺寸等参数。

机械部分包括试纸传送设计、试纸限位设计与固定设计：

试纸传送部分负责将送进来的试纸传送至磁化区域。将采用高精度步进电机和带齿耐磨皮带构成。

试纸限位：试纸传送部件将试纸送至预先设定好的位置后，有限位传感器感知试纸并告知传送部件立即停止传送工作。

试纸固定：试纸固定部件通过向试纸铁粉区施加一定的压力，使试纸铁粉区与TMR传感器感应区紧密贴合

整个传动模块执行程序流程图8示。首先开启装置，系统进入启动待机状态，不断探测是否有试纸进入。如有试纸，将触发启动传动装置把试纸传送至磁化区域，然后降低传送速度，当试纸

到达限位位置后启动限位器、停止传动，并启动固定机构将试纸铁粉区压紧，使试纸铁粉区与TMR传感器感应区紧密贴合。贴紧到位后采集测量传感器进行信号采集分析，得出首次测量结果，测量过程重复3次，如果3次测量结果误差过大，超出预设范围，则继续重复测量3次。如果3次测量结果误差在预设的范围内，可认为3次测量结果保持一致，最后输出测量结果、保存数据。

4.微弱信号处理模块

经外磁场磁化后达到磁饱和状态的微量铁粉的磁场强度十分微弱，对TMR传感器后续信号采集与处理电路的精度同样提出了苛刻的要求。微量铁粉磁化后引起TMR电压偏差属于一种微弱信号，微弱信号处理的常见方法为锁相放大电路，具体包括信号调制、信号调解、信号采样以及信号处理等。

检测装置的电源模块主要包括磁化恒定电流源、TMR模块恒定电流源和直流电压源三部分。

(1)磁化恒定电流源源

磁化恒流电源为具有高度稳定性的恒定电流输出电源，要求输出电流稳定不变，电流输出可调节，相同输出设置下电流一致性高。励磁电磁的选择是磁化系统的关键环节，本环节将综合考虑磁化方式、磁化电流、供电功耗、线圈匝数、线圈材质及线径、散热问题等多个方面的问题进行优化设计选型，并确定电源的纹波大小、可调范围、电源的尺寸、配套散热风扇设计等。

(2)TMR恒流电源

TMR传感器是一种有源传感器，分为恒定电流供电型和恒定电压型供电两种。一般情况下，由恒定电流供电的TMR传感器稳定性要优于恒定电压供电的TMR传感器。由于试纸中铁粉含量极其少，其磁化饱和场极其微弱，为了保证能稳定检测出不同含量的试纸，本方案将优选高稳定性的恒流电源，为恒流型TMR传感器提供工作电源。

TMR供电电源是磁场信号测量的关键环节，要求TMR电源输出性能具体高度稳定性、一致性。该环节将综合考虑传感器型号、供电电流、供电电压、供电功耗、散热问题等进行优化设计选型，并研究电源纹波大小、可调范围、电源尺寸等参数

(3)直流电压源

直流电压源为主控系统、显示系统、控制系统、执行机构提供稳定的工作电源。信号放大模块。经外磁场磁化后达到磁饱和状态的微量铁粉的磁场强度十分微弱，不仅对TMR传感器的灵敏度提出了极高的要求，而且对TMR传感器后续信号采集与处理电路的精度同样提出了苛刻的要求。微量铁粉磁化后引起TMR电压偏差属于一种微弱信号，微弱信号处理的常见方法为锁相放大电路，具体而言对于恒定直流磁化方式，TMR传感器输出恒定直流电压，通过信号放大调理电路进行信号预处理；对于恒定直流磁化基础上叠加小交变电流磁化，TMR传感器输出正统交变的电压信号，将通过于基于锁相放大器的调制方式进行信号预处理。

通过以上描述可知，本实施例可以对铁粉进行定量测试，

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。