基于TMR磁传感器的无线位移监测微系统，用于结构健康监测
2026-02-08 09:42:25   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

包括建筑物和桥梁在内的土木基础设施的完整性对于公共安全和经济稳定至关重要。这些结构面临着多种威胁，从环境因素到动态载荷，均可能导致裂缝、沉降和滑移等损伤现象。因此，对这些结构的关键参数进行实时监测与评估，对于判断其健康状态并预防事故发生具有重要意义。结构健康监测（SHM）系统已成为实现这一目标的关键工具，能够检测结构退化的早期迹象，并量化其对外界各类激励的响应。

先进传感器技术的发展，尤其是微机电系统（MEMS）技术——例如柔性敏感材料、电容式传感器以及磁力计——标志着结构健康监测领域的重大进步。其中，与MEMS工艺兼容的磁敏材料，包括各向异性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）和隧道磁阻（TMR）材料，具备低成本、微型化、非侵入式的位移、形变和姿态测量能力，并具有在不显著影响结构正常运行情况下实现大规模部署的潜力。在过去二十年中，这类传感器已被广泛应用于无损结构健康监测、生物医学、机器人以及航空航天等领域。

据麦姆斯咨询报道，近日，由清华大学、中南大学的研究人员组成的团队提出了一种基于TMR效应的高精度无线位移监测微系统（图1），用于结构健康监测。该系统克服了传统结构健康监测方法的局限性，实现了高精度、智能化和轻量化的测量。研究团队建立了磁场-位移解析模型，并对其线性量程进行了优化。针对磁场衰减引起的测量误差，设计了一种自适应灵敏度校正方法，从而避免了繁琐的磁场数值拟合处理。通过与激光测距结果对比验证了系统的精度与稳定性：在±7.5 mm测量范围内具有高精度，分辨率达到0.4 μm，长期工作精度优于2.25 μm。核心系统体积小于3.84 cm³，制造成本低，适合在各类基础设施中大规模部署。与该领域现有先进方法相比，该技术在精度、成本、尺寸和功耗方面均具有优势。在混凝土变形监测、裂缝宽度变化监测以及桥梁端部滑移变形监测等实际应用中，该系统均展现出良好的多功能性和有效性。在为期39天的实际桥梁测试中也验证了其长期自主运行的稳定性能，使其成为提升基础设施维护与安全性的有力工具。上述研究成果以“High-precision wireless displacement monitoring microsystem based on TMR effect for structural health monitoring”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

图1 基于TMR磁传感器的无线位移监测微系统

理论模型与优化

本文所提出的测量方法的基本原理如图2所示。首先，研究人员建立了完整的磁场解析模型。在永磁体中心轴附近，某一方向上的磁场强度与该方向上的位移呈线性关系。利用这一特性，可以根据传感器测得的磁场强度来计算TMR磁传感器相对于永磁体的位移。

图2 测量方法的基本原理

接着，研究人员利用有限元模拟（FES）软件COMSOL，验证了所建立的基于分子电流环模型的磁场解析模型的正确性。

为测量并减小线性化带来的误差，研究人员将磁场解析结果对传感系统参数进一步优化，包括永磁体的长度a、宽度b和高度h，以及TMR磁传感器与永磁体端面之间的间隙g。

系统配置与集成

根据中国建筑与桥梁结构位移监测国家标准及现有结构健康监测研究，本研究设计的位移监测系统应具有15 mm的量程以及优于0.1 mm的分辨率。经过上述分析，最终确定了永磁体的参数。在1%最大误差准则（MEC）和0.5%平均误差准则（AEC）的控制条件下，当间隙g为19.35 mm时，可获得最大允许线性区间（ALR）为25.35 mm。在所有商用TMR器件中，博世（Bosch）BMM350由于其低功耗和高分辨率而成为有力候选器件，并且具有优异的温度特性和极低的温度系数。BMM350的分辨率为0.1 μT，所提出的位移测量方法的最高分辨率可达到0.4 μm，且零点漂移不超过±8 μm。

为实现无人值守条件下位移的长期、自主和智能化监测，研究人员将所选的TMR磁传感器与处理、通信和供电等功能模块集成到一个微系统中（图3a）。此外，他们还设计了一款移动应用程序，可无线接收并实时可视化位移数据（图3b）。

图3 系统的整体配置

尽管通过理论计算已获得磁场强度与位移之间的转换灵敏度，但在实际应用中，永磁体的磁化强度会受到制造工艺、环境温度以及磁性能衰减等因素的影响，因此难以保持恒定。另一方面，永磁体与TMR磁传感器之间的间距g在安装过程中也会存在误差，因此需要对灵敏度进行自适应调整（图3d）。所设计的导轨带有用于确定系统线性工作区间的槽结构。在系统安装固定之前，可进入灵敏度标定环节：将永磁体基座滑块移动至槽的两端位置（图3e），记录磁场强度的极值，并根据该极值计算校正后的灵敏度。最终得到的灵敏度为249.7 ± 0.9 μT/mm。

性能表征与应用

研究人员将所提出的基于TMR的高精度位移测量系统与公认具有优异位移测量性能的激光测距方法进行了对比，如图4所示。当将激光测距结果作为真实位移时，本系统位移测量结果的误差如图4b所示。在相同的条件下，对所提出的系统与配备霍尔效应传感器和AMR传感器的位移监测系统进行了测试，并分析了其长期工作稳定性及漂移速度。结果表明，在功耗、噪声标准偏差、位移漂移速度以及最大位移偏差方面，TMR磁传感器均优于其它类型的磁力计（图4c）。

图4 高精度位移监测微系统的性能表征

该系统已被成功应用于多种结构健康监测场景，包括混凝土结构变形监测、裂缝宽度变化跟踪以及桥梁端部滑移检测，如图5所示。

图5 高精度位移监测微系统的应用演示

此外，在郑州新乡黄河大桥为期39天的现场部署中，该系统在恶劣环境条件下实现了自主运行，持续跟踪由热引起的每日位移波动，并识别出异常结构响应（图6）。结果表明，该系统能够区分环境因素与动态载荷效应，从而提升可解释性和可操作的维护决策。

图6 位移监测微系统在实际桥梁中的应用

小结

基于TMR传感效应，本研究完成了磁场-位移关系线性区间的建模与优化，设计了一种垂直堆叠集成的微系统，并在高精度结构位移监测方面取得了突破性进展。

通过性能表征验证了所设计系统的分辨率达到0.4 μm，误差小于1%，测量精度为2.25 μm。将本研究与其他结构位移监测领域的先进技术进行对比，可以发现所提出的系统在实现最佳测量性能的同时，其成本、尺寸和功耗均显著低于其它解决方案。

综上，本研究为一种可扩展的、高精度的基于TMR磁传感器的位移监测系统提供了理论基础与实验依据，适用于长期结构健康监测。该系统将紧凑的微型化结构、鲁棒的信号校准方法与可靠的无线通信相结合，使其能够高度适配多种基础设施应用场景。未来工作将进一步探索多轴位移监测，并与其他结构健康监测技术手段集成，以进一步提升结构诊断能力。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01090-3

延伸阅读：

《TMR磁传感器技术与成本对比分析》

《MEMS产业现状-2025版》

《下一代MEMS技术及市场-2025版》

《量子传感器技术及市场-2026版》

《传感器技术及市场-2026版》

《电流传感器产品对比分析》