無線無源諧振式傳感器讀取單元的設計與研究

Design and Research of the Readout Unit Based on Wireless Passive Resonant Sensor

曹　群1,2　趙衛(wèi)軍3　梁　庭1,2　張海瑞1,2　洪應平1,2　鄭庭麗1,2　熊繼軍1,2

(中北大學電子測試技術(shù)重點實驗室1，山西　太原　030051；

中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室2，山西　太原　030051；北京宇航系統(tǒng)工程研究所3，北京　100000)

無線無源諧振式傳感器讀取單元的設計與研究

Design and Research of the Readout Unit Based on Wireless Passive Resonant Sensor

曹群1,2趙衛(wèi)軍3梁庭1,2張海瑞1,2洪應平1,2鄭庭麗1,2熊繼軍1,2

(中北大學電子測試技術(shù)重點實驗室1，山西太原030051；

中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室2，山西太原030051；北京宇航系統(tǒng)工程研究所3，北京100000)

摘要：基于LC諧振傳感器的互感耦合原理，研究并設計了一種基于ASIC的專用模擬集成電路測試模塊的新穎讀取單元。論述了無線無源LC諧振傳感部分頻率讀取方法的理論模型，介紹了利用該模塊產(chǎn)生掃頻信號的電路結(jié)構(gòu)，并詳細闡述了數(shù)字化存儲與PC后處理結(jié)合的測試方法。實驗結(jié)果表明，傳感器與讀取天線的耦合距離為2.5 cm時，在0~0.3 MPa的壓力范圍內(nèi)，使用該讀取單元測得的傳感器諧振頻率與阻抗分析儀讀取的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出良好的一致性，最大相對誤差為5.36%。該讀取單元為無線無源LC諧振傳感器應用于實驗室以外的實際工程環(huán)境提供了可能。

關鍵詞：無線無源LC諧振式傳感器互感耦合信號讀取數(shù)字存儲模擬集成電路

Abstract：Based on mutual inductance coupling principle of LC resonant sensor, the novel readout unit on the basis of ASIC dedicated analog IC test module is researched and designed. The theoretical model of frequency readout method for wireless passive LC resonant sensor is expounded, the circuit structure for generating sweep frequency signal using the module is introduced, and the test method that combining digitized storage and PC post-processing is described in detail. The experimental results indicate that when the distance between sensor and readout antenna is 2.5 cm, and the pressure range within 0 to 0.3 MPa, the resonant frequency measured by the readout unit and the data read from impedance analyzer is consistent, the maximum relative error is 5.36%, this provides possibility for applying wireless passive LC resonant sensor in practical engineering environment outside laboratories.

Keywords：Passive wireless LC resonant sensorInductance couplingSignal readoutDigital storageAnalog integrated circuit

0引言

在工業(yè)[1]、自動化[2]或生物醫(yī)學[3]的應用領域中，利用傳感器與讀取電路之間的有線連接難以實現(xiàn)壓力測試，例如在高溫環(huán)境中引起的有線連接或結(jié)構(gòu)失效。為了解決這些問題，通常采用由敏感電容和可以通過互感耦合進行無線操作的LC諧振電路共同組成的無線無源傳感器[4]作為測試元件，利用遠端無線傳感的方法來檢測傳感器的諧振頻率。

通常情況下，為了實現(xiàn)無線耦合信號的讀取，選用網(wǎng)絡分析儀[5]或阻抗分析儀[6]等測試儀器，通過測量天線線圈的阻抗大小和相位移動得到傳感器的諧振頻率。盡管這些讀取設備可調(diào)節(jié)性強且精確度高，但是在實驗室環(huán)境之外，因其價格昂貴、體型笨重，在很大程度上限制了這種讀取方法的廣泛使用。

在上述讀取方法的基礎上[7]，研究并設計了一種基于無線無源互感耦合原理的讀取單元。該讀取單元主要采用模擬集成電路測試模塊，通過產(chǎn)生掃頻信號，進而混頻及低通濾波，將信號數(shù)字化存儲之后，通過PC讀取數(shù)據(jù)，并利用軟件進行數(shù)據(jù)處理，完成對無源壓力傳感器諧振信號的讀取。同時，該讀取單元體積小、攜帶方便、通信方式靈活，為今后進一步的研究節(jié)約了工作時間。

1互感耦合諧振讀取模型分析

無線耦合信號的傳輸利用了電磁感應原理，實現(xiàn)了從發(fā)射天線到LC諧振式傳感器的能量無線傳輸。基于上述原理可知，讀取單元的具體工作過程如下：傳感器的諧振頻率通過磁耦合連接傳輸?shù)阶x取天線端，并隨著壓力感應電容的變化而發(fā)生改變，通過遠端的讀取天線可以檢測到頻率的變化，然后由傳感器的諧振頻率推導出所測壓力。諧振頻率可表示為：

(1)

讀取單元的等效電路如圖1所示。

圖1　讀取單元等效電路圖

圖1中，V1為通過直接數(shù)據(jù)頻率合成器(directdigitalsynthesizer,DDS)產(chǎn)生的一個掃描信號源;R1和R2分別為讀取天線和感應電路的串聯(lián)電阻；C1為讀取電路的電容；C2為對壓力敏感的傳感器電容；M為互感耦合系數(shù)。掃描信號V1和電阻Rref兩端的參考電壓Vref通過混頻器進行混頻，然后利用低通濾波器對輸出信號Vm進行濾波，最終生成一個低頻輸出電壓Vout。

由基爾霍夫定律可以得到：

Z1I1+ZMI2=U1

(2)

ZMI1+Z2I2=0

(3)

Z1、 Z2和ZM的計算公式如式(4)~式(6)所示：

(4)

(5)

ZM=j2πfM

(6)

式中：f為掃頻信號的頻率。

參考電壓Uref可以由式(4)和式(5)計算得出：

(7)

混頻輸出信號Um可以表示為：

(8)

利用替代公式[8]可以得到：

式中：Zi為讀取天線終端的等效輸入阻抗；f1和f0分別為天線和傳感器的諧振頻率；k為耦合系數(shù)；Q為傳感器的品質(zhì)因數(shù)。

式(8)可以重新表示為：

(9)

從式(9)可以看出，Um與傳感器的諧振頻率f0有關，并且f0可以通過測量LPF(LPF的截止頻率為1kHz)混頻濾波后的輸出電壓Uout而得到。當掃頻信號的頻率與傳感器的諧振頻率相同時，輸入阻抗Zi將會發(fā)生顯著的變化[9]，同時，輸出電壓Uout也會相應地改變。由于計算機后處理的輸出電壓與壓力變化趨勢一致，我們可以通過分析輸出電壓信號[10]得到傳感器的諧振頻率。輸出電壓Uout隨頻率變化曲線如圖2所示。由于電磁感應使仿真曲線上出現(xiàn)了突變，突變點所對應的頻率即為傳感器的諧振頻率。

圖2　讀取單元的模擬輸出電壓

2讀取單元電路設計

讀取電路在印制電路板(PCB)的基礎上[11]采用了模擬集成電路，整個測試過程的流程圖如圖3所示。

圖3　測試過程流程圖

首先，由單片機編程產(chǎn)生一個DDS，進而輸出一個頻率范圍為1~100 MHz的掃頻信號。該掃頻信號和參考電阻Rref兩端的輸出電壓信號通過乘法器進行混頻，然后利用低通濾波電路將混頻器的輸出信號轉(zhuǎn)換為直流輸出電壓。同時，利用一個快速16位ADC (AD7667)數(shù)字系統(tǒng)對直流輸出電壓進行處理及數(shù)字化。然后，單片機將數(shù)字化數(shù)據(jù)存儲到閃存中，并向PC同步發(fā)送數(shù)據(jù)，通過 PC后處理軟件對數(shù)據(jù)進行處理，最終提取并保存?zhèn)鞲衅鞯闹C振頻率。

圖3中，實線箭頭表示流程的進行，虛線箭頭表示二者之間存在一定的聯(lián)系。DDS與乘法器之間的虛線箭頭表示在乘法器里包含DDS發(fā)出的掃頻信號；傳感器諧振頻率變化公式框圖表示諧振頻率的理論計算值，提取諧振頻率f0框圖表示諧振頻率的實際測試值，二者之間的虛線箭頭表示這兩個值具有相同的變化趨勢和規(guī)律。虛線框表示主要由這兩個進程來實現(xiàn)耦合波形的顯示。

3諧振頻率信息提取

對于諧振頻率的提取，首先通過ADC對直流輸出電壓進行處理與數(shù)字化，然后將數(shù)字化數(shù)據(jù)存儲在閃存中。其中，PC后處理軟件用來處理從閃存中讀取到的數(shù)據(jù)，并最終提取出壓力傳感器變化的諧振頻率。圖4給出了提取諧振頻率信息的具體流程。

圖4　諧振頻率信息提取流程

從閃存中讀取到測試數(shù)據(jù)之后，首先要分析其在整個測試過程中的數(shù)據(jù)完整性和準確性，如果有錯誤的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)或數(shù)據(jù)內(nèi)容，數(shù)據(jù)的處理將會停止。在確認數(shù)據(jù)的正確性之后，由可變電容引起的傳感器諧振頻率便可以通過以下步驟提取出來。

① 生成頻率軸(x軸)。x軸的起點和終點的坐標值分別由DDS的起始頻率和終止頻率決定，而頻率的步進值由DDS與直流輸出信號電壓Uout的采樣值決定。最小頻率步進值為1 kHz，頻率掃描的周期時間為1 ms。

② 數(shù)據(jù)分段，即從提取出來的數(shù)據(jù)中找到起始頻率和終止頻率的控制字。在產(chǎn)生掃頻信號的過程中，從起始頻率開始到終止頻率結(jié)束，直流輸出信號的控制字和采樣數(shù)據(jù)都作為數(shù)據(jù)分割標志被寫在閃存中。

③ 濾波處理。由于在讀取電路的工作過程及直流采樣過程中存在各種不同類型的噪聲和毛刺，因此與傳感器諧振相關的駐點數(shù)據(jù)會受到干擾。為了在接下來的步驟中準確地提取諧振頻率，使用Matlab軟件濾波功能對獲取的直流波形進行平滑處理。

④ 檢測駐點。使用Matlab軟件的微分函數(shù)找出三個停滯點，但是由于在所有的點中只有一個駐點(fa)與傳感器諧振相關，因此需要再次使用Matlab軟件中的微分函數(shù)找出唯一的駐點。

⑤ 確定諧振頻率。根據(jù)上述步驟提取出的駐點，頻率軸的橫坐標代表一個周期內(nèi)LC諧振傳感器的諧振頻率，可以確定并存儲在一個一維數(shù)組中。在每一個周期內(nèi)，通過尋找諧振特征點可以提取動態(tài)諧振頻率，并相應地繪制出頻率-壓力曲線。

4實驗及結(jié)果

在理論分析的基礎上，采取相關實驗進一步深入研究。常溫條件下，將傳感器與讀取天線放置于壓力罐中，二者的耦合距離設為2.5 cm，壓力范圍設置為0~0.3 MPa。讀取單元輸出電壓信號，其在表壓為零壓條件下的具體測試結(jié)果曲線如圖5所示。從圖5可以看出，當傳感器與天線耦合時，輸出電壓信號隨著頻率的增加而發(fā)生變化，被測傳感器的諧振頻率為15.771 MHz，該數(shù)值大于理論值。理論頻率值與實際頻率值的差異可能是由于傳感器電路的電感變化或者是加工制造后的電容發(fā)生了變化[12]。

圖5　讀取單元的測試輸出電壓曲線

由于讀取單元主要針對無線無源壓力傳感器的應用，因而在實驗過程中，通過改變壓力值來檢測傳感器諧振頻率的變化。圖6顯示了耦合距離為2.5 cm時，傳感器的諧振頻率隨外加壓力的變化而變化。由圖6可以看出，頻率與壓力呈近似線性關系。

圖6　讀取電路的歸一化比較

阻抗分析儀與讀取電路各自測得的數(shù)據(jù)如表1所示。通過分析比較可以得出，二者的相對誤差最大為5.36%，表現(xiàn)出了良好的一致性。誤差來源一方面是讀取電路的連接線路損耗，另一方面來自于信號源的分辨率。為了減小誤差，采取的具體方法如下：在線路方面選擇高性能的同軸電纜；提高掃頻源的精度，減小掃頻步進值。本次測試中選擇步進值為1 kHz。

表1　阻抗分析儀與讀取電路測量數(shù)據(jù)

5結(jié)束語

本文提出了一種無線無源互感耦合讀取單元。該單元具備體積小、攜帶方便、通信方式靈活等特點，在實際工程應用中有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓力測試中的大型讀取設備(阻抗分析儀、網(wǎng)絡分析儀)進行實驗測試。實驗

結(jié)果表明，讀取單元所測得的頻率與壓力之間的關系曲線與阻抗分析儀讀取的曲線表現(xiàn)出良好的一致性，為后續(xù)提高讀取單元的穩(wěn)定性及靈敏度奠定了基礎。

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中圖分類號：TH89；TP212+.1

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507018

國家973基金資助項目(編號：2010CB334703)；

國家自然科學基金重點資助項目(編號：61335008)。

修改稿收到日期：2014-01-06。

第一作者曹群(1990-)，女，現(xiàn)為中北大學精密儀器及機械專業(yè)在讀碩士研究生；主要研究方向為無線無源高溫壓力傳感器。