硬標(biāo)簽質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)及測(cè)試

蔡曉霞,盛慶元,朱 丹

(紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000)

硬標(biāo)簽質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)及測(cè)試

蔡曉霞,盛慶元,朱 丹

(紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000)

電子商品防盜系統(tǒng)(EAS)中使用的一類硬標(biāo)簽核心電路由磁棒線圈和電容串聯(lián)組成，LC諧振頻率F和品質(zhì)因數(shù)Q值是硬標(biāo)簽關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)。針對(duì)該類硬標(biāo)簽參數(shù)檢測(cè)的市場(chǎng)需求和傳統(tǒng)雙線圈檢測(cè)方法存在的不足，提出了一種基于互感耦合原理，以亥姆赫茲線圈磁場(chǎng)為激勵(lì)，采用差分和二級(jí)積分電路獲取硬標(biāo)簽幅頻特性信息的檢測(cè)方法，搭建了硬標(biāo)簽參數(shù)檢測(cè)傳感器電路分析傳感器檢測(cè)F、Q值的理論模型。通過(guò)對(duì)市售58 kHz硬標(biāo)簽試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明：該傳感器F、Q值的絕對(duì)誤差分別小于0.025 kHz和1.3，其諧振頻率測(cè)試性能明顯優(yōu)于市售EAS頻率檢測(cè)儀(E-X5006AM)，性能滿足行業(yè)測(cè)試要求。該傳感器可為硬標(biāo)簽生產(chǎn)過(guò)程和質(zhì)量檢測(cè)提供F和Q值信息，具有行業(yè)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

傳感器； 互感耦合； 諧振頻率； 磁棒線圈； 品質(zhì)因素； 幅頻特性

0 引言

電子商品防盜系統(tǒng)(electrionic article surveillance,EAS)的應(yīng)用越來(lái)越多，但是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家對(duì)EAS中的硬標(biāo)簽檢測(cè)停留在人工測(cè)試階段，暴露出檢測(cè)精度差、自動(dòng)化水平低、無(wú)法對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行評(píng)估等缺點(diǎn)[1]。

目前，國(guó)際上ISO/IEC 18046-3-2007等標(biāo)準(zhǔn)給出了EAS系統(tǒng)的標(biāo)簽以及防盜檢測(cè)系統(tǒng)的基本規(guī)范要求[2-4]。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)電子標(biāo)簽在線參數(shù)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，如：楊成忠等[5]提出了利用互感耦合原理對(duì)標(biāo)簽的質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的方法；宋小鋒、朱亞萍等研究了單線圈傳感器模型和雙線圈傳感器模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[6-9]；李佳駿[10]利用磁場(chǎng)仿真軟件AnsoftHFSS，對(duì)多種檢測(cè)傳感器模型進(jìn)行仿真建模，研究了傳感器形狀對(duì)測(cè)試性能的影響；牛元海[11-12]分析了標(biāo)簽信號(hào)特征，提出了一種標(biāo)簽信號(hào)的綜合判決流程，并設(shè)計(jì)了一種EAS掃頻信號(hào)源。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來(lái)看，國(guó)內(nèi)外的研究對(duì)象均以軟標(biāo)簽為主，圍繞雙線圈結(jié)構(gòu)傳感器進(jìn)行[10-13]。試驗(yàn)表明：雙線圈式傳感器圈的面積、繞制匝數(shù)、標(biāo)簽放置位置及標(biāo)簽與傳感器相對(duì)位置都會(huì)影響硬標(biāo)簽質(zhì)量參數(shù)準(zhǔn)確性[5,8-14]。這種結(jié)構(gòu)的缺陷在于發(fā)射與接收線圈間、標(biāo)簽與發(fā)射和接收線圈之間都會(huì)互相干擾；特別是標(biāo)簽對(duì)發(fā)射線圈的影響將改變?cè)艌?chǎng)的強(qiáng)度，而且由于不同標(biāo)簽對(duì)發(fā)射線圈的影響不同，使得數(shù)據(jù)修正不可能實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，發(fā)射線圈對(duì)接收線圈的影響疊加于標(biāo)簽產(chǎn)生的磁場(chǎng)上，無(wú)法區(qū)分[14-15]。這些都會(huì)導(dǎo)致諧振頻率產(chǎn)生偏差，對(duì)品質(zhì)因數(shù)Q值判定誤差的影響將更為嚴(yán)重。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種以亥姆赫茲線圈磁場(chǎng)為激勵(lì)，基于互感耦合原理，采用差分電路提取測(cè)試信號(hào)并用二級(jí)積分電路進(jìn)行信號(hào)處理，獲取硬標(biāo)簽的幅頻特性信號(hào)。該方法解決了傳統(tǒng)雙線圈結(jié)構(gòu)傳感器各部分間干擾導(dǎo)致諧振頻率測(cè)量誤差大和無(wú)法測(cè)試電子標(biāo)簽Q值的問(wèn)題。

1 EAS標(biāo)簽檢測(cè)原理

1.1 標(biāo)簽?zāi)Ｐ?/p>

硬標(biāo)簽的實(shí)物電子元器件由一個(gè)多圈線圈和一個(gè)電容串聯(lián)而成，部分標(biāo)簽會(huì)在線圈中插入勵(lì)磁磁棒。對(duì)電子標(biāo)簽的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行電路等效。硬標(biāo)簽電路等效圖如圖1所示。

圖1 硬標(biāo)簽電路等效圖

標(biāo)簽阻抗為：

(1)

式中：R為標(biāo)簽線圈內(nèi)阻值；L為標(biāo)簽線圈電感值；C為標(biāo)簽的電容值；w為角頻率。當(dāng)wL-1/wC=0時(shí)，|Z(jw)|最小，表現(xiàn)為純阻抗特性。

此時(shí)的角頻率為諧振角頻率：

(2)

圖1中的LC回路有選頻特性功能，Q值是反映選頻特性好壞的一個(gè)指標(biāo)。Q值越大，選頻特性越好，相應(yīng)的標(biāo)簽質(zhì)量就越高。

1.2 標(biāo)簽質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)原理

現(xiàn)有文獻(xiàn)中雙線圈檢測(cè)方法都與ISO/IEC 18046-3-2007中給出的方法一致。硬標(biāo)簽常規(guī)測(cè)試方法示意圖如圖2所示。

圖2 硬標(biāo)簽常規(guī)測(cè)試方法示意圖

硬標(biāo)簽常規(guī)測(cè)試裝置測(cè)量原理與實(shí)際所使用的EAS系統(tǒng)相似。發(fā)射線圈用于發(fā)射檢測(cè)標(biāo)簽的掃頻信號(hào)。當(dāng)標(biāo)簽經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，由于檢測(cè)區(qū)域含有隨頻率變化的磁場(chǎng)，標(biāo)簽內(nèi)部的電感會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，形成感應(yīng)電流。此感應(yīng)電流也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，反過(guò)來(lái)干擾檢測(cè)區(qū)域的磁場(chǎng)分布，使檢測(cè)線圈產(chǎn)生一個(gè)明顯的擾動(dòng)信號(hào)。這個(gè)信號(hào)能反映標(biāo)簽的質(zhì)量參數(shù)。朱亞萍[8]對(duì)這種雙線圈檢測(cè)方法的研究表明：標(biāo)簽線圈與發(fā)射和接收線圈間的互感系數(shù)增大，使諧振頻率偏差加大，甚至無(wú)法對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行檢測(cè)；標(biāo)簽線圈與發(fā)射和接收線圈間的互感系數(shù)增加，使諧振頻率偏差減小，但整體波形不再突出中心頻率處的帶寬，即影響標(biāo)簽Q值的精準(zhǔn)度。此種檢測(cè)方法的不足本質(zhì)在于：發(fā)射與接收線圈之間，標(biāo)簽與發(fā)射和接收線圈之間都會(huì)互相干擾。

2 傳感器設(shè)計(jì)

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 傳感器工作原理分析

首先，當(dāng)亥姆赫茲線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)激勵(lì)時(shí)，如發(fā)射線圈間距a等于發(fā)射線圈半徑R，則兩線圈合磁場(chǎng)在軸(兩線圈圓心連線)中心附近較大范圍內(nèi)磁場(chǎng)是均勻的。所以主輔接收線圈形成的閉合區(qū)域內(nèi)磁通量為零(主輔接收線圈旋向相反)，則接收線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將完全取決于電子標(biāo)簽。

其次，當(dāng)硬標(biāo)簽置于主接收線圈附近的中心區(qū)域時(shí)，無(wú)論硬標(biāo)簽感應(yīng)磁場(chǎng)方向如何，對(duì)于由發(fā)射線圈1組成的閉合區(qū)域而言，磁通量均為零；發(fā)射線圈2和輔接收線圈離硬標(biāo)簽較遠(yuǎn)，不受硬標(biāo)簽感應(yīng)磁場(chǎng)的影響，這就達(dá)到了發(fā)射線圈磁場(chǎng)作用于硬標(biāo)簽、但硬標(biāo)簽感應(yīng)磁場(chǎng)不會(huì)反作用于發(fā)射線圈的效果。但對(duì)于主接收線圈而言，因?yàn)橹睆脚c硬標(biāo)簽磁棒線圈相近，且位于硬標(biāo)簽的感應(yīng)磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，因而主接收線圈的磁通變化可以認(rèn)為完全由硬標(biāo)簽感應(yīng)磁場(chǎng)決定。

最后，接收線圈輸出的感應(yīng)電壓信號(hào)接入后續(xù)的差分電路運(yùn)放輸入端，由于運(yùn)放的高輸入阻抗特性，此時(shí)接收線圈內(nèi)部電流幾乎為零，所以接收線圈內(nèi)無(wú)磁場(chǎng)產(chǎn)生，達(dá)到了硬標(biāo)簽作用于接收線圈，但接收線圈不會(huì)反作用于標(biāo)簽的效果。

2.3 傳感器等效工作電路模型分析

對(duì)傳感器電路模型進(jìn)行分析時(shí)，將線圈互感的感應(yīng)電壓等效為電流控制的電壓源。基于上述傳感器工作原理，傳感器等效電路工作模型如圖4所示。

圖4 傳感器等效電路工作模型

圖4中，Rs為發(fā)射線圈1、2的內(nèi)阻;Lf1、Lf2為發(fā)射線圈1、2的等效電感；LZ為主接收線圈等效電感；Lf為輔助線圈等效電感。

圖4中，發(fā)射和標(biāo)簽部分電路的向量關(guān)系如下：

(3)

(4)

由式(3)、式(4)可得輸出接收線圈電壓為：

(5)

歸一化幅頻特性曲線公式：

(6)

對(duì)式(5)兩邊取模，并結(jié)合式(6),可得式(7)。

(7)

式(3)～式(7)中：M、M1分別為硬標(biāo)簽與發(fā)射線圈、接收射線圈的互感系數(shù)；Z、Z1分別為標(biāo)簽、發(fā)射線圈的阻抗。

由式(7)可知，對(duì)傳感器和某一檢測(cè)硬標(biāo)簽來(lái)說(shuō)，參數(shù)M、M1、Z、R都是確定值，不影響式(7)輸出信號(hào)隨角頻率的變化曲線形狀。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)推導(dǎo)出：

(8)

式(8)中：T(jw)與U0轉(zhuǎn)換還需要處理w2。在本傳感器設(shè)計(jì)中，采用了差分電路提取接收線圈上的信號(hào)U0，并用二級(jí)積分電路處理U0。此部分電路屬信號(hào)處理的常規(guī)電路，本文不作詳細(xì)闡述。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)方法

為了測(cè)試設(shè)計(jì)傳感器的性能，以市售58 kHz聲磁硬標(biāo)簽為測(cè)試對(duì)象，將硬標(biāo)簽線圈、電容分開后，把精密微調(diào)可變電容與線圈連接在一起，通過(guò)改變可變電容的大小，形成諧振頻率F和Q值的不同LC回路。試驗(yàn)用測(cè)試設(shè)備為L(zhǎng)CR測(cè)試儀(固緯LCR-8105G)、信號(hào)發(fā)生器(GFG-8020H)、示波器(泰克C012537)，EAS頻率檢測(cè)儀(E-X5006AM)，分以下三種方法測(cè)試。

①用LCR掃頻儀直接與磁棒線圈引腳相連測(cè)量F和Q值，作為標(biāo)簽質(zhì)量參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)參考值Fc、Qc。

②用EAS頻率檢測(cè)儀檢測(cè)得到的F值，作為對(duì)比值Fb(EAS頻率檢測(cè)儀無(wú)Q值檢測(cè)功能)。

③用本文的傳感器探頭和信號(hào)處理電路作為測(cè)試設(shè)備，發(fā)射線圈與信號(hào)發(fā)生器相連，二級(jí)積分電路輸出端信號(hào)U與示波器相連；通過(guò)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號(hào)，調(diào)節(jié)正弦波信號(hào)頻率，找到Up-p最大時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率，此頻率即為此方法測(cè)得的諧振頻率，記為Fm；通過(guò)測(cè)量上、下功率點(diǎn)f1、f2計(jì)算得到Q值，即調(diào)節(jié)正弦波信號(hào)頻率；記錄示波器顯示信號(hào)最大值Up-p的上、下頻率點(diǎn)，按式(9)計(jì)算得到Q值，記為Qm。在未放置硬標(biāo)簽前，對(duì)發(fā)射線圈的相對(duì)位置進(jìn)行微調(diào)，使U輸出近似為0，消除系統(tǒng)誤差。

Qm=Fm/(f1-f2)

(9)

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本次試驗(yàn)的測(cè)試諧振頻率F、品質(zhì)因數(shù)Q的原始數(shù)據(jù)如表1所示。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知：方法三測(cè)試的諧振頻率F的絕對(duì)誤差要比市售E-X5006AM型小得多，其測(cè)試最大絕對(duì)誤差為0.025 kHz，小于E-X5006AM測(cè)試的最大絕對(duì)誤差0.112 kHz。方法三測(cè)試計(jì)算得到的Q值的絕對(duì)誤差值也較小，其最大絕對(duì)誤差為1.3。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)分析表

4 結(jié)束語(yǔ)

硬標(biāo)簽諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的非接觸快速測(cè)量傳感器，在硬標(biāo)簽生產(chǎn)過(guò)程(把磁棒插入到線圈的合適位置以滿足EAS系統(tǒng)對(duì)硬標(biāo)簽的要求)中有重要應(yīng)用。硬標(biāo)簽成品的質(zhì)量監(jiān)管需要獲得硬標(biāo)簽質(zhì)量參數(shù)感知信號(hào)。本文針對(duì)硬標(biāo)簽參數(shù)檢測(cè)的行業(yè)市場(chǎng)需求，采用亥姆赫茲線圈磁場(chǎng)為激勵(lì)，基于互感耦合原理，采用差分方法獲取硬標(biāo)簽幅頻特性信號(hào)，設(shè)計(jì)了一種硬標(biāo)簽參數(shù)檢測(cè)傳感器。以市售58 kHz聲磁硬標(biāo)簽為試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明：諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)的絕對(duì)誤差分別小于0.025 kHz和1.3，其諧振頻率測(cè)試性能明顯優(yōu)于市售EAS頻率檢測(cè)儀(E-X5006AM)，在硬標(biāo)簽行業(yè)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Design and Test of the Sensor for Detecting Quality Parameters of Hard Tag

CAI Xiaoxia,SHENG Qingyuan,ZHU Dan

(Shaoxing Vocational Technical College，Shaoxing 312000,China)

The kernel circuit of hard tag used in electronic article surveillance (EAS) system is composed of magnet coil and capacitor in serial,and the LC resonant frequencyFand the quality factorQare the key quality parameters of hard tag.Aiming at the market demand for parameter detection of hard tag and the shortcomings of traditional double coil detection method,the detection method based on the principle of mutual inductance coupling is proposed.With Helmholtz coil magnetic field as excitation,and using differential and two stage integration circuit,the amplitude frequency characteristic information of the hard tag is obtained.The theoretical model is established.The analysis of the test data of the commercial available 58 kHz hard tag indicates that the measurement error of the sensor forFandQis respectively less than 0.025 kHz and 1.3,its test performance for resonant frequency is obviously better than the commercial available EAS frequency tester (E-X5006AM)，thus the performance meets the professional test requirements.The sensor can provide information ofFandQvalues for the production process and quality inspection of hard tags;and it has practical application values.

Sensor; Mutual coupling; Resonant frequency; Magnet coil; Quality factor; Amplitude-frequency characteristic

浙江省教育廳科研項(xiàng)目 (Y201534898)、紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目(SZK201629)

蔡曉霞(1978—)，女，碩士，副教授，主要從事設(shè)備遠(yuǎn)程智能維護(hù)與智能控制方向的研究。E-mail:caixiaoxia@sxvtc.com。 盛慶元(通信作者)，男，碩士，助教，主要從事電磁傳感器設(shè)計(jì)、專機(jī)設(shè)備研發(fā)和農(nóng)業(yè)生物環(huán)境參數(shù)檢測(cè)技術(shù)的研究。 E-mail:shengqingyuan@sxvtc.com。

TH7;TP212

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703018

修改稿收到日期：2016-12-14