无线无源谐振式传感器读取单元的设计与研究.pdf

PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol 36 No 7 July 2016 国家 973 基金资助项目 编号 2010CB334703 国家自然科学基金重点资助项目 编号 61335008 修改稿收到日期 2014 01 06 第一作者曹群 1990 女 现为中北大学精密仪器及机械专业在 读硕士研究生 主要研究方向为无线无源高温压力传感器 无线无源谐振式传感器读取单元的设计与研究 Design and Research of the Readout Unit Based on Wireless Passive Resonant Sensor 曹 群1 2 赵卫军3 梁 庭1 2 张海瑞1 2 洪应平1 2 郑庭丽1 2 熊继军1 2 中北大学电子测试技术重点实验室1 山西 太原 030051 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室2 山西 太原 030051 北京宇航系统工程研究所3 北京 100000 摘 要 基于 LC 谐振传感器的互感耦合原理 研究并设计了一种基于 ASIC 的专用模拟集成电路测试模块的新颖读取单元 论述了 无线无源 LC 谐振传感部分频率读取方法的理论模型 介绍了利用该模块产生扫频信号的电路结构 并详细阐述了数字化存储与 PC 后处理结合的测试方法 实验结果表明 传感器与读取天线的耦合距离为 2 5 cm 时 在 0 0 3 MPa 的压力范围内 使用该读取单元 测得的传感器谐振频率与阻抗分析仪读取的数据表现出良好的一致性 最大相对误差为 5 36 该读取单元为无线无源 LC 谐振传 感器应用于实验室以外的实际工程环境提供了可能 关键词 无线无源 LC 谐振式传感器 互感耦合 信号读取 数字存储 模拟集成电路 中图分类号 TH89 TP212 1 文献标志码 A DOI 10 16086 j cnki issn1000 0380 201507018 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 sensor Inductance coupling Signal readout Digital storage Analog integrated circuit 0 引言 在工业 1 自动化 2 或生物医学 3 的应用领域 中 利用传感器与读取电路之间的有线连接难以实现 压力测试 例如在高温环境中引起的有线连接或结构 失效 为了解决这些问题 通常采用由敏感电容和可 以通过互感耦合进行无线操作的 LC 谐振电路共同组 成的无线无源传感器 4 作为测试元件 利用远端无线 传感的方法来检测传感器的谐振频率 通常情况下 为了实现无线耦合信号的读取 选用 网络分析仪 5 或阻抗分析仪 6 等测试仪器 通过测量 天线线圈的阻抗大小和相位移动得到传感器的谐振频 率 尽管这些读取设备可调节性强且精确度高 但是 在实验室环境之外 因其价格昂贵 体型笨重 在很大 程度上限制了这种读取方法的广泛使用 在上述读取方法的基础上 7 研究并设计了一种 基于无线无源互感耦合原理的读取单元 该读取单元 主要采用模拟集成电路测试模块 通过产生扫频信号 进而混频及低通滤波 将信号数字化存储之后 通过 PC 读取数据 并利用软件进行数据处理 完成对无源 压力传感器谐振信号的读取 同时 该读取单元体积 小 携带方便 通信方式灵活 为今后进一步的研究节 约了工作时间 1 互感耦合谐振读取模型分析 无线耦合信号的传输利用了电磁感应原理 实现 了从发射天线到 LC 谐振式传感器的能量无线传输 基于上述原理可知 读取单元的具体工作过程如下 传 感器的谐振频率通过磁耦合连接传输到读取天线端 并随着压力感应电容的变化而发生改变 通过远端的 读取天线可以检测到频率的变化 然后由传感器的谐 振频率推导出所测压力 谐振频率可表示为 f0 1 2 L2C2 1 读取单元的等效电路如图 1 所示 86 无线无源谐振式传感器读取单元的设计与研究 曹 群 等 自动化仪表 第 36 卷第 7 期 2015 年 7 月 图 1 读取单元等效电路图 Fig 1 Equivalent circuit of the readout unit 图 1 中 V1为通过直接数据频率合成器 direct digital synthesizer DDS 产生的一个扫描信号源 R1和 R2分别为读取天线和感应电路的串联电阻 C1为读取 电路的电容 C2为对压力敏感的传感器电容 M 为互 感耦合系数 扫描信号 V1和电阻 Rref两端的参考电压 Vref通过混频器进行混频 然后利用低通滤波器对输出 信号 Vm进行滤波 最终生成一个低频输出电压 Vout 由基尔霍夫定律可以得到 Z1I1 ZMI2 U1 2 ZMI1 Z2I2 0 3 Z1 Z2和 ZM的计算公式如式 4 式 6 所示 Z1 R1 j2 fL1 1 j2 fC1 Rref 4 Z2 R2 j2 fL2 1 j2 fC2 5 ZM j2 fM 6 式中 f 为扫频信号的频率 参考电压 Uref可以由式 4 和式 5 计算得出 Uref Rref Z1 2 fM 2Y2U1 7 混频输出信号 Um可以表示为 Um Rref Z1 2 fM 2Y2U1 8 利用替代公式 8 可以得到 Zi R1 j2 fL11 f1 f 2 k2 f f0 2 1 j Q f f0 f f0 2 式中 Zi为读取天线终端的等效输入阻抗 f1和 f0分别 为天线和传感器的谐振频率 k 为耦合系数 Q 为传感 器的品质因数 式 8 可以重新表示为 Um Rref Zi RrefU 2 1 9 从式 9 可以看出 Um与传感器的谐振频率 f0有 关 并且 f0可以通过测量 LPF LPF 的截止频率为 1 kHz 混频滤波后的输出电压 Uout而得到 当扫频 信号的频率与传感器的谐振频率相同时 输入阻抗 Zi将会发生显著的变化 9 同时 输出电压 Uout也会 相应地改变 由于计算机后处理的输出电压与压力 变化趋势一致 我们可以通过分析输出电压信号 10 得到传感器的谐振频率 输出电压 Uout随频率变化 曲线如图 2 所示 由于电磁感应使仿真曲线上出现 了突变 突变点所对应的频率即为传感器的谐振 频率 图 2 读取单元的模拟输出电压 Fig 2 Analog output voltage of the readout unit 2 读取单元电路设计 读取电路在印制电路板 PCB 的基础上 11 采用 了模拟集成电路 整个测试过程的流程图如图 3 所示 图 3 测试过程流程图 Fig 3 Flowchart of the measurement process 首先 由单片机编程产生一个 DDS 进而输出一个 频率范围为 1 100 MHz 的扫频信号 该扫频信号和 参考电阻 Rref两端的输出电压信号通过乘法器进行混 频 然后利用低通滤波电路将混频器的输出信号转换 为直流输出电压 同时 利用一个快速 16 位 ADC AD7667 数字系统对直流输出电压进行处理及数字 96 无线无源谐振式传感器读取单元的设计与研究 曹 群 等 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol 36 No 7 July 2016 化 然后 单片机将数字化数据存储到闪存中 并向 PC 同步发送数据 通过 PC 后处理软件对数据进行处 理 最终提取并保存传感器的谐振频率 图 3 中 实线箭头表示流程的进行 虚线箭头表示 二者之间存在一定的联系 DDS 与乘法器之间的虚 线箭头表示在乘法器里包含 DDS 发出的扫频信号 传 感器谐振频率变化公式框图表示谐振频率的理论计算 值 提取谐振频率 f0框图表示谐振频率的实际测试 值 二者之间的虚线箭头表示这两个值具有相同的变 化趋势和规律 虚线框表示主要由这两个进程来实现 耦合波形的显示 3 谐振频率信息提取 对于谐振频率的提取 首先通过 ADC 对直流输出 电压进行处理与数字化 然后将数字化数据存储在闪 存中 其中 PC 后处理软件用来处理从闪存中读取到 的数据 并最终提取出压力传感器变化的谐振频率 图 4 给出了提取谐振频率信息的具体流程 图 4 谐振频率信息提取流程 Fig 4 Resonance frequency information extraction procedure 从闪存中读取到测试数据之后 首先要分析其在 整个测试过程中的数据完整性和准确性 如果有错误 的数据帧结构或数据内容 数据的处理将会停止 在 确认数据的正确性之后 由可变电容引起的传感器谐 振频率便可以通过以下步骤提取出来 生成频率轴 x 轴 x 轴的起点和终点的坐 标值分别由 DDS 的起始频率和终止频率决定 而频 率的步进值由 DDS 与直流输出信号电压 Uout的采样 值决定 最小频率步进值为 1 kHz 频率扫描的周期 时间为 1 ms 数据分段 即从提取出来的数据中找到起始频 率和终止频率的控制字 在产生扫频信号的过程中 从起始频率开始到终止频率结束 直流输出信号的控 制字和采样数据都作为数据分割标志被写在闪存中 滤波处理 由于在读取电路的工作过程及直 流采样过程中存在各种不同类型的噪声和毛刺 因此 与传感器谐振相关的驻点数据会受到干扰 为了在接 下来的步骤中准确地提取谐振频率 使用 Matlab 软件 滤波功能对获取的直流波形进行平滑处理 检测驻点 使用 Matlab 软件的微分函数找出 三个停滞点 但是由于在所有的点中只有一个驻点 fa 与传感器谐振相关 因此需要再次使用 Matlab 软 件中的微分函数找出唯一的驻点 确定谐振频率 根据上述步骤提取出的驻点 频率轴的横坐标代表一个周期内 LC 谐振传感器的谐 振频率 可以确定并存储在一个一维数组中 在每一 个周期内 通过寻找谐振特征点可以提取动态谐振频 率 并相应地绘制出频率 压力曲线 4 实验及结果 在理论分析的基础上 采取相关实验进一步深入 研究 常温条件下 将传感器与读取天线放置于压力 罐中 二者的耦合距离设为 2 5 cm 压力范围设置为 0 0 3 MPa 读取单元输出电压信号 其在表压为零 压条件下的具体测试结果曲线如图 5 所示 从图 5 可 以看出 当传感器与天线耦合时 输出电压信号随着频 率的增加而发生变化 被测传感器的谐振频率为 15 771 MHz 该数值大于理论值 理论频率值与实际 频率值的差异可能是由于传感器电路的电感变化或者 是加工制造后的电容发生了变化 12 图 5 读取单元的测试输出电压曲线 Fig 5 Measured output voltage of the readout unit 由于读取单元主要针对无线无源压力传感器的应 用 因而在实验过程中 通过改变压力值来检测传感器 谐振频率的变化 图 6 显示了耦合距离为 2 5 cm 时 传感器的谐振频率随外加压力的变化而变化 由图 6 可以看出 频率与压力呈近似线性关系 07 无线无源谐振式传感器读取单元的设计与研究 曹 群 等 自动化仪表 第 36 卷第 7 期 2015 年 7 月 图 6 读取电路的归一化比较 Fig 6 Normalized comparison of the readout circuits 阻抗分析仪与读取电路各自测得的数据如表 1 所示 通过分析比较可以得出 二者的相对误差最 大为 5 36 表现出了良好的一致性 误差来源一 方面是读取电路的连接线路损耗 另一方面来自于 信号源的分辨率 为了减小误差 采取的具体方法 如下 在线路方面选择高性能的同轴电缆 提高扫频 源的精度 减小扫频步进值 本次测试中选择步进 值为 1 kHz 表 1 阻抗分析仪与读取电路测量数据 Tab 1 Measured data of impedance analyzer and readout circuit 压力 MPa 频率 MHz 阻抗分析仪读取电路 误差 0 0016 53715 7714 63 0 0216 35915 6084 59 0 0416 22715 4464 81 0 0815 84215 1244 53 0 1215 53314 8054 69 0 1615 20814 3935 36 0 2014 78514 1544 27 0 2414 52713 8374 75 0 2814 18013 4734 99 0 3014 03813 3744 74 5 结束语 本文提出了一种无线无源互感耦合读取单元 该 单元具备体积小 携带方便 通信方式灵活等特点 在 实际工程应用中有望代替传统压力测试中的大型读取 设备 阻抗分析仪 网络分析仪 进行实验测试 实验 结果表明 读取单元所测得的频率与压力之间的关系 曲线与阻抗分析仪读取的曲线表现出良好的一致性 为后续提高读取单元的稳定性及灵敏度奠定了基础 参考文献 1 Nabipoor M Majlis B Y A new passive telemetry LC pressure and temperaturesensor optimized for TPMS J Journal of Physics Conference Series 2006 34 1 770 2 Johnson R W Evans J L Jacobsen P et al The changing automotive environment high temperature electronics J Electronics Packaging Manufacturing IEEE Transactions on 2004 27 3 164 176 3 Liz n Mart nez S Giannetti R Rodr guez Marrero J L et al Design of a system for continuous intraocular pressure monitoring J IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 2005 54 4 1534 1540 4 葛冰儿 梁庭 洪应平 等 基于 LC 谐振传感器的互感耦合系统 阻抗特性 J 微纳电子技术 2013 6 6 5 Yoon H J Jung J M Jeong J S et al Micro devices for a cerebrospinal fluid CSF shunt system J Sensors 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