电子防盗标签检测电路的参数优化

宋小锋，杨成忠

(杭州电子科技大学自动化学院，浙江杭州310018)

0 引言

随着市场经济的繁荣，超市成了大家购物的首选去处，但是接踵而来的商品失窃率也成了摆在销售商面前的难题，所以电子防盗系统(Electronic Article Surveillance，EAS)应运而生。而电子防盗标签是EAS中很重要的一个组成部分，对于它的参数进行检测，就成了保证商品安全性的一个重要环节［1］。目前，国内电子标签的生产厂商对标签的检测，还是依靠工人的经验来保证质量;也有一些厂家引入了EAS进行检测，但是只能用来鉴别标签的好坏，没有对标签的参数进行定量的检测［2］。本文的分析是基于互感耦合原理的标签检测方法，对检测电路的参数选取进行了详细分析。

1 互感耦合原理

一对相耦合的电感，若流过其中一个电感的电流随时间改变，则在另一个电感两端会出现感应电压，这就是电磁学中的互感现象［3］。互感耦合的等效电路如图1所示。

电子防盗标签其内部是由LC串联回路构成的，图1中L2、R2、C2构成的电路即为标签的等效电路。电路图1中L1和L2分别为发射线圈和电子标签线圈的电感，之间的互感系数为M。R1和R2分别为线圈的内阻，信号源Us为检测系统扫频信号发生器，Rs为信号源内阻。由于发射线圈所产生的寄生电容，其值小于10－12数量级，而对于耦合电路来说，主要关心其频率在106Hz数量级的性质，因此，可以忽略其对总回路阻抗的影响。

M为两线圈间的互感系数(简称互感)，它表征两线圈间互感耦合的强弱。互感M和对应的自感系数L1和L2在数量上有如下关系:

耦合系数k，定义为实际互感系数和互感的最大值之间的比，即:

K=1，称为全耦合;k≈1称为紧耦合;k在0～1范围内时称为松耦合;k=0时无耦合。耦合系数反映了两线圈相互影响的程度，是互感元件的重要参数。将初级线圈用图2所示的电路进行等效，Zref为次级线圈在初级线圈上的产生的阻抗，ZAB为从AB端向右看所计算的阻抗值。

AB端的电压为［4］:

图1 典型互感耦合等效电路

图2 初级线圈等效电路

对式3两端取模，求得AB两端的电压为:

2 检测电路参数选取

由于无法直接获得频率响应曲线的最大值或者最小值和标签谐振频率值之间的函数关系式，将采用数值仿真分析的方式来确定检测电路各参量的最优取值范围［5］。

取C2=120pF，L2=10.4μH，R2=0.8Ω;L1=5μH，R1=1Ω;US=1V，RS=51Ω，k=0.1，互感系数M由式2求得。对A点电压幅值在4.3MHz～4.7MHz的范围内进行仿真［6］，结果如图3所示。图3中点划线代表耦合系数k=0时电路A点的电压幅值频响曲线。

2.1 激励信号源参数Us、RS的取值范围

提高Us电压幅值，可以降低噪声对测量精度的影响，但不影响A点电压幅频响应曲线振荡的显著程度。因此选择Us输出为±1V。为了方便下文分析计算，设定Us=1V。假设UAMAX=F1(Rs)，UAMIN=F2(Rs)，则建立信号源内阻RS和A点电压振荡幅度的函数关系为:

将Rs的取值范围定为0～100Ω，采用MATLAB进行仿真，结果如图4所示。内阻Rs和A点电压振荡幅值在分析范围内呈现单调递增的特性。以振荡幅度激励信号电压值的20%为参考界限，因此将Rs的选值确定在30～70Ω的范围，工程中一般使用50Ω。

2.2 确定L1和R1的取值范围

由式5可以建立如下函数关系式:

图3 检测电路等效电路图仿真结果

图4 RS影响UA的仿真图

参考实际线圈的电感值，将L1的取值范围限定在10－8～10－4H，线圈内阻则限定在10－1～102Ω，对表达式6采用MATLAB进行仿真，仿真结果如图5所示。

电压差值越大，对应的R1和L1值越理想。以振荡幅度为激励信号电压值的20%为参考界限，从图5中可以看出，电阻的阻值10～20Ω时，对应的电压幅值振荡幅度较为理想，而电容值则体现为单调特性，值越小越好，但考虑到电容值太小，电磁场的发射能力就会减弱，因此将电容值选定在10－6数量级。

2.3 k值分析

两个线圈平面平行的、在x轴上同芯的线圈回路的耦合系数为:

式中，r1标签内线圈半径，r2为检测线圈的半径，x表示两个线圈回路之间的距离，单位为m。取r1=0.045m，r2=0.1m，x取值范围为0～0.2m，可以确定k的取值范围约为0.03～0.3，在此范围内，对A点电压振荡幅值进行仿真，仿真结果如图6所示。

图5 L1、R1影响UA的仿真图

图6 k影响UA的仿真图

从图6中可以看出，值较小的部分，对应的A点电压振荡幅度较小，不利于检测。以振荡幅度为激励信号电压值的20%为参考界限，k值的取值范围缩小为0.05～0.3，当x=10cm时，k≈0.1067，取k=0.1作为仿真的默认值。

2.4 结论

通过上述仿真分析，以获得A点电压幅值振荡幅度的最大值为目标，检测电路中检测线圈的电感值L1和线圈内阻R1、激励信号源的电压值US和内阻RS、耦合系数K的取值范围均已初步确定。整理如表1所示。

表1 参数取值范围

3 结束语

对电磁耦合检测装置的各个器件参数进行了分析，最终确定了其取值范围。在电路设计的时候，可以用来对器件的选取作为参考。在实际应用中，要根据实际需要，调整器件参数，使其误差最小，电路达到最优。

［1］许忻，张长恒.EAS系统在高校图书馆的应用［J］.教育信息化，2005，(3):19－24.

［2］孙正捷，杨成忠，薛凌云.基于嵌入式技术的电子标签质量检测系统［J］.杭州电子科技大学学报，2007，27(1):73－76.

［3］李云胜.射频EAS系统的关键技术［J］.电子技术应用，2009，35(6):69－71.

［4］Zhang Yanbin，Liu Qin.Design and Realization of Pulsed Electronic Article Surveillance System［J］.IEEE Intelligent Computation Technology and Automation，2011(2):28－29.

［5］王忠勇，史小军.基于DSP技术的EAS系统设计［J］.电子技术应用，2002，28(3):78－80.

［6］郭龙刚，刘兆魁.基于Matlab/Simulink的电力电子电路仿真［J］.河南科技大学学报(自然科学版)，2005，26(5):42－45.