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)

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

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：

(1)

读取单元的等效电路如图1所示。

图1　读取单元等效电路图

图1中，V1为通过直接数据频率合成器(directdigitalsynthesizer,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：

(4)

(5)

ZM=j2πfM

(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：

(7)

混频输出信号Um可以表示为：

(8)

利用替代公式[8]可以得到：

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：

(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1kHz)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

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

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

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。

① 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。

② 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。

③ 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。

④ 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。

⑤ 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

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。

图6　读取电路的归一化比较

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

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

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中图分类号：TH89；TP212+.1

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507018

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。