硬标签质量参数检测传感器设计及测试

蔡晓霞,盛庆元,朱 丹

(绍兴职业技术学院，浙江 绍兴 312000)

硬标签质量参数检测传感器设计及测试

蔡晓霞,盛庆元,朱 丹

(绍兴职业技术学院，浙江 绍兴 312000)

电子商品防盗系统(EAS)中使用的一类硬标签核心电路由磁棒线圈和电容串联组成，LC谐振频率F和品质因数Q值是硬标签关键质量参数。针对该类硬标签参数检测的市场需求和传统双线圈检测方法存在的不足，提出了一种基于互感耦合原理，以亥姆赫兹线圈磁场为激励，采用差分和二级积分电路获取硬标签幅频特性信息的检测方法，搭建了硬标签参数检测传感器电路分析传感器检测F、Q值的理论模型。通过对市售58 kHz硬标签试验数据的分析表明：该传感器F、Q值的绝对误差分别小于0.025 kHz和1.3，其谐振频率测试性能明显优于市售EAS频率检测仪(E-X5006AM)，性能满足行业测试要求。该传感器可为硬标签生产过程和质量检测提供F和Q值信息，具有行业实际应用价值。

传感器； 互感耦合； 谐振频率； 磁棒线圈； 品质因素； 幅频特性

0 引言

电子商品防盗系统(electrionic article surveillance,EAS)的应用越来越多，但是国内生产厂家对EAS中的硬标签检测停留在人工测试阶段，暴露出检测精度差、自动化水平低、无法对产品的质量参数进行评估等缺点[1]。

目前，国际上ISO/IEC 18046-3-2007等标准给出了EAS系统的标签以及防盗检测系统的基本规范要求[2-4]。国内一些学者对电子标签在线参数检测技术进行研究，如：杨成忠等[5]提出了利用互感耦合原理对标签的质量参数进行检测的方法；宋小锋、朱亚萍等研究了单线圈传感器模型和双线圈传感器模型结构特点[6-9]；李佳骏[10]利用磁场仿真软件AnsoftHFSS，对多种检测传感器模型进行仿真建模，研究了传感器形状对测试性能的影响；牛元海[11-12]分析了标签信号特征，提出了一种标签信号的综合判决流程，并设计了一种EAS扫频信号源。从现有文献来看，国内外的研究对象均以软标签为主，围绕双线圈结构传感器进行[10-13]。试验表明：双线圈式传感器圈的面积、绕制匝数、标签放置位置及标签与传感器相对位置都会影响硬标签质量参数准确性[5,8-14]。这种结构的缺陷在于发射与接收线圈间、标签与发射和接收线圈之间都会互相干扰；特别是标签对发射线圈的影响将改变原磁场的强度，而且由于不同标签对发射线圈的影响不同，使得数据修正不可能实现；同时，发射线圈对接收线圈的影响叠加于标签产生的磁场上，无法区分[14-15]。这些都会导致谐振频率产生偏差，对品质因数Q值判定误差的影响将更为严重。

针对上述问题，本文提出一种以亥姆赫兹线圈磁场为激励，基于互感耦合原理，采用差分电路提取测试信号并用二级积分电路进行信号处理，获取硬标签的幅频特性信号。该方法解决了传统双线圈结构传感器各部分间干扰导致谐振频率测量误差大和无法测试电子标签Q值的问题。

1 EAS标签检测原理

1.1 标签模型

硬标签的实物电子元器件由一个多圈线圈和一个电容串联而成，部分标签会在线圈中插入励磁磁棒。对电子标签的电路结构进行电路等效。硬标签电路等效图如图1所示。

图1 硬标签电路等效图

标签阻抗为：

(1)

式中：R为标签线圈内阻值；L为标签线圈电感值；C为标签的电容值；w为角频率。当wL-1/wC=0时，|Z(jw)|最小，表现为纯阻抗特性。

此时的角频率为谐振角频率：

(2)

图1中的LC回路有选频特性功能，Q值是反映选频特性好坏的一个指标。Q值越大，选频特性越好，相应的标签质量就越高。

1.2 标签质量参数检测原理

现有文献中双线圈检测方法都与ISO/IEC 18046-3-2007中给出的方法一致。硬标签常规测试方法示意图如图2所示。

图2 硬标签常规测试方法示意图

硬标签常规测试装置测量原理与实际所使用的EAS系统相似。发射线圈用于发射检测标签的扫频信号。当标签经过检测区域时，由于检测区域含有随频率变化的磁场，标签内部的电感会产生感应电压，形成感应电流。此感应电流也会产生磁场，反过来干扰检测区域的磁场分布，使检测线圈产生一个明显的扰动信号。这个信号能反映标签的质量参数。朱亚萍[8]对这种双线圈检测方法的研究表明：标签线圈与发射和接收线圈间的互感系数增大，使谐振频率偏差加大，甚至无法对标签进行检测；标签线圈与发射和接收线圈间的互感系数增加，使谐振频率偏差减小，但整体波形不再突出中心频率处的带宽，即影响标签Q值的精准度。此种检测方法的不足本质在于：发射与接收线圈之间，标签与发射和接收线圈之间都会互相干扰。

2 传感器设计

2.1 传感器结构

本文设计的传感器结构如图3所示。

图3 传感器结构示意图

2.2 传感器工作原理分析

首先，当亥姆赫兹线圈产生交变磁场激励时，如发射线圈间距a等于发射线圈半径R，则两线圈合磁场在轴(两线圈圆心连线)中心附近较大范围内磁场是均匀的。所以主辅接收线圈形成的闭合区域内磁通量为零(主辅接收线圈旋向相反)，则接收线圈的感应电动势将完全取决于电子标签。

其次，当硬标签置于主接收线圈附近的中心区域时，无论硬标签感应磁场方向如何，对于由发射线圈1组成的闭合区域而言，磁通量均为零；发射线圈2和辅接收线圈离硬标签较远，不受硬标签感应磁场的影响，这就达到了发射线圈磁场作用于硬标签、但硬标签感应磁场不会反作用于发射线圈的效果。但对于主接收线圈而言，因为直径与硬标签磁棒线圈相近，且位于硬标签的感应磁场区域内，因而主接收线圈的磁通变化可以认为完全由硬标签感应磁场决定。

最后，接收线圈输出的感应电压信号接入后续的差分电路运放输入端，由于运放的高输入阻抗特性，此时接收线圈内部电流几乎为零，所以接收线圈内无磁场产生，达到了硬标签作用于接收线圈，但接收线圈不会反作用于标签的效果。

2.3 传感器等效工作电路模型分析

对传感器电路模型进行分析时，将线圈互感的感应电压等效为电流控制的电压源。基于上述传感器工作原理，传感器等效电路工作模型如图4所示。

图4 传感器等效电路工作模型

图4中，Rs为发射线圈1、2的内阻;Lf1、Lf2为发射线圈1、2的等效电感；LZ为主接收线圈等效电感；Lf为辅助线圈等效电感。

图4中，发射和标签部分电路的向量关系如下：

(3)

(4)

由式(3)、式(4)可得输出接收线圈电压为：

(5)

归一化幅频特性曲线公式：

(6)

对式(5)两边取模，并结合式(6),可得式(7)。

(7)

式(3)～式(7)中：M、M1分别为硬标签与发射线圈、接收射线圈的互感系数；Z、Z1分别为标签、发射线圈的阻抗。

由式(7)可知，对传感器和某一检测硬标签来说，参数M、M1、Z、R都是确定值，不影响式(7)输出信号随角频率的变化曲线形状。

根据测试数据推导出：

(8)

式(8)中：T(jw)与U0转换还需要处理w2。在本传感器设计中，采用了差分电路提取接收线圈上的信号U0，并用二级积分电路处理U0。此部分电路属信号处理的常规电路，本文不作详细阐述。

3 试验与结果分析

3.1 试验方法

为了测试设计传感器的性能，以市售58 kHz声磁硬标签为测试对象，将硬标签线圈、电容分开后，把精密微调可变电容与线圈连接在一起，通过改变可变电容的大小，形成谐振频率F和Q值的不同LC回路。试验用测试设备为LCR测试仪(固纬LCR-8105G)、信号发生器(GFG-8020H)、示波器(泰克C012537)，EAS频率检测仪(E-X5006AM)，分以下三种方法测试。

①用LCR扫频仪直接与磁棒线圈引脚相连测量F和Q值，作为标签质量参数标准参考值Fc、Qc。

②用EAS频率检测仪检测得到的F值，作为对比值Fb(EAS频率检测仪无Q值检测功能)。

③用本文的传感器探头和信号处理电路作为测试设备，发射线圈与信号发生器相连，二级积分电路输出端信号U与示波器相连；通过信号发生器产生正弦波信号，调节正弦波信号频率，找到Up-p最大时对应的频率，此频率即为此方法测得的谐振频率，记为Fm；通过测量上、下功率点f1、f2计算得到Q值，即调节正弦波信号频率；记录示波器显示信号最大值Up-p的上、下频率点，按式(9)计算得到Q值，记为Qm。在未放置硬标签前，对发射线圈的相对位置进行微调，使U输出近似为0，消除系统误差。

Qm=Fm/(f1-f2)

(9)

3.2 试验数据分析

本次试验的测试谐振频率F、品质因数Q的原始数据如表1所示。通过数据分析可知：方法三测试的谐振频率F的绝对误差要比市售E-X5006AM型小得多，其测试最大绝对误差为0.025 kHz，小于E-X5006AM测试的最大绝对误差0.112 kHz。方法三测试计算得到的Q值的绝对误差值也较小，其最大绝对误差为1.3。

表1 测试数据分析表

4 结束语

硬标签谐振频率和品质因数的非接触快速测量传感器，在硬标签生产过程(把磁棒插入到线圈的合适位置以满足EAS系统对硬标签的要求)中有重要应用。硬标签成品的质量监管需要获得硬标签质量参数感知信号。本文针对硬标签参数检测的行业市场需求，采用亥姆赫兹线圈磁场为激励，基于互感耦合原理，采用差分方法获取硬标签幅频特性信号，设计了一种硬标签参数检测传感器。以市售58 kHz声磁硬标签为试验对象，试验数据分析表明：谐振频率、品质因数的绝对误差分别小于0.025 kHz和1.3，其谐振频率测试性能明显优于市售EAS频率检测仪(E-X5006AM)，在硬标签行业具有实际应用价值。

[1] 李佳骏.防盗电子标签检测技术研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2013.

[2] ISO/IEC 18046-3-2007，信息技术.射频识别装置性能试验方法.第3部分:标签性能的试验方法[S].

[3] European Radio communications Committee Propagation Model and Interference Range Calculation for Inductive Systems 10 kHz-30 MHz[S].Marbell ERC with CEPS,1999.

[4] 刘宏伟,李成.ISO/IEC18000-6C简析[J].信息技术与标准化,2007(7):17-20.

[5] 杨成忠，陈高强.基于互感耦合原理的传感器设计[J].机电工程，2011(5):590-593.

[6] 宋小锋.电子标签测试分析系统研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2012.

[7] 宋小锋，杨成忠.电子防盗标签检测电路的参数优化[J].杭州电子科技大学学报，2011(4):157-160.

[8] 朱亚萍，郑卫红，徐巍华，等.电子标签质量在线检测传感器的研制[J].浙江大学学报(工学版)，2012(4):719-724+738.

[9] 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(1):73-76.

[10]李佳骏，杨成忠，杨志凯，等.电子防盗标签检测系统Q值稳定性分析[J].杭州电子科技大学学报，2012(4):148-150.

[11]牛元海.EAS系统设计与电子标签抗干扰检测技术研究[D].宁波：宁波大学，2015.

[12]牛元海，刘太君，叶焱，等.一种EAS扫频信号源的设计与实现[J].无线电通信技术，2014(6):93-96.

[13]刘彩凤，王忠于，杜玉宝，等.检测无源RFID电子标签谐振频率的耦合器之关键技术研究[J].仪器仪表学报，2008(4)：260-264.

[14]徐精华,张小林,邓洪峰.电子标签识读终端的研究与设计[J].微计算机信息,2007(32):227-229.

[15]滕士雷.EAS声磁防盗系统的若干关键技术研发[D].北京：中国科学院,2013.

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

浙江省教育厅科研项目 (Y201534898)、绍兴职业技术学院科研项目(SZK201629)

蔡晓霞(1978—)，女，硕士，副教授，主要从事设备远程智能维护与智能控制方向的研究。E-mail:caixiaoxia@sxvtc.com。 盛庆元(通信作者)，男，硕士，助教，主要从事电磁传感器设计、专机设备研发和农业生物环境参数检测技术的研究。 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