LC传感器的时域读出方法研究

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LC型无源无线传感器的测量基本原理为磁场耦合原理,待测敏感参数的变化会转换为传感器的谐振频率的变化,并通过读出线圈进行无线读出,具有结构简单、不含电源等特点,能够适用于高温高压、密闭、旋转等多种恶劣环境下的应用。目前针对LC无源无线传感器的研究大多偏重于对传感器本身的探讨,关于谐振频率的读出方式较为单一。本文致力于对LC型无源无线传感器的时域读出方法进行研究,利用时域读出方法的读出特点对待测敏感参数进行快速测量,主要研究内容与创新点包括:(1)系统分析了LC无源无线传感器的基础理论,并对LC无源无线传感器时域读出方法的基本原理进行了深入探讨。研究表明,时域读出方法的测量速度快、周期短,能够实现对LC无源无线传感器的谐振频率的快速测量,但有效信号的获取难度较大,处理电路较为复杂,实现难度较高。(2)提出并设计了一种新型的LC传感器时域读出电路,该电路利用开关切换形成具有耦合信息的时域振荡衰减电压信号,通过快速傅里叶变换算法,将时域电压衰减信号转换成复频域信号,利用电压信号的复频域表达形式计算系统等效阻抗的虚部最大值,进而确定传感器的谐振频率。通过理论与仿真分析可得,该方法能够实现对LC传感器谐振频率的精确测量,根据快速傅里叶变换算法的原理,测量分辨率取决于对振荡电压信号的采样频率以及采样点数,并且这种时域读出方法对耦合系数k不敏感,因此不受耦合距离的限制。(3)设计并实现了一种集成的LC无源无线传感器时域读出系统,并对系统进行了实际的测量分析。通过FPGA作为主控系统,将振荡衰减的时域电压信号通过高速ADC芯片进行采集、存储,并通过快速傅里叶变换算法IP进行时域与频域的转换,计算读出系统的等效阻抗虚部最大值对应的频率,即为LC无源无线传感器的谐振频率,并通过显示系统进行阻抗虚部波形和谐振频率的实时显示。测量结果表明,该系统能够实现对LC传感器谐振频率的实时、快速、低功耗读取。通过谐振频率计算的电容值的误差控制在5%以内,在不考虑显示系统的前提下,单次测量的总耗时为647.378μs,单次测量功率为960m W,测量距离最高可达1.5cm。本文重点研究了LC无源无线传感器的读出方法,提出并实现了LC传感器新型时域读出系统,通过理论分析仿真与实验测量,该系统能够有效测量LC无源无线传感器的谐振频率。此外,这种时域读出方法还可以进行扩展,实现同时对多个LC无源无线传感器的多个系统谐振频率进行实时测量,为LC传感器时域读出系统的进一步实用化提出了充足的理论支撑和方案论证。
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