無線無源lc諧振傳感器檢測電路及相應(yīng)的信息獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線無源LC諧振傳感器信息檢測電路，該電路包括：主控制器、直接數(shù)字頻率合成器、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路，主控制器控制信號源輸出掃頻信號，經(jīng)過差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路后由主控制器控制采樣，主控制器通過DFT計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的相位譜，最終主控制器完成相位譜的校準(zhǔn)和諧振頻率的檢測。本發(fā)明還公開了一種無線無源LC諧振傳感器信息獲取方法，該方法中，首先獲取無傳感器時(shí)系統(tǒng)本身的相位譜，通過與系統(tǒng)本身相位譜相減校準(zhǔn)每次獲取的相位譜，由校準(zhǔn)后的相位譜濾波后檢測出LC諧振傳感器的諧振峰頻率。本發(fā)明有效提高了檢測的靈敏度，消除了系統(tǒng)和讀取線圈本身相位譜的影響，同時(shí)提高了檢測的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的便攜性。
【專利說明】無線無源LC諧振傳感器檢測電路及相應(yīng)的信息獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種無線無源LC諧振傳感器檢測電路及相應(yīng)的信息獲取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線無源LC諧振傳感器是由讀取線圈和電感、電容諧振回路組成的傳感器系統(tǒng)，圖1 (a)是現(xiàn)有技術(shù)中常用的無線無源LC諧振傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中可變電感或可變電容作為敏感單元感受被測量(例如:壓力、溫度、化學(xué)量)，諧振回路將被測量轉(zhuǎn)換為諧振回路的諧振頻率；圖1 (b)是所述無線無源LC諧振傳感器的簡化模型，其中讀取線圈獲取諧振回路諧振頻率的原理是由于讀取線圈與諧振回路中電感的耦合作用，導(dǎo)致讀取線圈阻抗相位譜在諧振回路諧振頻率處出現(xiàn)小的凹陷，凹陷的位置隨著諧振頻率的改變而移動(dòng)，通過檢測凹陷位置獲取諧振回路的諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)被測量的檢測。
[0003]由于無線無源LC諧振傳感器的敏感單元采用無源器件一電感和電容組成，使其具有結(jié)構(gòu)簡單、易于小型化、制造成本較低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于無源特性使其特別適合于長期監(jiān)測系統(tǒng)，例如人體內(nèi)部壓力監(jiān)測、工業(yè)高溫環(huán)境下的監(jiān)測以及密閉系統(tǒng)的檢測等。
[0004]根據(jù)無線無源LC諧振傳感器的工作原理，在實(shí)驗(yàn)中常常使用高精度的網(wǎng)絡(luò)分析儀測量讀取線圈的阻抗相位譜，從阻抗相位譜中檢測出諧振頻率的位置，但網(wǎng)絡(luò)分析儀的體積大、設(shè)備笨重、成本高，由于網(wǎng)絡(luò)分析儀存在上述體積、成本等方面的限制使其很難應(yīng)用于實(shí)際檢測中。Michel Nowak等人提出使用閉環(huán)電路檢測諧振頻率，其閉環(huán)電路的方式為相位法，通過鎖定讀取線圈阻抗相位為零的位置實(shí)現(xiàn)閉環(huán)。由于讀取線圈本身相位為90°，因此需要讀取線圈與電感較強(qiáng)的耦合系數(shù)使相位凹陷變化大于90°，從而限制了該電路的檢測距離。J.Coosemans等人采用讀取線圈構(gòu)造出壓控振蕩器器(VC0)，通過電壓控制VCO掃頻輸出，在該過程中，讀取線圈兩端的電壓由于LC諧振傳感器的存在而改變，電壓變化最大的位置即LC諧振傳感器的諧振頻率，同樣該檢測電路需要較強(qiáng)的耦合系數(shù)，J.Coosemans等人采用該電路僅實(shí)現(xiàn)了耦合距離為7.5mm的無線無源LC諧振傳感器的檢測。
[0005]對于低耦合系數(shù)、遠(yuǎn)距離的無線無源LC諧振傳感器系統(tǒng)，由于讀取線圈相位變化小造成檢測困難，本發(fā)明提出了一種無線無源LC諧振傳感器的信息獲取方法和檢測電路，提高了無線無源LC諧振傳感器檢測的靈敏度和便捷性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種無線無源LC諧振傳感器檢測電路及相應(yīng)的信息獲取方法，目的在于提供在更低耦合系數(shù)情況下無線無源LC諧振傳感器有效的信息檢測電路和獲取方法，所述信息檢測電路和獲取方法同樣適用于高耦合系數(shù)下無線無源LC諧振傳感器的檢測。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出一種無線無源LC諧振傳感器的信息檢測電路，該電路包括:主控制器、直接數(shù)字頻率合成器DDS、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路其中:
[0008]所述DDS與所述主控制器和差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路連接，用于接收所述主控制器的控制信號并產(chǎn)生由所述控制信號決定的掃頻信號，所述DDS產(chǎn)生的掃頻信號輸出至所述差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路；
[0009]所述差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路與所述DDS和ADC連接，用于接收所述DDS輸出的掃頻信號，提取并放大其讀取線圈阻抗的相位變化，并將相位變化反饋信號輸出至所述ADC;
[0010]所述ADC與所述差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路和所述主控制器連接，用于對于所述差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路輸出的相位變化反饋信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，并將處理后得到的反饋信號輸出至所述主控制器；
[0011]所述主控制器與所述DDS、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC連接，用于對所述DDS和ADC進(jìn)行控制并對接收到的信號進(jìn)行處理以確定當(dāng)前LC諧振傳感器的諧振峰頻率。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出一種無線無源LC諧振傳感器的信息獲取方法，該方法包括以下步驟:
[0013]步驟1，主控制器控制直接數(shù)字頻率合成器DDS完成一次掃頻輸出，差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路提取并放大其讀取線圈阻抗的相位變化，所述主控制器控制高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC對相位變化反饋信號采樣，并讀取經(jīng)過ADC處理的相位變化反饋信號；
[0014]步驟2，主控制器中的DSP根據(jù)所述步驟I處理得到的相位變化反饋信號根據(jù)DFT算法得到本次掃頻的相位譜；
[0015]步驟3，利用所述步驟2得到的相位譜對系統(tǒng)相位譜進(jìn)行更新；
[0016]步驟4，將待檢測的LC諧振傳感器放置于差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路中的讀取線圈內(nèi)，并重復(fù)所述步驟1-2;
[0017]步驟5，利用所述步驟4得到的相位譜與所述步驟3得到的系統(tǒng)相位譜進(jìn)行相位譜校準(zhǔn)；
[0018]步驟6，對于所述步驟5校準(zhǔn)后的相位譜進(jìn)行濾波；
[0019]步驟7，基于濾波后的相位譜，采用峰值檢測算法得到所述LC諧振傳感器的諧振峰頻率。
[0020]本發(fā)明所公開的上述一種無線無源LC諧振傳感器的信息獲取方法和檢測電路具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0021]a、差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測網(wǎng)絡(luò)具有放大讀取線圈阻抗的相位變化的功能，有效提高了檢測的靈敏度；
[0022]b、系統(tǒng)相位譜的校準(zhǔn)消除了系統(tǒng)和讀取線圈本身相位譜的影響；
[0023]C、有限長單位沖激響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器消除相位譜中的噪聲，提高了檢測的穩(wěn)定性；
[0024]d、DSP和FPGA實(shí)現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的便攜性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的無線無源LC諧振傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明提出的無線無源LC諧振傳感器檢測電路的結(jié)構(gòu)示意圖；[0027]圖3是本發(fā)明所采用的差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖4是本發(fā)明提出的無線無源LC諧振傳感器信息獲取方法流程圖；
[0029]圖5是本發(fā)明的掃頻相位譜(包括FIR濾波前與濾波后)與Agilent E5061B網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃頻相位譜對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0031]本發(fā)明提出一種無線無源LC諧振傳感器的信息獲取方法和檢測電路，目的在于提供在更低耦合系數(shù)情況下無線無源LC諧振傳感器有效的信息獲取方法和檢測電路，所述信息獲取方法和檢測電路同樣適用于高耦合系數(shù)下無線無源LC諧振傳感器的檢測。
[0032]由無線無源LC諧振傳感器的工作原理可知，可以通過測量讀取線圈阻抗相位的變化來檢測諧振峰的頻率。因此，本發(fā)明使用差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)讀取線圈阻抗相位變化的放大。
[0033]圖2是本發(fā)明提出的無線無源LC諧振傳感器檢測電路的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，所述檢測電路包括:主控制器、直接數(shù)字頻率合成器(DDS)、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路以及顯示器，其中:
[0034]所述直接數(shù)字頻率合成器(DDS)與所述主控制器和差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路連接，用于接收所述主控制器的控制信號并產(chǎn)生由所述控制信號決定的掃頻信號，所述DDS產(chǎn)生的掃頻信號輸出至所述差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路，其中，所述掃頻信號為兩路差分信號，分別表示為A(W)和-A(W)，所述掃頻信號的頻率范圍是IOkHz~20MHz ；
[0035]所述差分驅(qū)動(dòng)對稱 檢測電路與所述直接數(shù)字頻率合成器(DDS)和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)連接，用于接收所述直接數(shù)字頻率合成器(DDS)輸出的掃頻信號，提取并放大其讀取線圈L_d阻抗的相位變化，并將相位變化反饋信號輸出至所述高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)；
[0036]所述差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路采用如圖3所示的差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測網(wǎng)絡(luò)是由參考電感與讀取線圈組成的對稱結(jié)構(gòu)，由差分信號驅(qū)動(dòng)，參考電感與讀取線圈的連接點(diǎn)為檢測網(wǎng)絡(luò)的輸出端，具體地，所述差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路進(jìn)一步包括參考電感LMf、讀取線圈Lread、第一差分信號放大電路Al、第二差分信號放大電路A2、輸出信號放大電路A3，其中:
[0037]所述第一差分信號放大電路Al、第二差分信號放大電路A2的輸入端分別連接由所述DDS輸出的兩路掃頻信號A(W)、-A(W)，其輸出端分別連接所述參考電感LMf、讀取線圈Lread的一端；所述參考電感LMf、讀取線圈Lrad的另一端相互連接，連接點(diǎn)作為所述輸出信號放大電路A3的輸入端，所述輸出信號放大電路A3的輸出端連接至所述ADC的輸入端，以將輸出信號B (W)發(fā)送至所述ADC。
[0038]在該結(jié)構(gòu)中，當(dāng)該網(wǎng)絡(luò)的工作頻率為LC諧振傳感器的諧振頻率時(shí):參考電感Lref的阻抗為Zref=Rref+jwLMf，其中wLMf?RMf，Rref為所述參考電感Lref的寄生電阻，W為LC諧振傳感器的諧振頻率；讀取線圈Lread中沒有LC諧振傳感器時(shí)，讀取線圈L_d的阻抗為Zread=Rread+JWLread,其中wLMad?Rraad，Rread為所述讀取線圈LMad的寄生電阻；讀取線圈LMad中存在LC諧振傳感器時(shí)，讀取線圈Lread的阻抗為U =Rread+AR+jwLread,其中AR為LC回路等效到讀取線圈中的等效電阻。由于參考電感與讀取線圈具有相似性，因此可以假設(shè)Zref= a Zread, α為參考電感與讀取線圈的電感值比例，0.4〈α〈2.5。
[0039]所述差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)函數(shù)為:
【權(quán)利要求】
1.一種無線無源LC諧振傳感器的信息檢測電路，其特征在于，該電路包括:主控制器、直接數(shù)字頻率合成器DDS、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路，其中: 所述DDS與所述主控制器和差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路連接，用于接收所述主控制器的控制信號并產(chǎn)生由所述控制信號決定的掃頻信號，所述DDS產(chǎn)生的掃頻信號輸出至所述差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路； 所述差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路與所述DDS和ADC連接，用于接收所述DDS輸出的掃頻信號，提取并放大其讀取線圈阻抗的相位變化，并將相位變化反饋信號輸出至所述ADC ; 所述ADC與所述差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路和所述主控制器連接，用于對于所述差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路輸出的相位變化反饋信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，并將處理后得到的反饋信號輸出至所述主控制器； 所述主控制器與所述DDS、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC連接，用于對所述DDS和ADC進(jìn)行控制并對接收到的信號進(jìn)行處理以確定當(dāng)前LC諧振傳感器的諧振峰頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，所述掃頻信號為兩路差分信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，所述差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路采用差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，所述差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路包括參考電感LMf、讀取線圈LMad、第一差分信號放大電路Al、第二差分信號放大電路A2、輸出信號放大電路A3，其中: 所述第一差分信號放大電路Al、第二差分信號放大電路A2的輸入端分別連接由所述DDS輸出的兩路掃頻信號A(W)、-A(W)，其輸出端分別連接所述參考電感LMf、讀取線圈LMad的一端; 所述參考電感LMf、讀取線圈L_d的另一端相互連接，連接點(diǎn)作為所述輸出信號放大電路A3的輸入端，所述輸出信號放大電路A3的輸出端連接至所述ADC的輸入端，以將輸出信號B (W)發(fā)送至所述ADC。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，所述主控制器包括數(shù)字信號處理器DSP和現(xiàn)場可編程器件FPGA，其中: 所述FPGA通過控制信號對所述DDS和ADC分別進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)掃頻信號和反饋信號的同步采樣； 所述DSP基于所述ADC輸出的相位變化反饋信號確定當(dāng)前LC諧振傳感器的諧振峰頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，其特征在于，所述DSP確定當(dāng)前LC諧振傳感器的諧振峰頻率時(shí)，首先基于所述ADC輸出的相位變化反饋信號通過DFT算法計(jì)算得到所述差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路的相位譜；然后將計(jì)算得到的相位譜與無LC諧振傳感器時(shí)的系統(tǒng)相位譜相減實(shí)現(xiàn)相位譜的校準(zhǔn)；然后采用FIR濾波器設(shè)計(jì)的數(shù)字序列與校準(zhǔn)后的相位譜卷積完成數(shù)字濾波；最后通過峰值檢測算法查找濾波后的相位譜中的最值來確定當(dāng)前LC諧振傳感器的諧振峰頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，還包括顯示器，所述顯示器與所述主控制器連接，用于接收所述主控制器的控制信號來顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電路，其特征在于，所述數(shù)據(jù)包括所述主控制器的運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)前LC諧振傳感器的諧振頻率以及LC諧振傳感器的諧振頻率變化曲線。
9.一種無線無源LC諧振傳感器的信息獲取方法，其特征在于，該方法包括: 步驟1，主控制器控制直接數(shù)字頻率合成器DDS完成一次掃頻輸出，差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路提取并放大其讀取線圈阻抗的相位變化，所述主控制器控制高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC對相位變化反饋信號采樣，并讀取經(jīng)過ADC處理的相位變化反饋信號； 步驟2，主控制器中的DSP根據(jù)所述步驟I處理得到的相位變化反饋信號根據(jù)DFT算法得到本次掃頻的相位譜； 步驟3，利用所述步驟2得到的相位譜對系統(tǒng)相位譜進(jìn)行更新； 步驟4，將待檢測的LC諧振傳感器放置于差分驅(qū)動(dòng)對稱檢測電路中的讀取線圈內(nèi)，并重復(fù)所述步驟1-2 ； 步驟5，利用所述步驟4得到的相位譜與所述步驟3得到的系統(tǒng)相位譜進(jìn)行相位譜校準(zhǔn)； 步驟6，對于所述步驟5校準(zhǔn)后的相位譜進(jìn)行濾波； 步驟7，基于濾波后的相位譜，采用峰值檢測算法得到所述LC諧振傳感器的諧振峰頻率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9`所述的方法，其特征在于，所述步驟5中的相位譜校準(zhǔn)采用所述步驟4得到的相位譜與所述步驟3得到的系統(tǒng)相位譜進(jìn)行相減的方式。
【文檔編號】G01D5/243GK103512592SQ201310449935
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】王軍波, 鮑凱凱, 陳德勇, 史強(qiáng), 陳健 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所