一種無源無線多參數(shù)傳感器系統(tǒng)及其多參數(shù)測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種無源無線多參數(shù)傳感器系統(tǒng)及其多參數(shù)測量方法，利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測量及信號傳輸。該系統(tǒng)包含主次兩個(gè)系統(tǒng)，主系統(tǒng)發(fā)出的信號既作為調(diào)制載波，也為次系統(tǒng)提供能量。次系統(tǒng)接收主系統(tǒng)發(fā)出的信號并經(jīng)整流穩(wěn)壓后為自身提供能量。次系統(tǒng)包含多個(gè)電容式傳感器感應(yīng)系統(tǒng)環(huán)境物理量的變化；通過C-F轉(zhuǎn)換電路將傳感器的電容信號轉(zhuǎn)換成頻率信號；再利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)將多路頻率信號經(jīng)由一個(gè)傳輸通道控制負(fù)載開關(guān)通斷，通過改變次系統(tǒng)的負(fù)載阻抗對電路完成負(fù)載調(diào)制。主系統(tǒng)通過電感耦合接收調(diào)制后的信號進(jìn)行解調(diào)及放大處理。本系統(tǒng)可以方便擴(kuò)展測量的參數(shù)個(gè)數(shù)，僅需增加分頻器個(gè)數(shù)以及多路開關(guān)的選通能力。
【專利說明】一種無源無線多參數(shù)傳感器系統(tǒng)及其多參數(shù)測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無源無線多參數(shù)傳感器遙測技術(shù)，尤其涉及一種無源無線多參數(shù)傳感器系統(tǒng)及其多參數(shù)測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無源無線多參數(shù)傳感器系統(tǒng)無需線路傳輸信號，也無需電源供電，在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境監(jiān)測中有較為樂觀的應(yīng)用前景，對促進(jìn)我國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有巨大作用。以前的RFID技術(shù)，需要電池，壽命短。一般只能實(shí)現(xiàn)單參數(shù)測量，并且需要工作在特定頻率。內(nèi)部電路復(fù)雜，依靠單片機(jī)、存儲(chǔ)器等進(jìn)行信號發(fā)送，需要同步時(shí)鐘，成本高，應(yīng)用受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:針對上述現(xiàn)有技術(shù)，提供一種無源無線多參數(shù)傳感器系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多參數(shù)測量與信號的無源無線傳輸。
[0004]本發(fā)明的另一目的在于提供一種無源無線多參數(shù)傳感器參數(shù)測量方法。
[0005]技術(shù)方案:一種無源無線多參數(shù)傳感器系統(tǒng)，包括主系統(tǒng)和次系統(tǒng)；所述主系統(tǒng)和次系統(tǒng)能夠通過電感耦合連接來傳遞能量和信號；其中，所述主系統(tǒng)包括分別與第一耦合電感連接的載波產(chǎn)生電路和包絡(luò)檢波電路，還包括與所述包絡(luò)檢波電路連接的信號放大電路；所述次系統(tǒng)包括與第二耦合電感連接的整流穩(wěn)壓電路，還包括依次連接的多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路、時(shí)分復(fù)用電路以及負(fù)載調(diào)制電路；所述整流穩(wěn)壓電路用來將耦合到的能量轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的輸出電壓為次系統(tǒng)供電；其中，所述時(shí)分復(fù)用電路用來在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，選通多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路輸出多個(gè)參數(shù)的頻率信號，并經(jīng)一個(gè)傳輸通道輸出到所述負(fù)載調(diào)制電路。
[0006]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述時(shí)分復(fù)用電路包括依次連接的時(shí)鐘產(chǎn)生電路、分頻器以及多路開關(guān)，所述多路開關(guān)連接所述負(fù)載調(diào)制電路；所述多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路包括若干傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路模塊，分別用來將多個(gè)傳感器的電容信號轉(zhuǎn)換成頻率信號；所述時(shí)鐘產(chǎn)生電路和分頻器產(chǎn)生邏輯控制信號，控制所述多路開關(guān)選通由所述多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換得到的多個(gè)參數(shù)的頻率信號中的某一信號。
[0007]—種無源無線多參數(shù)傳感器多參數(shù)測量方法，首先，主系統(tǒng)的載波產(chǎn)生電路發(fā)出激勵(lì)信號，經(jīng)由電感耦合到次系統(tǒng)電路中進(jìn)行整流與能量儲(chǔ)存，當(dāng)電壓穩(wěn)定后次系統(tǒng)電路開始工作；次系統(tǒng)中時(shí)分復(fù)用電路由時(shí)鐘產(chǎn)生電路發(fā)出時(shí)鐘信號后，經(jīng)分頻器產(chǎn)生多路開關(guān)電源邏輯控制信號；當(dāng)次系統(tǒng)中的多參數(shù)傳感器所測物理量發(fā)生變化時(shí)，不同傳感器的電容發(fā)生變化，由多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路完成電容到頻率信號的轉(zhuǎn)換；多路開關(guān)電源邏輯控制信號控制多路開關(guān)選通，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，將多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路輸出的多個(gè)參數(shù)的頻率信號按照預(yù)定時(shí)序經(jīng)由一個(gè)傳輸通道傳輸至負(fù)載調(diào)制電路；負(fù)載調(diào)制電路的阻抗發(fā)生變化，使得次系統(tǒng)耦合電感上的信號幅值發(fā)生變化；信號幅值的變化經(jīng)耦合傳至主系統(tǒng)，主系統(tǒng)中的包絡(luò)檢波電路對耦合到的信號解調(diào)后，再通過信號放大電路處理即可得到不同傳感器的測量值。
[0008]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果:
[0009]1、本系統(tǒng)通過時(shí)分復(fù)用電路控制多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路，可以同時(shí)完成多個(gè) 參數(shù)的測量；而且基于該時(shí)分復(fù)用技術(shù)，可以方便擴(kuò)展測量的參數(shù)個(gè)數(shù)，僅需增加分頻器個(gè) 數(shù)以及多路開關(guān)的選通能力。克服了多通道同時(shí)采集時(shí)占用硬件資源多、浪費(fèi)嚴(yán)重等缺點(diǎn)。
[0010]2、相對于現(xiàn)有的RFID技術(shù)，本專利提出的時(shí)分復(fù)用技術(shù)無需借助于單片機(jī)和存 儲(chǔ)器，無需編碼，不需要主次系統(tǒng)同步時(shí)鐘，僅通過電感耦合，時(shí)序控制簡單，工作量小，成 本低，對電壓質(zhì)量要求低。有效地節(jié)約了系統(tǒng)資源，使復(fù)雜的控制系統(tǒng)變得簡單，且功耗低， 成本低。
[0011]3、相比傳統(tǒng)的容性傳感器電容轉(zhuǎn)換成電壓信號，本發(fā)明采用將傳感器電容轉(zhuǎn)換成 頻率信號，抗干擾性更強(qiáng)。
[0012]4、利用轉(zhuǎn)換得到的頻率信號對電路進(jìn)行負(fù)載調(diào)制，通過電感耦合傳遞信號，無需 特定頻率的載波信號，對載波信號要求低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2是本發(fā)明的次系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0016]如圖1所示，一種無源無線多參數(shù)傳感器系統(tǒng)包括主系統(tǒng)和次系統(tǒng)；主系統(tǒng)和次 系統(tǒng)通過電感耦合連接來傳遞能量和信號。其中，主系統(tǒng)包括分別與第一耦合電感連接的 載波產(chǎn)生電路2和包絡(luò)檢波電路3，還包括與包絡(luò)檢波電路3連接的信號放大電路4。次系 統(tǒng)包括與第二耦合電感連接的整流穩(wěn)壓電路5，還包括依次連接的多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換 電路6、時(shí)分復(fù)用電路7以及負(fù)載調(diào)制電路8。其中，載波產(chǎn)生電路2采用高效率E類開關(guān) 功率放大器，通過耦合電感將信號發(fā)射出去。整流穩(wěn)壓電路5用來將耦合到的能量轉(zhuǎn)換成 穩(wěn)定的輸出電壓為次系統(tǒng)中的多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路6、時(shí)分復(fù)用電路7以及負(fù)載調(diào)制 電路8供電。
[0017]如圖2所示，時(shí)分復(fù)用電路7包括依次連接的時(shí)鐘產(chǎn)生電路9、分頻器10以及多 路開關(guān)12。多路開關(guān)12連接負(fù)載調(diào)制電路8。多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路6包括若干傳 感器C-F轉(zhuǎn)換電路模塊，分別用來將多個(gè)傳感器的電容信號轉(zhuǎn)換成頻率信號。在本實(shí)施例 中，該多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路6包括三個(gè)傳感器；該多路開關(guān)12為三選一多路開關(guān)；時(shí) 鐘產(chǎn)生電路9為基于精密硅振蕩器的時(shí)鐘電路；分頻器10為基于JK觸發(fā)器構(gòu)成的分頻器 電路；多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路6為基于施密特觸發(fā)器構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路；負(fù)載調(diào)制電路 8由一個(gè)MOS管串聯(lián)電阻構(gòu)成。時(shí)鐘產(chǎn)生電路9和分頻器10產(chǎn)生邏輯控制信號，控制多路 開關(guān)12選通由多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路6轉(zhuǎn)換得到的多個(gè)參數(shù)的頻率信號中的某一信 道，并在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，將多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路輸出多個(gè)參數(shù)的頻率信號，經(jīng)一個(gè) 傳輸通道輸出到負(fù)載調(diào)制電路8。
[0018]基于上述的無源無線多參數(shù)傳感器多參數(shù)測量方法，首先，主系統(tǒng)的載波產(chǎn)生電路發(fā)出激勵(lì)信號，經(jīng)由電感耦合到次系統(tǒng)電路中進(jìn)行整流與能量儲(chǔ)存，當(dāng)電壓穩(wěn)定后次系統(tǒng)電路開始工作；次系統(tǒng)中時(shí)分復(fù)用電路由時(shí)鐘產(chǎn)生電路發(fā)出時(shí)鐘信號后，經(jīng)分頻器產(chǎn)生多路開關(guān)電源邏輯控制信號；當(dāng)次系統(tǒng)中的多參數(shù)傳感器所測物理量發(fā)生變化時(shí)，不同傳感器的電容發(fā)生變化，由多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路完成電容到頻率信號的轉(zhuǎn)換，生成抗干擾性強(qiáng)的頻率信號；多路開關(guān)電源邏輯控制信號控制多路開關(guān)選通多個(gè)通道的頻率信號中的某一信道，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，將多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路輸出的多個(gè)參數(shù)的頻率信號按照預(yù)定時(shí)序經(jīng)由一個(gè)傳輸通道傳輸至負(fù)載調(diào)制電路；該輸出信號控制負(fù)載調(diào)制電路中MOS開關(guān)管通斷來改變次系統(tǒng)的負(fù)載阻抗，使得次系統(tǒng)電感上的信號幅值隨著阻抗變化而變化，從而完成對次系統(tǒng)的負(fù)載調(diào)制；信號幅值的變化經(jīng)耦合傳至主系統(tǒng)，主系統(tǒng)中的包絡(luò)檢波電路對耦合到的信號解調(diào)后，再通過信號放大電路處理即可得到即可得到不同傳感器的測量值。
[0019]在本發(fā)明中，主系統(tǒng)完成載波發(fā)射和接收，以及信號解調(diào)功能。主系統(tǒng)發(fā)出的信號既作為調(diào)制載波，也為次系統(tǒng)提供能量。通過主次系統(tǒng)間的電感耦合，次系統(tǒng)接收主系統(tǒng)發(fā)出的信號并經(jīng)整流穩(wěn)壓后為自身提供能量。次系統(tǒng)包含三個(gè)不同的電容式傳感器感應(yīng)環(huán)境物理量的變化；通過C-F轉(zhuǎn)換電路將傳感器的電容信號轉(zhuǎn)換成頻率信號；再利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)將不同傳感器的頻率信號經(jīng)由一個(gè)傳輸通道控制負(fù)載開關(guān)通斷，當(dāng)電路負(fù)載阻抗變化時(shí)，會(huì)使電感上的信號幅度相應(yīng)變化，即對載波信號完成負(fù)載調(diào)制。通過電感耦合，主系統(tǒng)接收調(diào)制后的信號進(jìn)行解調(diào)及放大處理。
[0020]使用本發(fā)明的無源無線多參數(shù)傳感器系統(tǒng)時(shí)，首先使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對無源無線傳感器進(jìn)行標(biāo)定，建立頻率變化與所測物理量之間的對應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)工作時(shí)，將主系統(tǒng)的輸出信號的頻率，與標(biāo)定值進(jìn)行對比，即可得到待測物理量的變化。
[0021]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種無源無線多參數(shù)傳感器系統(tǒng)，其特征在于:包括主系統(tǒng)和次系統(tǒng)；所述主系統(tǒng) 和次系統(tǒng)能夠通過電感耦合連接來傳遞能量和信號；其中，所述主系統(tǒng)包括分別與第一耦 合電感連接的載波產(chǎn)生電路(2)和包絡(luò)檢波電路(3)，還包括與所述包絡(luò)檢波電路(3)連接 的信號放大電路(4);所述次系統(tǒng)包括與第二耦合電感連接的整流穩(wěn)壓電路(5)，還包括依 次連接的多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路(6)、時(shí)分復(fù)用電路(7)以及負(fù)載調(diào)制電路(8);所述 整流穩(wěn)壓電路(5)用來將耦合到的能量轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的輸出電壓為次系統(tǒng)供電；其中，所述 時(shí)分復(fù)用電路(7)用來在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，選通多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路輸出多個(gè)參數(shù) 的頻率信號，并經(jīng)一個(gè)傳輸通道輸出到所述負(fù)載調(diào)制電路(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無源無線多參數(shù)傳感器系統(tǒng)，其特征在于:所述時(shí)分復(fù) 用電路(7)包括依次連接的時(shí)鐘產(chǎn)生電路(9)、分頻器(10)以及多路開關(guān)(12)，所述多路 開關(guān)(12)連接所述負(fù)載調(diào)制電路(8);所述多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路(6)包括若干傳感 器C-F轉(zhuǎn)換電路模塊，分別用來將多個(gè)傳感器的電容信號轉(zhuǎn)換成頻率信號；所述時(shí)鐘產(chǎn)生 電路(9)和分頻器(10)產(chǎn)生邏輯控制信號，控制所述多路開關(guān)(12)選通由所述多參數(shù)傳 感器C-F轉(zhuǎn)換電路(6)轉(zhuǎn)換得到的多個(gè)參數(shù)的頻率信號中的某一信號。
3.如權(quán)利要求2所述的一種無源無線多參數(shù)傳感器多參數(shù)測量方法，其特征在于:首 先，主系統(tǒng)的載波產(chǎn)生電路發(fā)出激勵(lì)信號，經(jīng)由電感耦合到次系統(tǒng)電路中進(jìn)行整流與能量 儲(chǔ)存，當(dāng)電壓穩(wěn)定后次系統(tǒng)電路開始工作；次系統(tǒng)中時(shí)分復(fù)用電路由時(shí)鐘產(chǎn)生電路發(fā)出時(shí) 鐘信號后，經(jīng)分頻器產(chǎn)生多路開關(guān)電源邏輯控制信號；當(dāng)次系統(tǒng)中的多參數(shù)傳感器所測物 理量發(fā)生變化時(shí)，不同傳感器的電容發(fā)生變化，由多參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路完成電容到 頻率信號的轉(zhuǎn)換；多路開關(guān)電源邏輯控制信號控制多路開關(guān)選通，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，將多 參數(shù)傳感器C-F轉(zhuǎn)換電路輸出的多個(gè)參數(shù)的頻率信號按照預(yù)定時(shí)序經(jīng)由一個(gè)傳輸通道傳 輸至負(fù)載調(diào)制電路；負(fù)載調(diào)制電路的阻抗發(fā)生變化，使得次系統(tǒng)耦合電感上的信號幅值發(fā) 生變化；信號幅值的變化經(jīng)耦合傳至主系統(tǒng)，主系統(tǒng)中的包絡(luò)檢波電路對耦合到的信號解 調(diào)后，再通過信號放大電路處理即可得到不同傳感器的測量值。
【文檔編號】G01D5/24GK103575306SQ201310579205
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】唐丹, 王立峰, 董蕾, 黃慶安 申請人:東南大學(xué)