一種基于lc諧振傳感器的力學(xué)參數(shù)測量系統(tǒng)與測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于LC諧振傳感器的力學(xué)參數(shù)測量系統(tǒng)與測量方法，所述系統(tǒng)包括DDS掃頻信號源模塊、高頻功率放大器模塊、第一移相器、第二移相器、互感耦合前端模塊、相差檢測模塊、信號采集模塊、中央處理單元；當系統(tǒng)對前端讀取天線施加正弦交變激勵信號時，如果遠端被測環(huán)境中的LC諧振傳感器與之發(fā)生電磁互感耦合，將導(dǎo)致讀取天線端輸入阻抗發(fā)生改變，從而使得天線端正弦交變激勵信號的相頻曲線產(chǎn)生一個與LC傳感器諧振頻率相關(guān)的峰值，通過提取峰值處的頻率，得到LC諧振傳感器的諧振頻率變化，就可以推算出環(huán)境中被測力學(xué)參數(shù)的變化。
【專利說明】一種基于LC諧振傳感器的力學(xué)參數(shù)測量系統(tǒng)與測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及LC諧振傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及的是一種LC諧振傳感器阻抗相位參量檢測的力學(xué)參數(shù)測量系統(tǒng)與測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代醫(yī)療、航天和國家重大工程研究等方面對極端惡劣環(huán)境下參數(shù)測試需求的增長，傳統(tǒng)的測試方法與測試手段已經(jīng)表現(xiàn)出很大的局限性，某些惡劣環(huán)境下(諸如高溫、高壓)的關(guān)鍵參數(shù)測試仍然是盲區(qū)。傳統(tǒng)的力學(xué)傳感器多是基于硅基的MEMS結(jié)構(gòu)，測量方法與測試系統(tǒng)的構(gòu)建都是使用物理導(dǎo)線進行電信號連接，但在極端惡劣環(huán)境下，傳統(tǒng)的傳感器力學(xué)彈性結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導(dǎo)線失效，同時也不適合用電池給傳感器供電。采用無源無線LC諧振傳感器通過非接觸測量的方法可以有效解決惡劣環(huán)境下傳感器對關(guān)鍵參數(shù)的敏感與測試問題。
[0003]目前，該類型的傳感器研制在我國剛剛起步，無源無線LC傳感器的測量與標定通常使用大型測量儀器，搭建復(fù)雜和精度差的測量系統(tǒng)完成，這種低層次實驗室測量方法越來越不能滿足LC諧振傳感器實際工程應(yīng)用測試環(huán)境的要求。無源無線LC傳感器的測量都是在實驗室采用阻抗分析儀來進行信號測試，但是由于阻抗分析儀體積大，重量重，移動十分不方便，不可直接應(yīng)用于實際的工程測試中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決惡劣環(huán)境下(諸如高溫、高壓)的力學(xué)參數(shù)測試中，傳統(tǒng)的測試方法與測試手段存在很大的局限性、依賴于體積龐大的阻抗測試儀器、硬件難以實現(xiàn)及精度低等問題，提出了一種基于電磁互感耦合LC諧振傳感器的力學(xué)參數(shù)測量系統(tǒng)及方法。
[0005]本發(fā)明的一方面是提出一種基于電磁互感耦合的相位測量方法，該方法通過檢測讀取天線端由于互感耦合導(dǎo)致正弦交變信號的相頻曲線變化，讀取遠端被測環(huán)境中LC無線無源傳感器的諧振頻率變化。
[0006]所述測量方法的基本原理是:當系統(tǒng)對前端讀取天線施加正弦交變激勵信號時，如果遠端被測環(huán)境中的LC諧振傳感器與之發(fā)生電磁互感耦合，將導(dǎo)致讀取天線端輸入阻抗發(fā)生改變，從而使得天線端正弦交變激勵信號的相頻曲線產(chǎn)生一個與LC傳感器諧振頻率相關(guān)的峰值，通過提取峰值處的頻率，得到LC諧振傳感器的諧振頻率變化，就可以推算出環(huán)境中被測力學(xué)參數(shù)的變化。
[0007]—種基于LC諧振傳感器的力學(xué)參數(shù)測量系統(tǒng)，包括DDS掃頻信號源模塊、高頻功率放大器模塊、第一移相器、第二移相器、互感耦合前端模塊、相差檢測模塊、信號采集模塊、中央處理單元；互感耦合前端模塊包括讀取天線和無線無源LC諧振傳感器，二者之間通過電磁互感耦合組成互感耦合前端模塊；DDS掃頻信號源接收到中央處理單元的數(shù)字頻率控制字后，生成系統(tǒng)所需的測試正弦交變源信號，該源信號經(jīng)過高頻功放模塊放大后，能夠驅(qū)動讀取天線與無線無源LC諧振傳感器進行電磁互感耦合；第二移相器將該源信號進行移相處理后送入相差檢測模塊的A端口，第一移相器將該源信號進行移相處理后送入讀取天線，保證其穩(wěn)態(tài)下的相差輸出；驅(qū)動讀取天線后的交變信號送入相差檢測模塊的B端口，相差檢測模塊將前述兩個信號的相位差值輸出為對應(yīng)的直流電平，電平幅值對應(yīng)相應(yīng)的相位差值，該輸出值也表征了無線無源LC諧振傳感器的諧振頻率；信號采集模塊實時采集相差檢測模塊所輸出的直流電平并進行量化，并將量化后的相差數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元進行處理，中央處理單元接收到量化后的相差數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行計算，計算得到無線無源LC諧振傳感器的諧振頻率以及被測環(huán)境的敏感參數(shù)，并將結(jié)果以異步串行方式輸出。
[0008]基于所述的測量系統(tǒng)測量方法，包括以下步驟:
[0009]I)將無線無源LC諧振傳感器置于被測環(huán)境中，將所述的讀取天線與無線無源LC諧振傳感器的電感線圈同軸正對平行放置；
[0010]2)測量系統(tǒng)啟動后，由中央處理單元控制DDS掃頻信號源模塊產(chǎn)生線性掃頻激勵信號經(jīng)過高頻功率放大器對其驅(qū)動能力進行放大后，一路輸入至后端的第一移相器進行移相處理后發(fā)送至讀取天線；另一路輸入至第二移相器經(jīng)移相處理后發(fā)送至相差檢測模塊的A端口；
[0011]3)經(jīng)過讀取天線的激勵信號，由于互感耦合，輸出信號的激勵信號阻抗特征發(fā)生變化，將該輸出信號和A端口輸入的信號交由相差檢測模塊進行相位差值測試，該相差檢測模塊將所述的兩個信號的相位差值輸出對應(yīng)的直流電平，電平幅值對應(yīng)相應(yīng)的相位差值；
[0012]4)信號采集模塊實時采集相差檢測模塊所輸出的直流電平并進行量化，并將量化后的相差數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元進行處理；
[0013]5)中央處理單元接收到量化后的相差數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行計算，計算得到LC諧振傳感器的諧振頻率以及被測環(huán)境的敏感參數(shù)，并將結(jié)果以異步串行方式輸出。
[0014]本發(fā)明提出的相位測量方法和測量系統(tǒng)，實現(xiàn)小型便攜式模塊化設(shè)計，安裝方便，測試精度高，抗環(huán)境干擾能力強，很好的解決了非接觸式LC諧振傳感器在測試環(huán)節(jié)遇到的關(guān)鍵問題。主要的有益效果包括以下三點:
[0015]I)本發(fā)明測量系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)的阻抗測試儀器，精簡并模塊化了傳感器測量系統(tǒng)，并且突破了只局限于實驗室的測量，能夠運用到現(xiàn)代醫(yī)療、航天和工業(yè)等方面工程測量中，并且能夠滿足和提高對測量的要求；
[0016]2)本發(fā)明測量系統(tǒng)利用非接觸的阻抗相位測量方法解決了傳統(tǒng)測量方法中存在的硬件難以實現(xiàn)，精度低，抗干擾能力差及不能在極端環(huán)境下使用等問題；
[0017]3)本發(fā)明測量系統(tǒng)解決了高溫、高壓等惡劣環(huán)境下的難題，避免了高溫高壓環(huán)境下有線測量產(chǎn)生電路失效和電引線退化等問題，對在航天、核電等工程應(yīng)用中具有重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為LC諧振傳感器互感耦合模型；
[0019]圖2為相位檢測原理曲線；
[0020]圖3為測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；【具體實施方式】
[0021]以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。
[0022]本發(fā)明的LC諧振傳感器力學(xué)參數(shù)測量系統(tǒng)是基于圖1所示的耦合模型提出的，其中L1、R1、Cl分別為讀取天線、天線的電阻和串聯(lián)電容，L2、C2分別為傳感器端的電感線圈及對力學(xué)參數(shù)敏感的可變電容，R2是寄生在LC諧振回路中的串聯(lián)電阻。當系統(tǒng)對前端讀取天線施加正弦交變激勵信號Ul時，如果遠端被測環(huán)境中的LC諧振傳感器與讀取天線發(fā)生電磁互感耦合，將導(dǎo)致讀取天線端輸入阻抗Zi發(fā)生改變，從而使得天線端正弦交變激勵信號的相頻曲線產(chǎn)生一個與LC諧振傳感器諧振頻率相關(guān)的峰值，如圖2所示，通過提取峰值處的頻率，得到LC諧振傳感器的諧振頻率變化，就可以推算出環(huán)境中被測力學(xué)參數(shù)的變化。
[0023]本發(fā)明的基于LC諧振傳感器的力學(xué)參數(shù)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。該測量系統(tǒng)包括DDS(直接數(shù)字頻率合成技術(shù))掃頻信號源模塊、高頻功率放大器模塊、第一移相器、第二移相器、互感耦合前端模塊、相差檢測模塊、信號采集模塊、中央處理單元。互感耦合前端模塊包括讀取天線和無線無源LC諧振傳感器，二者之間通過電磁互感耦合組成互感耦合前端模塊。DDS掃頻信號源接收到中央處理單元的數(shù)字頻率控制字后，生成系統(tǒng)所需的測試正弦交變源信號，該源信號經(jīng)過高頻功放模塊放大后，可以驅(qū)動讀取天線與無線無源LC諧振傳感器進行電磁互感耦合；第二移相器將該源信號進行移相處理后送入相差檢測模塊的A端口，第一移相器將該源信號進行移相處理后送入讀取天線，保證其穩(wěn)態(tài)下的相差輸出；驅(qū)動讀取天線后的交變信號送入相差檢測模塊的B端口，相差檢測模塊將前述兩個信號的相位差值輸出為對應(yīng)的直流電平，電平幅值對應(yīng)相應(yīng)的相位差值，該輸出值也表征了無線無源LC諧振傳感器的諧振頻率；信號采集模塊實時采集相差檢測模塊所輸出的直流電平并進行量化，并將量化后的相差數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元進行處理，中央處理單元接收到量化后的相差數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行計算，計算得到無線無源LC諧振傳感器的諧振頻率以及被測環(huán)境的敏感參數(shù)，并將結(jié)果以異步串行方式輸出。
[0024]該基于LC諧振傳感器的力學(xué)參數(shù)測量系統(tǒng)的測試方法，包括如下步驟:
[0025]I)將無線無源LC諧振傳感器置于被測環(huán)境中，將本發(fā)明裝置中的前端讀取天線與無線無源LC諧振傳感器的電感線圈同軸正對平行放置，此時，被測環(huán)境中的諧振傳感器由于敏感參數(shù)未發(fā)生變化，所測試值為靜態(tài)輸出；
[0026]2)測量系統(tǒng)啟動工作后，由中央處理單元控制DDS掃頻信號源模塊產(chǎn)生線性掃頻激勵信號經(jīng)過高頻功率放大器對其驅(qū)動能力進行放大后，一路輸入至后端的第一移相器進行移相處理后，發(fā)送至讀取天線，該激勵信號頻率范圍覆蓋遠端LC傳感器諧振頻率變化范圍，經(jīng)高頻功率放大器后可以驅(qū)動讀取天線與傳感器互感耦合工作的能力；另一路輸入至第二移相器經(jīng)移相處理后發(fā)送至相差檢測模塊的A端口。
[0027]3)經(jīng)過讀取天線的激勵信號，由于互感耦合，輸出信號的激勵信號阻抗特征發(fā)生變化，將該輸出信號和A端口輸入的信號交由相差檢測模塊進行相位差值測試，該相差檢測模塊會將前述兩個信號的相位差值輸出對應(yīng)的直流電平，電平幅值對應(yīng)相應(yīng)的相位差值；
[0028]4)信號采集模塊實時采集相差檢測模塊所輸出的直流電平并進行量化，并將量化后的相差數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元進行處理；[0029]5)中央處理單元接收到量化后的相差數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行計算，計算得到LC諧振傳感器的諧振頻率以及被測環(huán)境的敏感參數(shù)，并將結(jié)果以異步串行方式輸出。
[0030]應(yīng)當理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于LC諧振傳感器的力學(xué)參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，包括DDS掃頻信號源模塊、高頻功率放大器模塊、第一移相器、第二移相器、互感耦合前端模塊、相差檢測模塊、信號采集模塊、中央處理單元；互感耦合前端模塊包括讀取天線和無線無源LC諧振傳感器，二者之間通過電磁互感耦合組成互感耦合前端模塊；DDS掃頻信號源接收到中央處理單元的數(shù)字頻率控制字后，生成系統(tǒng)所需的測試正弦交變源信號，該源信號經(jīng)過高頻功放模塊放大后，能夠驅(qū)動讀取天線與無線無源LC諧振傳感器進行電磁互感耦合；第二移相器將該源信號進行移相處理后送入相差檢測模塊的A端口，第一移相器將該源信號進行移相處理后送入讀取天線，保證其穩(wěn)態(tài)下的相差輸出；驅(qū)動讀取天線后的交變信號送入相差檢測模塊的B端口，相差檢測模塊將前述兩個信號的相位差值輸出為對應(yīng)的直流電平，電平幅值對應(yīng)相應(yīng)的相位差值，該輸出值也表征了無線無源LC諧振傳感器的諧振頻率；信號采集模塊實時采集相差檢測模塊所輸出的直流電平并進行量化，并將量化后的相差數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元進行處理，中央處理單元接收到量化后的相差數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行計算，計算得到無線無源LC諧振傳感器的諧振頻率以及被測環(huán)境的敏感參數(shù)，并將結(jié)果以異步串行方式輸出。
2.基于權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將無線無源LC諧振傳感器置于被測環(huán)境中，將所述的讀取天線與無線無源LC諧振傳感器的電感線圈同軸正對平行放置； 2)測量系統(tǒng)啟動后，由中央處理單元控制DDS掃頻信號源模塊產(chǎn)生線性掃頻激勵信號經(jīng)過高頻功率放大器對其驅(qū)動能力進行放大后，一路輸入至后端的第一移相器進行移相處理后發(fā)送至讀取天線；另一路輸入至第二移相器經(jīng)移相處理后發(fā)送至相差檢測模塊的A端Π ； 3)經(jīng)過讀取天線的激勵信號，由于互感耦合，輸出信號的激勵信號阻抗特征發(fā)生變化，將該輸出信號和A端口輸入的信號交由相差檢測模塊進行相位差值測試，該相差檢測模塊將所述的兩個信號的相位差值輸出對應(yīng)的直流電平，電平幅值對應(yīng)相應(yīng)的相位差值； 4)信號采集模塊實時采集相差檢測模塊所輸出的直流電平并進行量化，并將量化后的相差數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元進行處理； 5)中央處理單元接收到量化后的相差數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行計算，計算得到LC諧振傳感器的諧振頻率以及被測環(huán)境的敏感參數(shù)，并將結(jié)果以異步串行方式輸出。
【文檔編號】G01D5/243GK103727964SQ201310590178
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】熊繼軍, 洪應(yīng)平, 梁庭, 李丹丹, 鄭庭麗, 任重, 李晨, 李賽男 申請人:中北大學(xué)