CN103438911A - 定频模式下的lc谐振传感器读取系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种定频模式下的LC谐振传感器读取系统及其方法，解决了现在LC谐振传感器读取装置存在精度低、稳定性差、响应速度慢、误差大等缺点。该系统包括输出端、输入端依次连接的信号源模块、天线测试端、峰值检波模块、信号采集模块、数据存储模块、中央处理模块以及显示模块，同时中央处理模块的输出端又分别与信号采集模块和数据存储模块的输入端连接。本发明读取系统原理简单，结构合理科学，该系统中设计有完善的峰值检测系统，实现了对LC谐振传感器信号的高精度、高频响、稳定地实时测量，提高了整个测量系统的频率响应速度和精确度，有利于以后更进一步对传感器的高精度、快响应频率测量技术方面的研究。

Description

定频模式下的LC谐振传感器读取系统及方法

技术领域

本发明涉及传感器测试技术领域，具体是一种定频模式下的LC谐振传感器读取系统及方法。

背景技术

在很多传感器的应用场合，由于环境的限制，不能直接接触测量传感器的信号，特别是在一些高温、潮湿等恶劣环境下，例如高温环境的压力测量、可植入的生物体压力测量、湿度检测、轮胎内部的压力测量等，用有线测量会产生许多电路失效、供电等问题，如果采用非接触方式测量传感器所检测到的信号将会解决这一系列问题。而目前基于可变电容敏感结构的谐振式传感器具有良好的重复性、分辨力和稳定性，因而成为当今人们研究的重点。由于谐振式传感器有许多优点，适用于非接触方式测量参数，如压力、流量、温度、湿度、液位、密度和气体成分的测量等，也适用于高温、潮湿等恶劣环境，在医疗、航天和工业等方面具有很广泛的应用前景。

到目前为止，读取谐振式传感器电容变化的信号的方法有很多种，在测试天线端检测远端传感器的LC谐振电路电容变化引起的信号表征量的变化，如输入端的信号阻抗幅值、相位、实部虚部等，进而可以分析LC谐振传感器的电容变化量。由于谐振传感器的谐振频率变化在一定范围内，上述检测方法均需提供线性或者指数型扫频模拟信号源，所以在扫频周期上大大降低了LC谐振传感器敏感前端的频响性能，影响测试效果；同时在测量精度上也极大程度依赖于信号源的输出精度和读取电路的采样率。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种定频模式下的LC谐振传感器读取系统及方法。本发明读取系统中设计有完善的峰值检测系统，实现了对LC谐振传感器信号的高精度高频响实时测量，提高测试系统的整体性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种定频模式下的LC谐振传感器读取系统，包括信号源模块、天线测试端、峰值检波模块、信号采集模块、数据存储模块、中央处理模块以及显示模块；其中，信号源模块的输出端与天线测试端的输入端连接，天线测试端的输出端与峰值检波模块的输入端连接，峰值检波模块的输出端与信号采集模块的输入端连接，信号采集模块的输出端与数据存储模块的输入端连接，数据存储模块的输出端与中央处理模块的输入端连接，中央处理模块的输出端与显示模块的输入端连接，同时中央处理模块的输出端又分别与信号采集模块和数据存储模块的输入端连接。

上述各模块中，信号源模块可产生固定频率的信号；测试天线端用于与被测LC谐振传感器的线圈耦合，LC谐振传感器的谐振频率发生变化引起测试天线端特征参数的变化；峰值检波模块是检测测试天线端输出信号的峰值，得出所需的峰值曲线；信号采集模块是将峰值检波模块输出的模拟信号转化为数字信号；数据存储模块是将信号采集模块输出的数字信号存入存储单元；中央处理模块是对整个系统进行实时有效的控制；显示模块用于显示测试结果。

进一步地，所述的峰值检波模块由乘法模拟器和低通滤波器组成的，其中的乘法模拟器采用MC1496芯片，如图所示。峰值检波模块是一种现有的常用装置，峰值检测技术是数字存储及数字采集的重要技术之一，在科研、生产的很多领域都需要用到峰值检波模块，用来实现波形的毛刺捕捉或高占空比信号的检测、冲击信号峰值检测。峰值检测技术能实现高频信号的高精度峰值保持，电路的保持精度很高，响应速度快。

信号源模块采用信号发生器，信号发生器能产生所需参数的电测试信号；信号采集模块采用美国ADI公司的AD7667芯片；中央处理模块采用FPGA，FPGA(FieldProgrammable Gate Array)即现场可编程门阵列，是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，通俗地讲是可编程实现逻辑控制的CPU，通过开发可以完成任何数字器件的功能。。

LC谐振传感器的电路模型中，等效电感L的电感值不变，而等效电容C的电容值会随着外界环境因素的变化产生变化，当C变化后，LC谐振传感器中谐振电路的固有谐振频率将会发生改变，同时测试天线端的输出电压也会随着变化，所以电容值的变化与测试天线端的输出电压相关，因此LC谐振传感器的电容值就等效为关于测试天线端电压的函数。本发明利用峰值检波模块检测到测试天线端的信号峰值，得出所需的峰值曲线，再运用其他辅助测试模块，就可以得出测试天线端电压随LC谐振传感器电容变化呈函数关系，由得出的关系曲线最终推算出LC谐振传感器所受外界环境影响的各项参数，压力、温度、湿度等。

本发明所述的定频模式下的LC谐振传感器读取系统的读取方法，包括如下步骤：

1）将待测LC谐振传感器置于所需环境中，当LC谐振传感器未受到外界环境影响的情况下，LC谐振传感器的起始固有谐振频率不变；信号源模块发射一个与LC谐振传感器的起始固有谐振频率相同的固定频率信号给天线测试端，此时天线测试端的输出信号不变（输出电压不变）；

2）当LC谐振传感器受到外界环境的影响时，LC谐振传感器的电容将发生变化，LC谐振传感器的固有谐振频率也会发生变化，与此同时测试天线端的输出电压就会随着LC谐振传感器的电容变化而变化，峰值检波模块对天线测试端的输出信号进行检测，检测每个输出信号波形的峰值，用来实现波形的峰值捕捉，得出所需的峰值曲线；

3）将峰值检波模块的输出信号通过信号采集模块来进行数据采集，由模拟信号转换为数字信号；

4）将转换的数字信号通过数据储存模块进行数据存储，同时数据储存模块将数字信号传送给中央处理模块进行处理；

5）通过中央处理模块对数字信号进行处理，得出测试天线端的电压和LC谐振传感器的电容之间的关系曲线；

6）根据LC谐振传感器电容的变化与外界测试环境的参数关系（这是本领域技术人员所熟知的），由电容的变化就可以确定这些参数，并通过显示模块显示出这些参数以提供给用户。

本发明读取系统是基于对频响特性和测试精度的要求，从正弦信号峰值映射到可变电容变化的定频模式读取系统，该读取通过电感线圈的交变磁场互感耦合，模拟前端通过检测固定频率正弦信号峰值变化，来还原前端敏感头的可变电容变化。

本发明读取系统原理简单，结构合理科学，该系统中设计有完善的峰值检测系统，实现了对LC谐振传感器信号的高精度、高频响、稳定地实时测量，提高了整个测量系统的频率响应速度和精确度，有利于以后更进一步对传感器的高精度、快响应频率测量技术方面的研究。

附图说明

图1为本发明读取系统的结构框图。

图2为本发明读取系统的原理图。

图3为本发明中峰值检波模块的测试原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，一种定频模式下的LC谐振传感器读取系统，包括信号源模块、天线测试端、峰值检波模块、信号采集模块、数据存储模块、中央处理模块以及显示模块；其中，信号源模块的输出端与天线测试端的输入端连接，天线测试端的输出端与峰值检波模块的输入端连接，峰值检波模块的输出端与信号采集模块的输入端连接，信号采集模块的输出端与数据存储模块的输入端连接，数据存储模块的输出端与中央处理模块的输入端连接，中央处理模块的输出端与显示模块的输入端连接，同时中央处理模块的输出端又分别与信号采集模块和数据存储模块的输入端连接。

具体实施时，所述的峰值检波模块由乘法模拟器和低通滤波器组成的，如图3所示，其中的乘法模拟器采用MC1496芯片。

所述的信号采集模块采用美国ADI公司的AD7667芯片，所述的中央处理模块采用FPGA。

如图1、2所示，本发明定频模式下的LC谐振传感器读取系统的读取方法，包括如下步骤：

1）将待测LC谐振传感器置于所需环境中，当LC谐振传感器未受到外界环境影响的情况下，LC谐振传感器的起始固有谐振频率不变；信号源模块发射一个与LC谐振传感器的起始固有谐振频率相同的固定频率信号给天线测试端，此时天线测试端的输出信号不变；

2）当LC谐振传感器受到外界环境的影响时，LC谐振传感器的电容将发生变化，LC谐振传感器的固有谐振频率也会发生变化，与此同时测试天线端的输出电压就会随着LC谐振传感器的电容变化而变化，峰值检波模块对天线测试端的输出信号进行检测，检测每个输出信号波形的峰值，用来实现波形的峰值捕捉，得出所需的峰值曲线；

3）将峰值检波模块的输出信号通过信号采集模块来进行数据采集，由模拟信号转换为数字信号；

4）将转换的数字信号通过数据储存模块进行数据存储，同时数据储存模块将数字信号传送给中央处理模块进行处理；

5）通过中央处理模块（图2中的MCU）对数字信号进行处理，得出测试天线端的电压和LC谐振传感器的电容之间的关系曲线；

6）根据LC谐振传感器电容的变化与外界测试环境的参数关系，由电容的变化就可以确定这些参数，并通过显示模块显示出这些参数以提供给用户。

Claims (4)

1.一种定频模式下的LC谐振传感器读取系统，其特征在于：包括信号源模块、天线测试端、峰值检波模块、信号采集模块、数据存储模块、中央处理模块以及显示模块；其中，信号源模块的输出端与天线测试端的输入端连接，天线测试端的输出端与峰值检波模块的输入端连接，峰值检波模块的输出端与信号采集模块的输入端连接，信号采集模块的输出端与数据存储模块的输入端连接，数据存储模块的输出端与中央处理模块的输入端连接，中央处理模块的输出端与显示模块的输入端连接，同时中央处理模块的输出端又分别与信号采集模块和数据存储模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的定频模式下的LC谐振传感器读取系统，其特征在于：所述的峰值检波模块由乘法模拟器和低通滤波器组成的，其中的乘法模拟器采用MC1496芯片。

3.根据权利要求1或2所述的定频模式下的LC谐振传感器读取系统，其特征在于：所述的信号采集模块采用美国ADI公司的AD7667芯片，所述的中央处理模块采用FPGA。

4.根据权利要求1或2所述的定频模式下的LC谐振传感器读取系统的读取方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将待测LC谐振传感器置于所需环境中，当LC谐振传感器未受到外界环境影响的情况下，LC谐振传感器的起始固有谐振频率不变；信号源模块发射一个与LC谐振传感器的起始固有谐振频率相同的固定频率信号给天线测试端，此时天线测试端的输出信号不变；

2）当LC谐振传感器受到外界环境的影响时，LC谐振传感器的电容将发生变化，LC谐振传感器的固有谐振频率也会发生变化，与此同时测试天线端的输出电压就会随着LC谐振传感器的电容变化而变化，峰值检波模块对天线测试端的输出信号进行检测，检测每个输出信号波形的峰值，用来实现波形的峰值捕捉，得出所需的峰值曲线；

3）将峰值检波模块的输出信号通过信号采集模块来进行数据采集，由模拟信号转换为数字信号；

4）将转换的数字信号通过数据储存模块进行数据存储，同时数据储存模块将数字信号传送给中央处理模块进行处理；

5）通过中央处理模块对数字信号进行处理，得出测试天线端的电压和LC谐振传感器的电容之间的关系曲线；

6）根据LC谐振传感器电容的变化与外界测试环境的参数关系，由电容的变化就可以确定这些参数，并通过显示模块显示出这些参数以提供给用户。

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