CN103456156A - 一种工作频率可调的长距离无源无线传感器遥测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种工作频率可调的长距离无源无线传感器遥测系统，包括无源无线传感器、谐振频率可调的传输线圈组和主电路；无源无线传感器与主电路分别与传输线圈组通过耦合电感连接；主电路用于通过传输线圈组发送激励信号至所述无源无线传感器，并根据无源无线传感器反馈的调幅信号解析出被测量的变化。本发明利用调幅信号在电感上贮存能量的变化来进行信号传输，采用谐振电感强磁耦合的原理实现了无源无线信号的长距离、高效率的传输，且不易受环境干扰。传输线圈组的谐振频率可调，可与不同传输信号的频率保持一致，实现了可调工作频率信号的传输，也可用来选择相同频率的信号进行高效传输，实现系统的信号选择传输功能。

Description

一种工作频率可调的长距离无源无线传感器遥测系统

技术领域

本发明涉及一种传感器遥测系统，特别涉及一种长距离无源无线传感器遥测系统。

背景技术

无源无线传感器不需要物理连接的信号传输系统，也无需电源供应，在复杂工业环境监测中的应用前景非常广泛，对促进我国物联网的发展有巨大作用。随着技术发展，无源无线传感器产生频率可调的信号，也同时能够测定多种参数，产生多个频率各不相同的信号，给信号的无线传输提出了极大的挑战。无线遥测目前有以下方式：一种是射频信号通过天线收发，其利用电磁波在空间中的收发来传输信号，其传输距离较长，但全方向的天线辐射效率较低，而单方向的辐射需要不间断的传输视线和复杂的追踪设备；此外，在无源应用中，由于其必须携带电源，发展受到限制。另一种是电感近场耦合，这种方法通常利用LC并联谐振回路：在应变作用下，平面电感或电容的大小如果发生变化，谐振回路的谐振频率也将改变，因此，通过检测回路的谐振频率的变化就可以获得应变的大小。相比第一种方法，其不需要电源，但是由于尺寸限制，电感线圈尺寸很小，其有效耦合的距离非常短。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提供一种长距离无源无线传感器遥测系统，提高无源无线传感器信号的传输距离。

技术方案：一种工作频率可调的长距离无源无线传感器遥测系统，包括无源无线传感器、谐振频率可调的传输线圈组和主电路；所述传输线圈组包括至少两个电感线圈，所述每个电感线圈回路均串联连接可变电容，所述每个电感线圈之间通过谐振式强磁耦合；所述无源无线传感器与主电路分别与所述传输线圈组通过耦合电感连接；

所述主电路用于通过传输线圈组发送激励信号至所述无源无线传感器，并根据所述无源无线传感器反馈的调幅信号解析出被测量的变化；

所述无源无线传感器用于根据传感器检测值的变化，反馈调幅信号至所述主电路；

所述主电路的激励信号频率、无源无线传感器反馈的调幅信号频率和传输线圈组的每个电感、电容串联回路的谐振频率相同。

作为本发明的优选方案，所述无源无线传感器包括无源传感电路和第一耦合电感；所述无源传感电路包括传感器及其接口电路、能量管理电路和调制电路；所述第一耦合电感、能量管理电路、传感器及其接口电路以及调制电路依次连接构成串联回路；

所述传输线圈组包括通过谐振式强磁耦合的第一电感线圈、第二电感线圈；所述第一电感线圈回路串联连接第一可变电容，所述第二电感线圈回路串联连接第二可变电容；

所述主电路包括第二耦合电感和信号处理电路；所述信号处理电路包括分别与所述第二耦合电感连接的载波产生电路和信号调制电路；

所述第一电感线圈与第一耦合电感耦合连接，所述第二电感线圈与第二耦合电感耦合连接。

作为本发明的优选方案的改进，所述第一电感线圈和第二电感线圈之间还包括若干个串联可变电容的电感线圈，每个电感线圈通过谐振式强磁耦合。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1.本发明额外增加了传输线圈组，利用了传输线圈组谐振时电感的强磁耦合进行高效率的信号传输，相比普通的无源无线传感器信号传输的距离有了极大的提高。

2.本发明传输线圈组的谐振频率可调，可与不同信号的频率保持一致，实现了可调工作频率信号的传输。

3.本发明传输线圈组的谐振频率可调，可用来选择相同频率的信号进行高效传输，实现系统的信号选择传输功能。

4.传输线圈组中若干个相同的电感线圈平行并列放置，能较大的延长了信号传输距离。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明实施例1的结构示意图；

图3是本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

实施例1：如图1所示，一种工作频率可调的长距离无源无线传感器遥测系统，包括无源无线传感器1、谐振频率可调的传输线圈组2和主电路3；传输线圈组2包括两个电感线圈，每个电感线圈回路均串联连接可变电容，每个电感线圈之间通过谐振式强磁耦合；无源无线传感器1与主电路3分别与传输线圈组2通过耦合电感连接。

主电路通3过传输线圈组2发送激励信号至无源无线传感器1，并根据无源无线传感器1反馈的调幅信号解析出被测量的变化；无源无线传感器1根据传感器检测值的变化，反馈调幅信号至主电路3；在传输检测信号时，主电路3的激励信号频率、无源无线传感器1反馈的调幅信号频率和传输线圈组2的每个电感、电容串联回路的谐振频率均相同。

如图2所述，无源无线传感器1包括无源传感电路11和第一耦合电感12；无源传感电路11包括传感器及其接口电路111、整流电路112和调制电路113；第一耦合电感12、整流电路112、传感器及其接口电路111以及调制电路113依次连接构成串联回路。

传输线圈组包括通过谐振式强磁耦合的第一电感线圈211、第二电感线圈221；第一电感线圈211回路串联连接第一可变电容212，第二电感线圈221回路串联连接第二可变电容222；

主电路3包括第二耦合电感31和信号处理电路32；信号处理电路32包括分别与第二耦合电感31连接的载波产生电路321和信号调制电路322。

第一电感线圈211与第一耦合电感12耦合连接，第二电感线圈221与第二耦合电感31耦合连接。每个电感线圈通过谐振式强磁耦合，每个电感、电容串联回路的谐振频率均相同。传输线圈组2的电感线圈与第一耦合电感线圈以及第二耦合电感线圈平行并列设置。

实施例2：与实施例1的区别仅在于，第一电感线圈211和第二电感线圈221之间还包括若干个串联可变电容的电感线圈，每个电感线圈之间均为谐振式强磁耦合，每个电感、电容串联回路的谐振频率均相同。

工作原理：无源无线传感器1接收由主电路3中载波产生电路321发出的载波信号，由能量管理电路112进行整流与能量储存，为无缘无线传感器提供能量。当传感器及其接口电路111检测被测物理量发生变化时，传感器及其接口电路111的阻抗也跟着变化，调制电路113利用变化的阻抗调制第一耦合电感12上的能量幅度。能量幅度的调幅信号变化通过传输线圈组2耦合到主电路3的第二耦合电感31上，最后由信号调制电路322对耦合电感31上能量变化进行分析。由于传输线圈组2所有的电感、电容串联回路的谐振频率与主电路3的激励信号、无源无线传感器1的调幅信号的频率相同，当传输线圈组2处于谐振状态，强磁耦合时信号传输的效率比一般状态下高出数倍，因而增加传输线圈数量后系统的信号传输效率得到提高，在相同效率的情况下传输距离增大。当传输信号的频率发生变化时，调节传输线圈组2中的可变电容使得传输线圈组2的谐振频率与信号频率保持一致，实现频率可调信号的高效率、长距离传输。其中，传感器及其接口电路111中可集成多种传感器，如温度传感器、湿度传感器、压力传感器等传感器。若无源无线传感器1因同时监测多个物理量的变化而产生多个频率不同的信号时，可根据需求改变传输线圈组2的谐振频率来传输与之频率相同的信号。

工作过程：载波产生电路321发出频率一定的激励信号，经由传输线圈组2耦合到能量管理电路112中进行整流与能量储存，为无源传感器11提供能量。当无源无线传感器11所测物理量发生变化时，传感器的感应电容发生变化，由传感器及其接口电路111完成C/f转换。与此同时，传感器及其接口电路111的阻抗发生相应的变化，调制电路113利用阻抗变化来调制第一耦合电感12上的信号幅值。幅值变化耦合到传输线圈组2中，信号在传输线圈2中进行谐振强磁耦合，最后到达主电路3的耦合电感31，信号调制电路322对耦合电感31上的幅值变化进行分析，进而判断出所测物理量的变化。当传输信号频率发生变化时，调节传输线圈组2中的可变电容使得传输线圈组2的谐振频率与信号频率保持一致，实现信号频率可调的高效率、长距离传输。若无源无线传感器1因同时监测多个物理量的变化而产生多个频率不同的信号时，可根据需求改变传输线圈组2的谐振频率来传输与之频率相同的信号。

使用方法：首先使用标准设备对无源无线传感器进行标定，建立耦合电感上幅值变化与所测物理量之间的对应关系。系统工作时，调节传输线圈组的谐振频率，与传输信号频率保持一致或用来选择相同频率的信号传输。对主电路中的耦合电感上幅值的变化进行监测，与标定值进行对比，即可得到待测物理量的变化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种工作频率可调的长距离无源无线传感器遥测系统，其特征在于：包括无源无线传感器(1)、谐振频率可调的传输线圈组(2)和主电路(3)；所述传输线圈组(2)包括至少两个电感线圈，所述每个电感线圈回路均串联连接可变电容，所述每个电感线圈之间通过谐振式强磁耦合；所述无源无线传感器(1)与主电路(3)分别与所述传输线圈组(2)通过耦合电感连接；

所述主电路(3)用于通过传输线圈组(2)发送激励信号至所述无源无线传感器(1)，并根据所述无源无线传感器(1)反馈的调幅信号解析出被测量的变化；

所述无源无线传感器(1)用于根据传感器检测值的变化，反馈调幅信号至所述主电路(3)；

所述主电路(3)的激励信号频率、无源无线传感器(1)反馈的调幅信号频率和传输线圈组(2)中每个电感、电容串联回路的谐振频率相同。

2.根据权利要求1所述的一种工作频率可调的长距离无源无线传感器遥测系统，其特征在于：所述无源无线传感器(1)包括无源传感电路(11)和第一耦合电感(12)；所述无源传感电路(11)包括传感器及其接口电路(111)、能量管理电路(112)和调制电路(113)；所述第一耦合电感(12)、能量管理电路(112)、传感器及其接口电路(111)以及调制电路(113)依次连接构成串联回路；

所述传输线圈组包括通过谐振式强磁耦合的第一电感线圈(211)、第二电感线圈(221)；所述第一电感线圈(211)回路串联连接第一可变电容(212)，所述第二电感线圈(221)回路串联连接第二可变电容(222)；

所述主电路包括第二耦合电感(31)和信号处理电路(32)；所述信号处理电路(32)包括分别与所述第二耦合电感(31)连接的载波产生电路(321)和信号调制电路(322)；

所述第一电感线圈(211)与第一耦合电感(12)耦合连接，所述第二电感线圈(221)与第二耦合电感(31)耦合连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种工作频率可调的长距离无源无线传感器遥测系统，其特征在于：所述第一电感线圈(211)和第二电感线圈(221)之间还包括若干个串联可变电容的电感线圈，每个电感线圈通过谐振式强磁耦合。

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