CN105954690A - 能量测试模拟卡磁场强度计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量测试模拟卡磁场强度计量方法，首先连续产生标准电磁场信号，待测能量测试模拟卡在标准电磁场中与标定装置发生电感耦合，最后用测量仪器在它的输出端进行检测，纪录在标准磁场强度下待测能量测试模拟卡的直流电压值。本发明填补国内的空白，为参考PICC标准装置提供测量技术支持。

Description

能量测试模拟卡磁场强度计量方法

技术领域

本发明涉及仪器测试技术领域，更具体地，涉及适用于13.56MHz的能量测试模拟卡的磁场强度的计量方法研究。

背景内容

随着身份证在人们日常社会活动中的广泛应用，居民身份证阅读器的需求量增大。为了保障法定证件的正常使用，公安部发布实施了GA450-2013居民身份证阅读器通用技术要求，中国安全技术防范认证中心对社会发布实施社会公共安全产品认证实施规则(以下简称《认证实施规则》)。

就居民身份证阅读器而言，保证能够与身份证正常通讯的首要指标就是输出的能量值要符合要求，因此对输出的能量值的定量测试及溯源性研究，是产品质量一致性、使用可靠性与稳定性的关键点，是身份证件公共安全管理的重要技术支持。

能量测试模拟卡(参考PICC(Hmax、Hmin))是用于13.56MHz射频识别设备的关键参数，即射频识别设备能量值测试的专用计量标准器，能量测试模拟卡根据使用需求分为两种，一种是用于最大工作场强，即7.5A/m(rms)测量的称为最大场强测试模拟卡(参考PICC(Hmax)，一种是用于最小工作场强即1.5A/m(rms)测试的称为最小场强测试模拟卡(参考PICC(Hmin)，对此在GA450、《认证实施规则》、身份证产品标准中均有详细使用规定。

能量测试模拟卡有两个关键参数：谐振频率与磁场强度。但是到目前为止，在中国无法实现计量和量值溯源，使得能量测试模拟卡无法作为计量器具在相关产品质量控制、评价中使用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在给出一种能量测试模拟卡磁场强度计量方法，根据磁场强度与感应电压的关系输出标准场强信号，利用电磁场在空间对称的特性，通过测量电路标定参考PICC(Hmin，Hmax)。本发明填补国内的空白，为研制参考PICC标准装置提供测量技术支持。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

能量测试模拟卡磁场强度计量方法，包括如下步骤：

S1正弦波信号发生器发出参数一定幅度连续变化的信号并经过功率放大器至标定装置，直至标定装置连续产生标准电磁场信号；定标线圈与标定装置的天线平面一端同轴且平行放置，与定标线圈连接的示波器显示连续变化的波形幅度，标定装置产生的场强大小以示波器幅度显示值为标准值；

S2待测能量测试模拟卡的线圈部分在标准电磁场中与标定装置的天线平面另一端同轴且等距离平行放置，线圈与标定装置的天线发生电感耦合，记录在标准磁场强度下高阻抗直流电压表所显示的待测能量测试模拟卡的直流电压值；

所述定标线圈的测量接触点的大小为1.5×1.5mm²，电感值为200nH，电阻为0.25Ω，定标线圈的测量面积为3000mm²；定标线圈输出端的一端为镀镍铜插座，另一端采用镀镍铜线绕制成￠6mm、高度为5mm的禁锢端，与示波器的输入端连接；

示波器的输入端采用探针，其电容值≤13pF，与定标线圈输出端连接后总体其分布电容≤20pF，输入阻抗为1MΩ。

需要说明的是，所述正弦波信号发生器的频率范围为正弦波10kHz-250MHz，MPE：±5×10^-7，输出功率0～15W，输出阻抗Z＝50Ω；频率为13.56MHz。

需要说明的是，定标线圈的长×宽为72×42mm，导线直径0.5mm，不确定度为U＝2.3um(k＝2)。

需要说明的是，所述标定装置的天线尺寸为170×170mm，天线直径为150mm，装配间距为37.5mm。

本发明的有益效果在于：提供了能量测试模拟卡磁场强度的计量方法，为制作能量测试模拟卡产品、调试提供技术方法；实现能量测试模拟卡在中国量值溯源和传递。为法定证件产品质量控制和管理提供计量保障，为13.56MHz射频识别相关产品的技术进步提供技术服务。

附图说明

图1为本发明的电路示意图；

图2为本发明的原理示意图；

图3为能量测试模拟卡的结构示意图；

图4为能量测试模拟卡的电路示意图；

图5为定标线圈的结构示意图；

图6为能量测试模拟卡磁场强度的量值溯源与传递示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

参考PICC(Hmin，Hmax)由于用途不同分为：用于测量最小场强(1.5A/m)的能量测试模拟卡参考PICC(Hmin)和用于测量最大场强(7.5A/m)的能量测试模拟卡参考PICC(Hmax)。

参考PICC(Hmin，Hmax)的主要技术指标如下：

参考PICC(Hmin)

谐振频率：13.56MHz，最大允许误差不超过±2kHz；

直流电压：3V，最大允许误差不超过±6％；

参考PICC(Hmax)

谐振频率：19MHz，最大允许误差不超过±2kHz；

直流电压：3V，最大允许误差不超过±6％。

参考PICC(Hmin，Hmax)由PICC活动区和PICC功能模拟区组成，如图3所示。

参考PICC(Hmin，Hmax)根据电磁感应定律，采用电感耦合方式与射频读写设备进行能量的传递和工作。其中活动区部分模拟IC卡的天线线圈，功能模拟区模拟IC卡能量电路，将感应信号转换为给微型芯片提供工作需要的直流电压。

如图4所示，参考PICC(Hmin，Hmax)从电路上分包括2个模块，分别是：

(1)谐振电路模块：由(线圈)电感L2和电容C2C3组成的谐振电路。

功能：谐振在特定的频率点，接收高频信号的能量。

工作原理：参考PICC(Hmin，Hmax)线圈回路的分布电容C2和外接调谐振电容C3线圈电感L2并联形成LC振荡回路2，其谐振频率为f，当参考PICC(Hmin，Hmax)线圈置于阅读器的交变磁场中并且谐振频率f与阅读器交变磁场的频率f₀相同时，谐振回路1，2产生谐振。谐振使的阅读器天线线圈产生非常大的电流，使得参考PICC(Hmin，Hmax)线圈L2上的感应电压达到最大值。

(2)电压模块：由两部分组成：

第一部分由四个二极管D1D2D3D4组成的检波电路。

功能：是把高频信号变成直流信号。

第二部分是由后面的C3、R1R2R3组成的滤波输出电路。

功能：主要是平滑滤波前面检波出来的直流信号并按照要求调整为3V输出。

工作原理：将线圈上获得的感应电压经过二极管整流滤波转化为稳定的直流电压。

根据上述能量测试模拟卡的结构特点和工作原理，本发明提供一种能量测试模拟卡磁场强度校准装置。

如图1-2所示，能量测试模拟卡磁场强度校准装置，包括正弦波信号发生器、功率放大器、标定装置、定标线圈、示波器、高阻抗直流电压表，所述正弦波信号发生器、功率放大器、标定装置依次连接组成磁场发生器，定标线圈和示波器组成标准场强值控制部分，标定装置和高阻抗直流电压表组成直流电压测量部分；所述定标线圈的输出端与所述示波器的输入端相连接；所述高阻抗直流电压表连接于待测能量测试模拟卡的输出端，所述能量测试模拟卡的天线线圈安装于所述标定装置的天线一端(A端)的中心位置并与所述标定装置的天线平行且同轴，所述定标线圈安装在所述标定装置的天线另一端(B端)的中心位置并与所述标定装置的天线平行且同轴；所述定标线圈与所述能量测试模拟卡的天线线圈平行且同轴并到标定装置的中心位置距离相等。

所述磁场发生器用于发出13.56MHz，功率0-15W的磁场信号。

标准场强值控制部分中，由定标线圈和示波器组成。主要功能：控制标准场强输出。

直流电压测量部分用于标定能量测试模拟卡直流电压的输出。

采用示波器定量标定场强值，首先要研究确定感应电压与场强的关系，进一步确定标准场强的控制与输出。

由电磁感应定律得到：

U＝dΦ/dt (1)

Φ＝H×S (2)

其中：

H——磁感应强度；

S——测量线圈的面积；

U——感应电压；

Φ——磁通量；

u——磁场导磁系数。

所以：

对上述公式求导，可得到电压与场强之间的关系为：

U＝N×u×H_eff×S×ω (3)

其中：

H＝H_eff×sinωt，ω＝2πf

H_eff——正弦形磁场的有效场强；

ω——磁场的角频率。

由于空气的导磁率为1.2567×10^-6，定标线圈的测量面积为3000mm²，定标线圈的匝数为1，磁场的角频率为13.56MHz，将上述数据带入公式(3)，即可得到定标线圈1A/m场强产生的感应电压为：

U＝(1.2567×10^-6)×3×10^-3×2×3.14×13.56×10⁶×1

＝0.32V

由于0.32V为有效值，反映到示波器上的峰峰值为900mv的波形，因此：最小场强1.5A/m，在示波器上控制电压为1.35V_p-p，

最大场强7.5A/m示波器上的控制电压为6.75V_p-p

为了减少电压值的测量误差，应使测量线圈呈现的阻抗值远小于测量设备的输入阻抗值；线圈的电感及分布电容和测量设备的输入电容造成的谐振频率远高于卡的谐振频率，为此要求测量线圈的电感量，直流电阻值和分布电容值尽量小，只绕1圈。

为了使测量线圈的面积值稳定，不能使用空心线圈，采用优质印制电路板制做出1圈较宽的导线102并通过专用接插件和示波器的探针相连。印制板的尺寸按标准IC卡的大小选用：长86mm，宽54mm，厚0.5mm.印制导线的外长72mm，外宽42mm，倒角半径5mm，线宽0.5mm构成矩形，如图5所示。

所述定标线圈的测量接触点的大小均为1.5×1.5mm²，整体电感值为200nH，电阻为0.25Ω；另外，所述定标线圈的面积为3000mm²；定标线圈在13.56MHz时所呈现阻抗的模数为：

Z＝((2π·13.56·10⁶·0.2·10^-6)²+(0.25)²)^1/2≈17Ω。

需要说明的是，所述定标线圈包括有与所述定标线圈的其中一个输出端连接的镀镍铜插座，以及与定标线圈的另一个输出端连接的禁锢端，所述禁锢端采用镀镍铜线绕制成￠6mm、高度为5mm的连接端。所述镀镍铜插座101和禁锢端103组成所述专用接插件。

示波器的输入端采用探针，其电容值≤13pF，与线圈输出端连接后总体其分布电容≤20pF，输入阻抗在13.56MH_z时所呈现值达数千欧姆，远大于17欧姆。其固有谐振频率为：

f₀＝1/(2·π·(0.2·10^-6·20·10^-12)^1/2)≈80MH_z

这个值大于13.56MH_z的工作频率。

高阻抗电压表用于能量测试模拟卡输出电压的测量，由于测量环境对电磁场有干扰，所述高阻抗直流电压表采用同轴射频电缆线或双绞测试线作为测试线与所述能量测试模拟卡的输出端连接，且测试线线长≤30cm。

以上条件能够保证定标线圈不会由于其参数值的选择不当而影响对其电压值的测量。

图1中，CL为标定装置线圈的等效电容和电感，用于组成LC振荡电路1，将信号源产生的射频信号转变为交变磁场信号输出。L1C1为线圈与示波器的等效电感和电容。L2C2为能量测试模拟卡线圈电感和电容，C3为可调电容，L2C2C3组成振荡电路2。标定装置的作用一是产生振荡电路1、使能量测试模拟卡振荡电路2能够发生电感耦合。作用二是通过电磁场空间对称的原理，标定线圈与示波器组合确定标准磁场值的大小。能量测试模拟卡的C3为可调电容，对能量测试模拟卡的谐振频率进行调整。D1-D4组成检波电路，将交流信号转变为直流信号。C4R1R2R3组成的滤波输出电路，作用是平滑滤波前面检波出来的直流信号并按照要求调整R2使输出为3V。J1为转换开关，在调试与测量中进行转换。

例如采用下列设备组成校准装置进行校准。

所述能量测试模拟卡磁场强度校准装置仪器设备技术要求如表1所示。

表1

通过上述能量测试模拟卡磁场强度校准装置进行能量测试模拟卡磁场强度计量的方法具体主要包括如下步骤：

能量测试模拟卡磁场强度计量方法，包括如下步骤：

S1正弦波信号发生器发出参数一定幅度连续变化的信号并经过功率放大器至标定装置，直至标定装置连续产生标准电磁场信号；定标线圈与标定装置的天线平面一端同轴且平行放置，与定标线圈连接的示波器显示连续变化的波形幅度，标定装置产生的场强大小以示波器幅度显示值为标准值；

S2待测能量测试模拟卡的线圈部分在标准电磁场中与标定装置的天线平面另一端同轴且等距离平行放置，线圈与标定装置的天线发生电感耦合，记录在标准磁场强度下高阻抗直流电压表所显示的待测能量测试模拟卡的直流电压值；

所述定标线圈的测量接触点的大小为1.5×1.5mm²，电感值为200nH，电阻为0.25Ω，定标线圈的测量面积为3000mm²；定标线圈输出端的一端为镀镍铜插座，另一端采用镀镍铜线绕制成￠6mm、高度为5mm的禁锢端，与示波器的输入端连接；

示波器的输入端采用探针，其电容值≤13pF，与定标线圈输出端连接后总体其分布电容≤20pF，输入阻抗为1MΩ。

需要说明的是，所述正弦波信号发生器的频率范围为正弦波10kHz-250MHz，MPE：±5×10^-7，输出功率0～15W，输出阻抗Z＝50Ω；频率为13.56MHz。

需要说明的是，定标线圈的长×宽为72×42mm，导线直径0.5mm，不确定度为U＝2.3um(k＝2)。

需要说明的是，所述标定装置的天线尺寸为170×170mm，天线直径为150mm，装配间距为37.5mm。

验证试验

为了证明磁场强度校准装置性能的有效性，采用参考PICC(Hmin)，参考PICC(Hmax)作为样品，测试数据作为参考。

1、试验方法及数据

(1)实验装置：磁场强度校准装置

(2)样品：参考PICC(Hmin)，参考PICC(Hmax)各1个。编号：

1#：参考PICC(Hmin)

2#：参考PICC(Hmax)

(3)环境条件：

温度：(20±5)℃；

相对湿度：≤80％；

测试装置周围无振动、无电磁场干扰影响；

试验地点：公安部第一研究所神盾计量校准中心418室

(4)依据：JJG(公安)1-2014相应条款

试验数据见表2

表2

表7显示：在同样测量环境下1#、2#样品测量结果均与标称值误差很小，说明采用项目研发的校准/检定装置对国外样品的试验，数据与标称值具有可比性，校准装置具有可行性。

2、磁场强度测量结果的不确定度分析

下面对于能量测试模拟卡输出3V电压校准点作测量结果的不确定度分析。

2.1直流电压测量结果的不确定度分析

2.1.1数学模型

Δv＝v₀-v_x

Δv能量测试模拟卡电压测量误差，v₀为检定装置输出的电压标称值，v_x为能量测试模拟卡转换后的电压测量值。

2.1.2方差和灵敏系数

由Δv＝v₀-v_x得方差为：

$u_c^2\left(\mathrm{\Δ}v\right)=c_1^2\left(v_0\right)u^2\left(v_0\right)+c_2^2\left(v_x\right)u^2\left(v_x\right)$

式中：u(v₀)-检定装置输出电压值的标准不确定度分量；u(v_x)-被检能量测试模拟卡电压测量值的标准不确定度分量。

灵敏系数为：

$c_1\left(v_0\right)=\frac{\∂\mathrm{\Δ}v}{\∂v_0}=1$

$c_2\left(v_x\right)=\frac{\∂\mathrm{\Δ}v}{\∂v_x}=-1$

故：

$u_c^2\left(\mathrm{\Δ}v\right)=u^2\left(v_0\right)+u^2\left(v_x\right)$

2.1.3测量不确定度评定

对能量测试模拟卡在直流电压测量值3V点的测量结果进行测量不确定度评定。

2.1.3.1输入量v_x的标准不确定度u(v_x)的评定

输入量v_x的标准不确定度主要来自被检能量测试模拟卡电压测量值的重复性u(v_x1)和能量测试模拟卡电压测量准确度引入的标准不确定度u(v_x2)。

a)能量测试模拟卡电压测量值的重复性引入的标准不确定度为u(v_x1)

能量测试模拟卡电压测量值的重复性引入的标准不确定度为u(v_x1)，采用A类评定。对被检能量测试模拟卡电压作重复性试验，测量数据如表3所示。读取10次结果，按正态分布评定，计算实验标准差s(v)，u(v_x1)＝s(v)，自由度v₁＝9。

表3

单位：V

$u\left(v_{x1}\right)=s\left(v\right)=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(v_i-\stackrel{\‾}{v})}^2}{n-1}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{10}{\Σ}}{(v_i-\stackrel{\‾}{v})}^2}{9}}=0.00097\left(V\right)$

B)能量测试模拟卡电压测量准确度引入的标准不确定度为u(v_x2)

能量测试模拟卡电压测量准确度引入的标准不确定度为u(v_x2)，采用B类评定。

能量测试模拟卡的电压采用数字电压表测量，其直流电压准确度为±0.6％，且误差为矩形分布，故：

$u\left(v_{x2}\right)=\frac{3\×0.6\%}{\sqrt{3}}=0.011\left(V\right)$

估计自由度v₂→∞

2.1.3.2输入量v₀的标准不确定度u(v₀)的评定

输入量v₀的标准不确定度主要来源于能量测试模拟卡检定装置引入的标准不确定度分量u(v₀)，采用B类方法进行评定。

能量测试模拟卡检定装置输出信号幅度采用示波器监测，其幅度测量准确度为±2％，且误差为矩形分布，故：

$u\left(v_0\right)=\frac{3\×2\%}{\sqrt{3}}==0.035\left(V\right)$

估计自由度v₃→∞

2.1.3.3标准不确定度分量如表4所示

表4

2.1.3.4合成标准不确定度

以上分量相互独立，计算合成标准不确定度u_c：

$u_c^2\left(\mathrm{\Δ}v\right)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{u}_i^2}=\sqrt{u{\left(v_{x1}\right)}^2+u{\left(v_{x2}\right)}^2+u{\left(v_0\right)}^2}=0.036\left(V\right)$

2.1.3.5合成标准不确定度的有效自由度v_eff(Δv)

$v_{eff}\left(\mathrm{\Δ}v\right)=\frac{u_c^4\left(v_x\right)}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{u_i^4\left(v_x\right)}{v_i}}=\frac{{0.036}^4}{\frac{{0.00097}^4}{9}+\frac{{0.011}^4}{\mathrm{\∞}}+\frac{{0.035}^4}{\mathrm{\∞}}}=\mathrm{\∞}$

2.1.3.6扩展不确定度评定

本测量共有三项不确定度分量，其中u(v_x1)服从正态分布，u(v_x2)和u(v₀)均为矩形分布，故可以估计被测量v接近三角分布。

取置信概率p＝0.95，v_eff(f₀)＝10，查t分布表得到：

k₉₅＝t₉₅(v_eff(Δv))＝t₉₅(∞)＝1.9

故U₉₅＝k₉₅×u_c(Δv)＝1.9×0.036≈0.068(V)

2.1.3.7结论

依据检定规程能量测试模拟卡直流电压3V点测量的最大允许误差为±3×6％＝±0.18(V)，从上述分析得到U₉₅＝0.068V，故可以判断能够满足《规程》要求。

参考PICC(Hmin，Hmax)磁场强度的量值溯源与传递可以通过图6表示。

从图6可以看出，本发明的能量测试模拟卡磁场强度校准装置的各项参数能够在国内实现有效溯源，满足能量测试模拟卡按照JJG(公安)1-2014进行校准的需要，是规程能够实施的硬件设备能力支撑。解决了国内外装置不能在国内溯源、能量测试模拟卡不能在国内溯源的难题。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.能量测试模拟卡磁场强度计量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1正弦波信号发生器发出参数一定幅度连续变化的信号并经过功率放大器至标定装置，直至标定装置连续产生标准电磁场信号；定标线圈与标定装置的天线平面一端同轴且平行放置，与定标线圈连接的示波器显示连续变化的波形幅度，标定装置产生的场强大小以示波器幅度显示值为标准值；

S2待测能量测试模拟卡的线圈部分在标准电磁场中与标定装置的天线平面另一端同轴且等距离平行放置，线圈与标定装置的天线发生电感耦合，记录在标准磁场强度下高阻抗直流电压表所显示的待测能量测试模拟卡的直流电压值；

所述定标线圈的测量接触点的大小为1.5×1.5mm²，电感值为200nH，电阻为0.25Ω，定标线圈的测量面积为3000mm²；定标线圈输出端的一端为镀镍铜插座，另一端采用镀镍铜线绕制成￠6mm、高度为5mm的禁锢端，与示波器的输入端连接；

示波器的输入端采用探针，其电容值≤13pF，与定标线圈输出端连接后总体其分布电容≤20pF，输入阻抗为1MΩ。

2.根据权利要求1所述的能量测试模拟卡磁场强度计量方法，其特征在于，所述正弦波信号发生器的频率范围为正弦波10kHz-250MHz，MPE：±5×10，输出功率0～15W，输出阻抗Z＝50Ω；频率为13.56MHz。

3.根据权利要求1所述的能量测试模拟卡磁场强度计量方法，其特征在于，定标线圈的长×宽为72×42mm，导线直径0.5mm，测量不确定度U＝2.3um(k＝2)。

4.根据权利要求1所述的能量测试模拟卡磁场强度计量方法，其特征在于，所述标定装置的天线尺寸为170×170mm，天线直径为150mm，装配间距为37.5mm。