CN107516119A - 一种无线查询的无源谐振传感器标签 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种可无线查询的无源谐振传感器标签，包括天线、射频前端、电源电路、振荡电路、敏感元件、混频电路；所述振荡电路与敏感元件组成振荡器；所述射频前端包括收发隔离器、匹配阻抗、滤波器；所述收发隔离器用于射频查询信号和无线传感信号的收发隔离；所述匹配阻抗用于与天线阻抗匹配；所述电源电路对匹配耦合信号进行整流和存储，当电源电路存储的能量超过阈值时，触发振荡器和混频电路工作；所述敏感元件感应待测参量，并由振荡电路将携带待测参量信息的振荡信号送至混频电路；所述混频电路将滤波处理后的耦合信号与振荡信号进行混频，并将混频后信号送至天线辐射出去。本发明可无线查询，且查询距离远，可测量多种物理参量。

Description

一种无线查询的无源谐振传感器标签
技术领域
本发明属于无源无线传感器技术领域，具体涉及一种可无线查询的无源谐振传感器标签。
背景技术
无源无线传感器特别适合在不方便连线、不能接触、无法更换电源的特定场合下使用。无源无线传感器一般是用电磁波无线查询传感器，激励其产生传感输出信号并通过电磁波无线传回到查询端，查询端通过分析传感输出信号的特征获得传感器参量信息。
目前的无源无线传感器主要采用声表面波传感器实现。声表面波传感器的传感查询信号(即查询端无线发射给声表面波传感器的激励信号)和传感输出信号(即声表面波传感器回传到查询端的信号)在同一个频段，具有相同频率，或者频率相差很近。如果要实现声表面波传感器的无线寻址功能，那么各个声表面波器传感器的参数必须有所区别。例如，对于声表面波谐振器，只能通过谐振频率的差异来实现寻址，各个传感器的谐振频率不同，要求的设计参数就不一样，既增加了传感器件的复杂程度，也会造成传感性能的差异。
声表面波传感器无线传感信号的获取通过如下两个过程实现：1)传感查询：由查询端发射查询电波，激励声表面波传感器工作，声表面波传感器以机械能的形式积累一定的振荡能量；2)传感信号获取：此时查询信号间断，即查询信号为零，声表面波传感器积累的机械振荡信号转为电磁波信号传回查询端。目前现有的无源无线声表面波传感器无线查询距离十分有限，很难大幅度提高，一个重要原因就是，目前声表面波谐振器的Q值最高只有2000左右。同时，声表面波传感器能够测量的物理参量受限于声表面波器件本身的性能，只能测量温度、湿度、微质量等一些为数不多的物理参量。
超高频的射频识别(RFID)系统也采用电磁波传播耦合实现非接触的信息传输。读写器为标签提供射频能量，标签天线接收射频能量并将标签的电子编码信息通过反向散射调试的方式发送给读写器，最大读写距离大于1m，典型可达3～8m。超高频RFID系统的数据通信速率可达600kbit/s以上，一次性可读取上千个标签，目前已经在交通控制、物流管理、资产管理等领域应用。但是，由于超高频RFID标签内部没有物理参量敏感单元，不能用做为传感器使用。
发明内容
本发明的目的在于是提供一种查询距离远、可无线查询，且通用性强，可测量多种参量的无源谐振传感器标签。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种可无线查询的无源谐振传感器标签，包括天线、射频前端、电源电路、振荡电路、敏感元件、混频电路；所述振荡电路与敏感元件组成振荡器；所述天线用于接收上游查询仪器端发射的射频查询信号，并用于辐射无线传感信号供上游查询仪器端接收；所述射频前端包括收发隔离器、匹配阻抗、滤波器；所述收发隔离器用于射频查询信号和无线传感信号的收发隔离；所述匹配阻抗用于与天线阻抗匹配，并将耦合信号送至电源电路和滤波器；所述滤波器对匹配阻抗送来的耦合信号进行滤波处理后送至混频电路；所述电源电路对耦合信号进行整流和存储，当电源电路存储的能量超过阈值时，触发振荡器和混频电路工作；所述敏感元件感应待测参量，并由振荡电路将携带待测参量信息的振荡信号送至混频电路；所述混频电路将滤波处理后的耦合信号与振荡信号进行混频，并将混频后信号送至天线辐射出去。
进一步，工作周期包含查询充电周期T1和传感输出周期T2；所述无源谐振传感器标签在查询充电周期T1接收上游查询仪器端发射的射频查询信号，并在传感输出周期T2发射无线传感信号给上游查询仪器端；查询充电周期T1和传感输出周期T2之间无间隔。
进一步，所述混频电路可以为常规的低功耗混频电路，也可以采用非线性的变电容二极管、非线性的隧道二极管等非线性器件与电感或电容组合构成的无源混频电路。
进一步，所述电源电路包括二极管整流电路、存储电容和电源管理模块；当储能电容两端的电压超过阈值时，电压管理模块输出两路直流电压，一路供振荡电路工作，另一路给混频电路施加偏压。
进一步，所述敏感元件具有电阻、电容或电感的特性，在待测参量变化的时候能够引起电阻、电容、电感的变化，或者引起电阻、电容、电感或RLC电路所形成的阻抗的变化。
进一步，所述敏感元件为石英晶体谐振器、薄膜体声波谐振器(FBAR)等无源谐振器。
进一步，所述振荡电路为门振荡电路、皮尔斯振荡电路或者米勒振荡电路、RLC振荡电路等振荡电路中的一种。
进一步，所述滤波器为声表面波滤波器、FBAR滤波器等无源滤波器。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于；(1)由于本发明将敏感元件作为振荡电器的一部分，振荡器输出的振荡信号携带待测参量信息，振荡信号与射频查询信号混频后的射频信号回传到上游查询器端，使得本发明无源谐振传感器标签的适用范围大大扩展，任何能够与振荡电路组成振荡器的敏感元件都可以适用，从而大大扩展了可测量的物理参量；(2)通过选用高Q值的无源谐振传感器，可以大大提高无源无线传感器的无线查询性能，从而提高传感器的实际传感性能。
附图说明
图1为本发明无源谐振传感器标签结构示意图；
图2为本发明无源谐振传感器标签工作周期示意图；
图3为本发明无源谐振传感器标签一种实施例的原理图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明无源谐振传感器标签的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
结合图1，可无线寻址查询的无源谐振传感器标签包括收发天线、射频前端、电源电路、振荡电路、敏感元件、混频电路。所述振荡电路与敏感元件组成振荡器。如图2所示，无源谐振传感器标签包含两个工作周期：查询充电周期T1和传感输出周期T2，查询充电周期T1在前，传感输出周期T1在后，两个周期之间无间隔。无源谐振传感器标签在查询充电周期T1接收上游查询仪器端发射的射频查询信号，并在传感输出周期T2发射无线传感信号给上游查询仪器端。
所述收发天线用于接收上游查询仪器端发射的射频查询信号，收发天线将接收到的射频查询信号送至射频前端；收发天线还用于将无线传感信号发送出去，供上游查询仪器端接收，所述无线传感信号为携带有待测参量信息的回波信号。
所述射频前端包括收发隔离器、匹配阻抗、滤波器等。收发隔离器用于射频查询信号和无线传感信号的收发隔离；匹配阻抗用于与天线阻抗匹配，实现天线对射频查询信号的能量最大化耦合，并将耦合到的信号送电源电路和滤波器。滤波器对匹配阻抗送来的信号进行滤波处理后发送给混频电路。
在查询充电周期内T1，电源电路对匹配阻抗送来的耦合信号进行整流、存储和管理，当电源电路存储的能量足够时，触发振荡电路和混频电路工作并为其供电，此时无源谐振传感器标签进入传感输出周期T2。
在传感输出周期T2内，混频电路将射频前端内滤波器送来的滤波信号与振荡电路送来的振荡信号进行混频后送入射频前端，经由经收发隔离器送至天线作为无线传感信号发射出去，天线发送出去的无线传感信号由上游查询器端接收和处理后，即可解调出传感器所测量的参量信息。
所述混频电路为各种低功耗的混频电路，可以为常规的低功耗混频电路，也可以采用非线性的变电容二极管、非线性的隧道二极管等非线性器件与电感或电容组合构成，还可以采用三极管器件。混频电路将接收到的滤波后的查询信号与振荡电路产生的振荡信号进行混频。因振荡信号携带了待测参量信息，假设射频查询信号的频率为f1，振荡信号的频率为fr，则混频电路输出的混频信号将包含多种频率成分，例如f1+fr，f1-fr等。
所述电源电路包括二极管整流电路、存储电容和电源管理芯片，将无源谐振传感器标签接收到的上游射频查询信号上游查询信号进行整流和存储，产生直流供电电压，当直流供电电压高于某一阈值时，触发传感器标签内的振荡电路、混频电路等需要耗能的电路工作并为未它们供电。
所述敏感元件可以是各种可放在振荡电路中的敏感元件，其特征是，敏感元件具有电阻R、电容C或电感L的特性。待传感器待测参量变化的时候能够引起导致电阻R、电容C、电感L的变化，或者引起R、L、C或RLC电路所形成阻抗的变化，从而导致振荡电路输出的振荡信号的频率发生的变化。在这种情况下，振荡电路输出的振荡信号的频率(即振荡电路的谐振频率)与传感器待测参量待测参数存在一一对应的关系。例如，敏感元件可以是基于石英谐振器的温度传感器，或者石英晶体微天平等基于石英晶体谐振器构成的各种传感器。敏感元件还可以是磁阻、磁阻抗或电容湿度敏感元件(即敏感元件的电容值随湿度变化)。对应上述敏感元件举例，石英晶体谐振器与振荡电路构成的振荡器的谐振频率主要取决于石英晶体谐振器；将磁阻、磁阻抗元件以及电容变化的元件作为振荡电路的外围元件，那么振荡器的谐振频率与这些元件的数值(例如磁阻元件的电阻值、电容元件的电容值)有关，而这些元件的数值又与待测参量存在一一对应关系。
所述振荡电路可以为各种低功耗的振荡电路，例如门振荡电路、皮尔斯振荡电路、米勒振荡电路、RLC振荡电路等。
实施例
结合图3，本实施例中，振荡电路采用门振荡电路，敏感元件采用石英谐振传感器；由门振荡电路和石英谐振传感器组成振荡器；相应地采用环形器作为收发隔离器，并与匹配电阻Zm、窄带滤波器共同组成射频前端；由整流电路、储能电容C1和电源管理模块组成电源电路；由电感L和非线性可变电容CN组成混频电路。
天线收到上游查询仪器端发射的射频查询信号后经环形器进入匹配电路，如图3所示，匹配阻抗Zm实现与天线阻抗的共轭匹配，从而能够最大化耦合天线的能量到后端负载。匹配阻抗Zm的输出信号经过整流电路后形成直流电压，并为储能电容C1充电。储能电容C1存储的电能送电源管理模块，当储能电容C1两端的电压Vdd达到一个足够大的阈值电压时，电压管理模块激活传感器标签工作，即电压管理模块输出两路直流电压，一路供振荡电路工作，另一路给混频电路施加偏压。
门振荡电路与石英谐振传感器共同构成振荡器，输出携带待测参量信息的振荡信号，振荡信号的频率(即门振荡电路和石英谐振器构成振荡器的谐振频率)主要取决于石英谐振传感器，振荡信号的频率与待测参量存在一一对应关系。振荡器输出的振荡信号输入到由电感L和非线性可变电容CN构成的混频电路。
所述石英谐振传感器可以是石英温度传感器、质量传感器等。
经过匹配阻抗Zm的输出信号除了送入整流电路，还送入窄带滤波器。所述窄带滤波器将信号滤波器后，输入由电感L和非线性可变电容CN构成的混频电路中，混频电路将滤波后的射频查询信号与振荡器输出的振荡信号混频，混频后的信号送环形器，并通过天线对外发射。电源管理模块给混频电路施加的偏置电压使其工作在非线性可变电容CN的非线性度较大的区域，从而实现较高的混频效率。
所述整流电路可以为二极管构成的半波或全波整流电路，还可以是二极管构成的电压倍增电路。
所述门振荡电路还可以用各种低功耗的振荡电路替代，例如皮尔斯振荡电路、米勒振荡电路等。
所述窄带滤波器为无源的声表面波滤波器、FBAR滤波器(薄膜腔声谐振滤波器)等。
所述非线性可变电容CN可以用隧道二极管、非线性变容二极管等具有非线性电容特性的器件替代。

Claims (10)

1.一种可无线查询的无源谐振传感器标签，其特征在于，包括天线、射频前端、电源电路、振荡电路、敏感元件、混频电路；所述振荡电路与敏感元件组成振荡器；
所述天线用于接收上游查询仪器端发射的射频查询信号，并用于辐射无线传感信号供上游查询仪器端接收；
所述射频前端包括收发隔离器、匹配阻抗、滤波器；所述收发隔离器用于射频查询信号和无线传感信号的收发隔离；所述匹配阻抗用于与天线阻抗匹配，并将耦合信号送至电源电路和滤波器；所述滤波器对匹配阻抗送来的耦合信号进行滤波处理后送至混频电路；
所述电源电路对耦合信号进行整流和存储，当电源电路存储的能量超过阈值时，触发振荡器和混频电路工作；
所述敏感元件感应待测参量，并由振荡电路将携带待测参量信息的振荡信号送至混频电路；
所述混频电路将滤波处理后的耦合信号与振荡信号进行混频，并将混频后信号送至天线辐射出去。
2.如权利要求1所述无源谐振传感器标签，其特征在于，工作周期包含查询充电周期T1和传感输出周期T2；所述无源谐振传感器标签在查询充电周期T1接收上游查询仪器端发射的射频查询信号，并在传感输出周期T2发射无线传感信号给上游查询仪器端；查询充电周期T1和传感输出周期T2之间无间隔。
3.如权利要求1所述无源谐振传感器标签，其特征在于，所述混频电路为低功耗混频电路或者无源混频电路。
4.如权利要求1所述无源谐振传感器标签，其特征在于，所述电源电路包括二极管整流电路、存储电容和电源管理模块；当储能电容两端的电压超过阈值时，电压管理模块输出两路直流电压，一路供振荡电路工作，另一路给混频电路施加偏压。
5.如权利要求1所述无源谐振传感器标签，其特征在于，所述敏感元件具有电阻、电容或电感的特性，在待测参量变化的时候能够引起电阻、电容、电感的变化，或者引起电阻、电容、电感或RLC电路所形成的阻抗的变化。
6.如权利要求1所述无源谐振传感器标签，其特征在于，所述敏感元件为无源谐振器。
7.如权利要求6所述无源谐振传感器标签，其特征在于，所述源谐振器为石英晶体谐振器。
8.如权利要求1所述无源谐振传感器标签，其特征在于，所述振荡电路为门振荡电路、皮尔斯振荡电路、米勒振荡电路或者RLC振荡电路中的一种。
9.如权利要求1所述无源谐振传感器标签，其特征在于，所述滤波器为无源滤波器，例如声表面被滤波器。
10.如权利要求9所述无源谐振传感器标签，其特征在于，所述无源滤波器为声表面被滤波器。
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