CN108469554A - 一种无源密闭环境指标检测系统和方法 - Google Patents
一种无源密闭环境指标检测系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的无源密闭环境指标检测系统，包括检测传感器和与其通过电磁信号连接的外部检测器；所述外部检测器依据电磁耦合原理建立能量传输通道并将能量传输到所述检测传感器；所述检测传感器放置于密闭的环境内用于实时的检测环境指标的模拟值并转化为相应的电信号值，且将所述电信号值通过所述能量传输通道的电磁波传输到所述外部检测器；本发明解决了检测中检测传感器需要电源以及接触和结构复杂的问题，使用一个检测传感器就可以形成检测端；密闭环境外部使用外部检测器，通过电磁波接收所述检测传感器采集并发送的密闭空间的各种指标；利用电磁信号共振原理作为测量手段，达到快速精确并且无线无源的测量。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术领域，具体涉及一种无源密闭环境指标检测系统和方法。
背景技术
目前的检测技术基本上都是有源的，并且在检测上多以有线为主，无法做到密闭状态环境下的永久的实时检测。
在密封环境内部进行检测，由于传统的检测设备带有电源导致体积太大，安装和操作上不方便，限制了有源检测的使用范围；传统的检测手段很多带有线，操作起来很不方便。
本发明解决了检测中检测端需要电源以及接触和结构复杂等问题，使用一个电感与电容就可以形成检测端。密闭环境外部使用信号接收端就可以对密闭空间的各种指标，例如压力、温度、湿度等进行检测。利用电磁信号共振原理作为测量手段，达到快速精确并且无线无源的测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无源密闭环境指标检测系统和方法，用以解决现有接触型传感器无法密封检测和非接触传感器需要添加电源模块体积较大和定期更换的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为
一种无源密闭环境指标检测系统，其特征在于，包括检测传感器和与其通过电磁信号连接的外部检测器；
所述外部检测器依据电磁耦合原理建立能量传输通道并将能量传输到检测传感器；
所述检测传感器放置于密闭的环境内用于实时的检测环境指标的模拟值并转化为相应的电信号值，且将所述电信号值通过所述能量传输通道的电磁波传输到所述外部检测器。
其中，在所述检测传感器和所述外部检测器的距离固定时，所述能量传输通道的电磁波的频率小于所述检测传感器的固有频率时，随着所述电磁波的频率的上升，所述能量传输通道的能量传输效率和功率上升；
所述能量传输通道的电磁波的频率大于所述检测传感器的固有频率时，随着所述电磁波的频率的上升，所述能量传输通道的能量传输效率和功率下降；
所述电磁波频率等于所述检测传感器的固有频率时，所述能量传输通道的能量传输效率和功率达到最大值。
其中，所述检测传感器包括接收线圈；所述外部检测器包括发射线圈；
所述接收线圈和所述发射线圈均包括电感线圈与谐振电容Cself；
根据所述电感线圈的电感值L和所述谐振电容Cself计算所述接收线圈和所述发射线圈的固有频率的公式：
其中，所述检测传感器(1)包括第一线圈Coi1 4和与其并联的可变电容C6。
其中，所述外部检测器包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、稳压芯片Q1、第二线圈Coi1 1、功率放大器、信号发生芯片和稳压二极管；
所述稳压芯片Q1的管脚1电连接第二电阻R2；
所述电容C5和第二线圈Coi11并联；
所述第一电阻R1、第二电阻R2、电容C2、电容C5和第二线圈Coi11的公共端接24V电源；
所述电容C5和第二线圈Coi11的另一个公共端接功率放大器的管脚3；
所述电容C2的另一端接地；
所述第一电阻R1的另一端电连接所述稳压芯片Q1的管脚2；
所述电容C1和所述稳压二极管并联，所述稳压二极管的正极接地；所述稳压二极管的负极电连接所述第一电阻R1和所述稳压芯片Q1的公共端；
所述功率放大器的管脚1电连接所述信号发生芯片的管脚1；
所述功率放大器的管脚2电连接所述信号发生芯片的管脚5且接地；
所述信号发生芯片的管脚6电连接所述信号发生芯片的管脚4；
所述信号发生芯片的管脚7电连接所述信号发生芯片的管脚3；
所述第五电阻R5电连接于所述信号发生芯片的管脚7和管脚8之间；
所述电容C4的一端接地，其另一端电接到所述信号发生芯片的管脚8和第五电阻R5之间；
所述电容C4、所述信号发生芯片的管脚8和第五电阻R5的公共端电连接所述第三电阻R3；
所述第三电阻R3和所述电容C4的公共端电连接所述稳压芯片Q1的管脚3；
所述第四电阻R4电连接于所述信号发生芯片的管脚1和管脚2之间；
所述信号发生芯片的管脚3电连接于电容C3的一端；
所述电容C3和所述第四电阻R4的公共端电连接第三电阻R3的另一端。
一种无源密闭环境指标检测方法，用于所述无源密闭环境指标检测系统，包括步骤：
设置所述发射线圈的扫频范围；
所述发射线圈开始快速扫频，且实时记录在每个电磁波频率时所述发射线圈的功率；
增加所述能量传输通道的电磁波的频率，所述发射线圈的功率随之改变；
在所述发射线圈扫频结束后通过寻峰算法进行计算，得到fself；
在所述电磁波的频率是fself时，所述发射线圈的功率最大；
在所述接收线圈的电感值L确定的时，根据
计算出Cself；
根据所述Cself计算出环境指标值；
得到计算结果，检测结束。
其中，所述发射线圈的快速扫频过程采用MCU单片机进行控制；
所述发射线圈的功率通过电流检测方式进行检测，包括所述发射线圈的直流稳压电源，检测所述发射线圈的电流，通过电流变化计算所述发射线圈的功率值。
其中，所述Cself和所述环境指标值成正比，根据所述Cself计算所述环境指标值。
本发明具有如下优点：
本发明的无源密闭环境指标检测系统，包括检测传感器和与其通过电磁信号连接的外部检测器；
所述外部检测器依据电磁耦合原理建立能量传输通道并将能量传输到所述检测传感器；
所述检测传感器放置于密闭的环境内用于实时的检测环境指标的模拟值并转化为相应的电信号值，且将所述电信号值通过所述能量传输通道的电磁波传输到所述外部检测器；
本发明解决了检测中需要电源以及接触和结构复杂等问题，使用一个检测传感器就可以形成检测端；
密闭环境外部使用外部检测器，通过电磁波接收所述检测传感器采集并发送的密闭空间的各种指标；利用电磁信号共振原理作为测量手段，达到快速精确并且无线无源的测量；
解决密封环境下的相关指标的定量检测，检测简单方便，设计结构简单，易实现；
密封环境内部不需要电源模块，依靠外环境设备非接触无线读取测量数据。
附图说明
图1是本发明的无源密闭环境指标检测系统的功能模块图。
图2是本发明的外部检测器和检测传感器之间的能量传输效率与电磁波频率关系图。
图3是本发明的检测方法的流程图。
图4是本发明的检测传感器的电路图。
图5是本发明的外部检测器的电路图。
图6是实施例3的膀胱压力检测示意图。
1-检测传感器；2-外部检测器。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例1的无源密闭环境指标检测系统，包括检测传感器1和与其通过电磁信号连接的外部检测器2；
所述外部检测器2依据电磁耦合原理建立能量传输通道并将能量传输到检测传感器1；
所述检测传感器1放置于密闭的环境内用于实时的检测环境指标的模拟值并转化为相应的电信号值，且将所述电信号值通过所述能量传输通道的电磁波传输到所述外部检测器2。
本发明解决了检测中需要电源以及接触和结构复杂等问题，使用一个检测传感器1就可以形成检测端；
密闭环境外部使用所述外部检测器2，通过电磁波接收所述检测传感器1采集并发送的密闭空间的各种指标；利用电磁信号共振原理作为测量手段，达到快速精确并且无线无源的测量；
解决密封环境下的相关指标的定量检测，检测简单方便，设计结构简单，易实现；
密封环境内部不需要电源模块，依靠外环境设备非接触无线读取测量数据。
在所述检测传感器1和所述外部检测器2的距离固定时，所述能量传输通道的电磁波的频率小于所述检测传感器1的固有频率时，随着所述电磁波的频率的上升，所述能量传输通道的能量传输效率和功率上升；
所述能量传输通道的电磁波的频率大于所述检测传感器1的固有频率时，随着所述电磁波的频率的上升，所述能量传输通道的能量传输效率和功率下降；
所述电磁波频率等于所述检测传感器1的固有频率时，所述能量传输通道的能量传输效率和功率达到最大值。
所述检测传感器1包括接收线圈；所述外部检测器2包括发射线圈；
所述接收线圈和所述发射线圈均包括电感线圈与谐振电容Cself；
根据所述电感线圈的电感值L和所述谐振电容Cself计算所述接收线圈和所述发射线圈的固有频率的公式：
每一个LC电路都有一个谐振频率，在这个频率下的电磁波的传输效率是最高的，因此所述外部检测器2的功率在这个频率下会达到最高。所述外部检测器2通过快速扫频的方式进行功率检测，找到所述检测传感器1的谐振频率fself，通过公式在确定已知所述接收线圈的电感值L的情况下，可以推算出谐振电容Cself的值；谐振电容Cself和环境指标值成正比，从而计算出环境指标的检测值。
所述检测传感器1包括第一线圈Coi1 4和与其并联的可变电容C6。
所述外部检测器2包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、稳压芯片Q1、第二线圈Coi1 1、功率放大器、信号发生芯片和稳压二极管；
所述稳压芯片Q1的管脚1电连接第二电阻R2；Q1型号是L7812CV，12V/1.5A三端稳压器；
所述电容C5和第二线圈Coi11并联；
所述第一电阻R1、第二电阻R2、电容C2、电容C5和第二线圈Coi11的公共端接24V电源；
所述电容C5和第二线圈Coi11的另一个公共端接功率放大器的管脚3；
所述电容C2的另一端接地；
所述第一电阻R1的另一端电连接所述稳压芯片Q1的管脚2；
所述电容C1和所述稳压二极管并联，所述稳压二极管的正极接地；所述稳压二极管的负极电连接所述第一电阻R1和所述稳压芯片Q1的公共端；
所述功率放大器的管脚1电连接所述信号发生芯片的管脚1；
所述功率放大器的管脚2电连接所述信号发生芯片的管脚5且接地；
所述信号发生芯片的管脚6电连接所述信号发生芯片的管脚4；
所述信号发生芯片的管脚7电连接所述信号发生芯片的管脚3；
所述第五电阻R5电连接于所述信号发生芯片的管脚7和管脚8之间；
所述电容C4的一端接地，其另一端电接到所述信号发生芯片的管脚8和第五电阻R5之间；
所述电容C4、所述信号发生芯片的管脚8和第五电阻R5的公共端电连接所述第三电阻R3；
所述第三电阻R3和所述电容C4的公共端电连接所述稳压芯片Q1的管脚3；
所述第四电阻R4电连接于所述信号发生芯片的管脚1和管脚2之间；
所述信号发生芯片的管脚3电连接于电容C3的一端；
所述电容C3和所述第四电阻R4的公共端电连接第三电阻R3的另一端。
实施例2
进一步，在实施例1的基础上：
一种无源密闭环境指标检测方法，用于权利要求5所述无源密闭环境指标检测系统，其特征在于，包括步骤：
设置所述发射线圈的扫频范围；
所述发射线圈开始快速扫频，且实时记录在每个电磁波频率时所述发射线圈的功率；
增加所述能量传输通道的电磁波的频率，所述发射线圈的功率随之改变；
在所述发射线圈扫频结束后通过寻峰算法进行计算，得到fself；
在所述电磁波的频率是fself时，所述发射线圈的功率最大；
在所述接收线圈的电感值L确定的时，根据
计算出Cself；
根据所述Cself计算出环境指标值；
得到计算结果，检测结束。
所述发射线圈的快速扫频过程采用MCU单片机进行控制；
所述发射线圈的功率通过电流检测方式进行检测，包括所述发射线圈的直流稳压电源，检测所述发射线圈的电流，通过电流变化计算所述发射线圈的功率值。
所述Cself和所述环境指标值成正比，根据所述Cself计算所述环境指标值。
本实施例的寻峰算法如下：
过程如下：
满足条件：
可认为有峰存在；
然后在θ(fi-m*Δf)至θ(fi+m*Δf)中找最大值θ(fself)，对应的x值即为峰位；
一般用R＝N0/NB≥R0确定峰是否有意义；
算式中
fi：为x轴上的变量自增加，由设备扫频的最低频率到最高频率，找到峰值以后中断，结束此次的寻峰过程输出对应频率点fself。
k：找峰阈值，根据高斯分布，k取值1—1.5常用5点、7点极大值法，m取2，3；
Δf：为设备扫频过程频率增加幅度；
θ(fi)：fi频率下对应的传输效率；
R：为峰谷比；
R0：为设定值；
N0：为净峰幅度与基底之和；
NB：为基底计数。
实施例3
进一步，在实施例2的基础上：
本实施例的医疗患者膀胱内压检测；
例如医疗患者的长期的膀胱内压检测，由于目前临床上广泛使用的尿动力学检查仪只适合于医院对患者进行单次、短时间的检查，而不适合持续、实时地对于患者膀胱压力进行检测，所以有必要研制出一种能实时检测膀胱内压并为患者适时排尿提供信息的装置。
另外，电池供电下，植入式胱压力检测器的使用寿命受到限制。一般在植入式医疗装置中，为获得较长的使用寿命，电池体积较大，几乎占据总体体积的1/2。大体积，对于植入式医疗装置而言是一不利因素。本发明的检测技术就可以很好的解决以上问题。
植入部分的传感器仅仅只由电感电容构成，没有电源部分，体积可以大大减小，并且不存在有源设备植入的风险，植入上也易操作，无需二次手术更换电池等操作。
检测方式上的无线通信方式为电磁波，抗干扰性好，不存在其他的无线方式的通信协议的解析，功耗低；实时检测，检测速度快。
该技术使用范围：所有非密封环境的传感器使用；非全金属的密闭环境的传感器使用；全金属密闭环境对电磁波有屏蔽作用。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种无源密闭环境指标检测系统，其特征在于，包括检测传感器(1)和与其通过电磁信号连接的外部检测器(2)；
所述外部检测器(2)依据电磁耦合原理建立能量传输通道并将能量传输到检测传感器(1)；
所述检测传感器(1)放置于密闭的环境内用于实时的检测环境指标的模拟值并转化为相应的电信号值，且将所述电信号值通过所述能量传输通道的电磁波传输到所述外部检测器(2)。
2.根据权利要求1所述无源密闭环境指标检测系统，其特征在于，
在所述检测传感器(1)和所述外部检测器(2)的距离固定时，所述能量传输通道的电磁波的频率小于所述检测传感器(1)的固有频率时，随着所述电磁波的频率的上升，所述能量传输通道的能量传输效率和功率上升；
所述能量传输通道的电磁波的频率大于所述检测传感器(1)的固有频率时，随着所述电磁波的频率的上升，所述能量传输通道的能量传输效率和功率下降；
所述电磁波频率等于所述检测传感器(1)的固有频率时，所述能量传输通道的能量传输效率和功率达到最大值。
3.根据权利要求2所述无源密闭环境指标检测系统，其特征在于，所述检测传感器(1)包括接收线圈；所述外部检测器(2)包括发射线圈；
所述接收线圈和所述发射线圈均包括电感线圈与谐振电容Cself；
根据所述电感线圈的电感值L和所述谐振电容Cself计算所述接收线圈和所述发射线圈的固有频率的公式：
4.根据权利要求3所述无源密闭环境指标检测系统，其特征在于，所述检测传感器(1)包括第一线圈Coi1 4和与其并联的可变电容C6。
5.根据权利要求4所述无源密闭环境指标检测系统，其特征在于，所述外部检测器(2)包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、稳压芯片Q1、第二线圈Coi1 1、功率放大器、信号发生芯片和稳压二极管；
所述稳压芯片Q1的管脚1电连接第二电阻R2；
所述电容C5和第二线圈Coi11并联；
所述第一电阻R1、第二电阻R2、电容C2、电容C5和第二线圈Coi11的公共端接24V电源；
所述电容C5和第二线圈Coi11的另一个公共端接功率放大器的管脚3；
所述电容C2的另一端接地；
所述第一电阻R1的另一端电连接所述稳压芯片Q1的管脚2；
所述电容C1和所述稳压二极管并联，所述稳压二极管的正极接地；所述稳压二极管的负极电连接所述第一电阻R1和所述稳压芯片Q1的公共端；
所述功率放大器的管脚1电连接所述信号发生芯片的管脚1；
所述功率放大器的管脚2电连接所述信号发生芯片的管脚5且接地；
所述信号发生芯片的管脚6电连接所述信号发生芯片的管脚4；
所述信号发生芯片的管脚7电连接所述信号发生芯片的管脚3；
所述第五电阻R5电连接于所述信号发生芯片的管脚7和管脚8之间；
所述电容C4的一端接地，其另一端电接到所述信号发生芯片的管脚8和第五电阻R5之间；
所述电容C4、所述信号发生芯片的管脚8和第五电阻R5的公共端电连接所述第三电阻R3；
所述第三电阻R3和所述电容C4的公共端电连接所述稳压芯片Q1的管脚3；
所述第四电阻R4电连接于所述信号发生芯片的管脚1和管脚2之间；
所述信号发生芯片的管脚3电连接于电容C3的一端；
所述电容C3和所述第四电阻R4的公共端电连接第三电阻R3的另一端。
6.一种无源密闭环境指标检测方法，用于权利要求5所述无源密闭环境指标检测系统，其特征在于，包括步骤：
设置所述发射线圈的扫频范围；
所述发射线圈开始快速扫频，且实时记录在每个电磁波频率时所述发射线圈的功率；
增加所述能量传输通道的电磁波的频率，所述发射线圈的功率随之改变；
在所述发射线圈扫频结束后通过寻峰算法进行计算，得到fself；
在所述电磁波的频率是fself时，所述发射线圈的功率最大；
在所述接收线圈的电感值L确定的时，根据计算出Cself；
根据所述Cself计算出环境指标值；
得到计算结果，检测结束。
7.根据权利要求6所述无源密闭环境指标检测方法，其特征在于，
所述发射线圈的快速扫频过程采用MCU单片机进行控制；
所述发射线圈的功率通过电流检测方式进行检测，包括所述发射线圈的直流稳压电源，检测所述发射线圈的电流，通过电流变化计算所述发射线圈的功率值。
8.根据权利要求7所述无源密闭环境指标检测方法，其特征在于，所述Cself和所述环境指标值成正比，根据所述Cself计算所述环境指标值。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810231658.1A CN108469554A (zh) | 2018-03-20 | 2018-03-20 | 一种无源密闭环境指标检测系统和方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN201810231658.1A CN108469554A (zh) | 2018-03-20 | 2018-03-20 | 一种无源密闭环境指标检测系统和方法 |
Publications (1)
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|---|---|
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180831 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |