CN110426064A - 无线无源传感器及无线无源传感方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无线无源传感器及无线无源传感方法,无线无源传感器包括多参数传感器、读取模块、收发转换模块和阻抗谱分析模块。多参数传感器与读取模块耦接,并与读取模块呈PT对称分布,用于分别测量各预设参数的实际测量信号;收发转换模块分别与读取模块和阻抗谱分析模块电连接,用于读取测量的各实际测量信号;收发转换模块,用于接收各实际测量信号,并对各实际测量信号进行时域/频域转换,并将转换后的各实际测量信号发送至阻抗谱分析模块;阻抗谱分析模块,用于根据转换后的各实际测量信号确定多参数传感器的谐振频率和Q值。本发明的无线无源传感器可测量多个预设参数,可增大无线读出距离,提高信号读取速度。

Description

无线无源传感器及无线无源传感方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域,具体涉及一种LC无线无源传感器及无线无源传感方法。
背景技术
无线无源传感器是适应技术发展趋势和市场需求的一种新型传感器,以其体积小、使用方便、可靠性高、使用寿命长、维护简单等特点收到广泛关注。
传统的有源有线传感器具有诸多的局限性,例如在测量恶劣环境(高温、强辐射、强腐蚀等)、植入生物体、测量密封环境等情况下,传统的有源有线传感器很难甚至无法测量。而无线无源传感器内部不需要电源,其体积可以大幅度的减小,并且理论上器件的寿命无限长,因此不存在有源有线传感器的局限性,在特殊应用环境下拥有不可替代的优势。
无线无源传感器按照工作原理可分为三大类:能量收集方式、射频反射调制方式、无源谐振方式。LC无线无源传感器通常由敏感电容柜和平面螺旋电感构成,其工作原理为无源谐振方式,将待测参数转换为谐振频率,并且通过互感耦合的方式非接触测量这个频率,从而实现无线无源的检测。LC传感器目前存在的问题包括,只能测量单一参数;采用电感耦合原理,传感器的读出距离短;采用扫频的读出原理,传感器的读出速度慢。LC无线无源传感器是最具有潜力的谐振式无线无源传感器,有着非常重要的应用前景。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一,提供一种无线无源传感器及无线无源传感方法。
本发明的第一方面提供一种无线无源传感器,包括多参数传感器、读取模块、收发转换模块和阻抗谱分析模块,所述多参数传感器与所述读取模块耦接,并与所述读取模块呈PT对称分布,所述收发转换模块分别与所述读取模块和所述阻抗谱分析模块电连接;其中,
所述多参数传感器,用于分别测量各预设参数的实际测量信号;
所述读取模块,用于读取所述多参数传感器所测量的各所述实际测量信号;
所述收发转换模块,用于接收所述读取模块所读取的各所述实际测量信号,并对各所述实际测量信号进行时域/频域转换,并将转换后的各实际测量信号发送至所述阻抗谱分析模块;
所述阻抗谱分析模块,用于根据转换后的各实际测量信号确定所述多参数传感器的谐振频率和Q值。
可选的,所述多参数传感器包括敏感电感、第一电阻、第一敏感电容和第二敏感电容;其中,
部分所述敏感电感的第一端与所述第一敏感电容的第一端电连接,该部分所述敏感电感的第二端与所述第一敏感电容的第二端电连接;
所述第一电阻的第一端与所述敏感电感的第一端电连接,所述第一电阻的第二端与所述第二敏感电容的第一端电连接;
所述第二敏感电容的第二端与所述敏感电感的第二端电连接。
可选的,所述收发转换模块包括第一输入端和第二输入端,所述读取模块包括第二电阻、电感和电容,其中,
所述第二电阻的第一端与所述第一输入端电连接,所述第二电阻的第二端与所述电感的第一端电连接;
所述电感的第二端与所述电容的第一端电连接,所述电感与所述敏感电感耦接;
所述电容的第二端与所述第二输入端电连接。
可选的,所述收发转换模块包括收发子模块以及与所述收发子模块电连接的时/频域转换子模块;其中,
所述收发子模块,用于接收所述读取模块所读取的各所述实际测量信号;
所述时/频域转换子模块,用于对各所述实际测量信号进行时域/频域转换;
所述收发子模块,还用于将转换后的各实际测量信号发送至所述阻抗谱分析模块。
可选的,所述时/频域转换子模块,用于基于快速傅里叶变换对各所述实际测量信号进行时域/频域转换。
可选的,所述敏感电感的电感值与所述电感的电感值相等。
可选的,所述第一电阻的电阻值与所述第二电阻的电阻值相等;并且,
所述第一电阻为正电阻,所述第二电阻为负电阻;或,
所述第一电阻为负电阻,所述第二电阻为正电阻。
可选的,所述第一敏感电容的电容值与所述第二敏感电容的电容值之和与所述电容的电容值相等。
可选的,所述敏感电感为温度敏感电感;和/或,
所述第一敏感电容为湿度敏感电容或压力敏感电容;
所述第二敏感电容为湿度敏感电容或压力敏感电容。
本发明的第二方面提供一种无线无源传感方法,采用本发明第一方面提供的无线无源传感器,方法具体包括:
S110、所述多参数传感器分别测量各预设参数的实际测量信号;
S120、所述读取模块读取所述多参数传感器所测量的各所述实际测量信号;
S130、所述收发转换模块接收所述读取模块所读取的各所述实际测量信号,并对各所述实际测量信号进行时域/频域转换,并将转换后的各实际测量信号发送至所述阻抗谱分析模块;
S140、所述阻抗谱分析模块根据转换后的各实际测量信号确定所述多参数传感器的谐振频率和Q值。
本发明的第一方面提供一种无线无源传感器,包括多参数传感器、读取模块、收发转换模块和阻抗谱分析模块。所述多参数传感器与所述读取模块耦接,并与所述读取模块呈PT对称分布,用于分别测量各预设参数的实际测量信号;所述收发转换模块分别与所述读取模块和所述阻抗谱分析模块电连接,用于读取所述多参数传感器测量的各所述实际测量信号;所述收发转换模块,用于接收所述读取模块读取的各所述实际测量信号,并对各所述实际测量信号进行时域/频域转换,并将转换后的各实际测量信号发送至所述阻抗谱分析模块;所述阻抗谱分析模块,用于根据转换后的各实际测量信号确定所述多参数传感器的谐振频率和Q值。本发明的无线无源传感器可测量多个预设参数,可增大无线读出距离,提高信号读取速度。本发明的第二方面提供一种无线无源传感方法,所述方法采用所述无线无源传感器,可以实现多预设参数的测量、增大无线读出距离和提高信号读取速度。
附图说明
图1为本发明第一方面提供的的无线无源传感器的结构示意图;
图2为本发明第二方面提供的无线无源传感方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示,一种无线无源传感器100,包括多参数传感器110、读取模块120、收发转换模块130和阻抗谱分析模块140。多参数传感器110与读取模块120耦接,并与读取模块120呈PT对称分布,收发转换模块130分别与读取模块120和阻抗谱分析模块140电连接。其中,多参数传感器110,用于分别测量各预设参数的实际测量信号。读取模块120,用于读取多参数传感器110所测量的各实际测量信号。收发转换模块130,用于接收读取模块120所读取的各实际测量信号,并对各实际测量信号进行时域/频域转换,并将转换后的各实际测量信号发送至阻抗谱分析模块140。阻抗谱分析模块140,用于根据转换后的各实际测量信号确定多参数传感器110的谐振频率和Q值。
需要说明的是,多参数传感器110可以反馈多种参数,例如,温度、湿度和压力。当然,除此以外,本领域技术人员还可以根据实际需要,设定多参数传感器110其他一些反馈参数。相应地,预设参数与多参数传感器110所反馈的多种参数一致。
本实施例的无线无源传感器100可测量多个预设参数,可增大无线读出距离,提高信号读取速度。首先,多参数传感器110可实现同时对多个预设参数的测量,其次,基于PT对称原理设计多参数传感器110和读取模块120的结构,具有增大无线读出距离的优点。
具体地,如图1所示,多参数传感器110包括敏感电感Ls、第一电阻Rs、第一敏感电容C1和第二敏感电容C2。部分敏感电感Ls的第一端与第一敏感电容C1的第一端电连接,该部分敏感电感Ls的第二端与第一敏感电容C1的第二端电连接,也就是说,如图1所示,第一敏感电容C1是并联在敏感电感Ls的两端。并且,第一电阻Rs的第一端与敏感电感Ls的第一端电连接,第一电阻Rs的第二端与第二敏感电容C2的第一端电连接,第二敏感电容C2的第二端与敏感电感Ls的第二端电连接,也就是说,如图1所示,敏感电感Ls和第一电阻Rs以及第二敏感电容C2构成串联结构。本实施例的多参数传感器110构建为一个带Q值变化的双谐振频率的LC谐振电路,以实现对三个预设参数的测量。
如图1所示,读取模块120包括第二电阻Rr、电感Lr和电容Cr,其中,第二电阻Rr和电感Lr及电容Cr串联。具体的,第二电阻Rr的第一端与第一输入端电连接,第二电阻Rr的第二端与电感Lr的第一端电连接;电感Lr的第二端与电容Cr的第一端电连接,电感Lr与敏感电感Ls耦接;电容Cr的第二端与第二输入端电连接。
本实施例的无线无源传感器100,基于麦克斯韦电磁理论,建立传感器线圈和读出线圈的耦合模型,并建立敏感电感、敏感电容的电路模型。将以上模型代入双谐振LC电路的集总模型,可求出谐振频率和Q值与敏感参数之间的解析关系。利用该解析关系,可以从读出的频谱解耦出三个敏感参数。
在实际应用过程中,首先利用多参数传感器110的Q值和两个谐振频率与三个敏感参数之间的解析关系,和测得的阻抗谱,对本发明的无线无源传感器100进行标定,得到标定后的解耦公式。之后,在测量时,利用测得的阻抗谱读出Q值和两个谐振频率,带入标定后的解耦公式,即可得到待测转动结构的三种状态参量。本实施例的无线无源传感器100,仅采用一个电感线圈,可实现同时对三个敏感参数的测量。
具体的,如图1所示,敏感电感Ls的电感值与电感Lr的电感值相等。第一电阻Rs的电阻值与第二电阻Rr的电阻值相等,并且符号相反,即:第一电阻Rs为正电阻,第二电阻Rr为负电阻;或者第一电阻Rs为负电阻,第二电阻Rr为正电阻。第一敏感电容C1的电容值与第二敏感电容C2的电容值之和与电容Cr的电容值相等。即电感电阻电容形成RLC/-RLC对称形式。本发明的无线无源传感器100,将多参数LC传感结构和LC读出结构设计成PT对称形式,可以使得多参数传感器110中的敏感电感Ls和读取模块120中的电感Lr之间的能量传输效率达到最大,从而提高无线无源传感器100的无线读出距离。
如图1所示,收发转换模块130包括收发子模块131以及与收发子模块电连接的时/频域转换子模块132;其中,收发子模块131,用于接收读取模块120所读取的各实际测量信号;时/频域转换子模块132,用于对各实际测量信号进行时域/频域转换;收发子模块131,还用于将转换后的各实际测量信号发送至阻抗谱分析模块140。
具体的,本实施例的无线无源传感器100,时/频域转换子模块132,用于基于快速傅里叶变换对各实际测量信号进行时域/频域转换,可以快速的得到带Q值变化的双谐振频率的频谱,从而提高传感器的读出速度。
本实施例的无线无源传感器100,敏感电感Ls为温度敏感电感,以对应的测量温度参数。第一敏感电容C1和第二敏感电容C2均可以为湿度敏感电容或压力敏感电容,以对应的测量湿度参数和压力参数,也可以是其它敏感型电容,具体根据实际应用需要,并结合敏感电容的现有产品类型而定。
如图1和图2所示,本实施例的第二方面提供一种无线无源传感方法S100,该方法可以采用本实施例第一方面提供的无线无源传感器100,该无线无源传感器100的结构具体可以参考前文相关记载,在此不作赘述。无线无源传感方法S100具体包括:
步骤S110、多参数传感器110分别测量各预设参数的实际测量信号;
步骤S120、读取模块120读取多参数传感器110所测量的各实际测量信号;
步骤S130、收发转换模块130接收读取模块所读取的各实际测量信号,并对各实际测量信号进行时域/频域转换,并将转换后的各实际测量信号发送至阻抗谱分析模块140;
步骤S140、阻抗谱分析模块140根据转换后的各实际测量信号确定多参数传感器的谐振频率和Q值。
本实施例的第二方面提供的无线无源传感方法S100,可以仅采用一个电感线圈,实现同时对多个敏感参数的测量;该方法采用PT对称原理,可以增大无线无源传感器100的无线读出距离;此外,该方法的时域/频域变换调制采用快速傅里叶变换方法,具有提高信号读取速度的优点。
可以理解的是,以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式,然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本发明的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无线无源传感器,其特征在于,包括多参数传感器、读取模块、收发转换模块和阻抗谱分析模块,所述多参数传感器与所述读取模块耦接,并与所述读取模块呈PT对称分布,所述收发转换模块分别与所述读取模块和所述阻抗谱分析模块电连接;其中,
所述多参数传感器,用于分别测量各预设参数的实际测量信号;
所述读取模块,用于读取所述多参数传感器所测量的各所述实际测量信号;
所述收发转换模块,用于接收所述读取模块所读取的各所述实际测量信号,并对各所述实际测量信号进行时域/频域转换,并将转换后的各实际测量信号发送至所述阻抗谱分析模块;
所述阻抗谱分析模块,用于根据转换后的各实际测量信号确定所述多参数传感器的谐振频率和Q值。
2.根据权利要求1所述的无线无源传感器,其特征在于,所述多参数传感器包括敏感电感、第一电阻、第一敏感电容和第二敏感电容;其中,
部分所述敏感电感的第一端与所述第一敏感电容的第一端电连接,该部分所述敏感电感的第二端与所述第一敏感电容的第二端电连接;
所述第一电阻的第一端与所述敏感电感的第一端电连接,所述第一电阻的第二端与所述第二敏感电容的第一端电连接;
所述第二敏感电容的第二端与所述敏感电感的第二端电连接。
3.根据权利要求2所述的无线无源传感器,其特征在于,所述收发转换模块包括第一输入端和第二输入端,所述读取模块包括第二电阻、电感和电容,其中,
所述第二电阻的第一端与所述第一输入端电连接,所述第二电阻的第二端与所述电感的第一端电连接;
所述电感的第二端与所述电容的第一端电连接,所述电感与所述敏感电感耦接;
所述电容的第二端与所述第二输入端电连接。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的无线无源传感器,其特征在于,所述收发转换模块包括收发子模块以及与所述收发子模块电连接的时/频域转换子模块;其中,
所述收发子模块,用于接收所述读取模块所读取的各所述实际测量信号;
所述时/频域转换子模块,用于对各所述实际测量信号进行时域/频域转换;
所述收发子模块,还用于将转换后的各实际测量信号发送至所述阻抗谱分析模块。
5.根据权利要求4所述的无线无源传感器,其特征在于,所述时/频域转换子模块,用于基于快速傅里叶变换对各所述实际测量信号进行时域/频域转换。
6.根据权利要求3所述的无线无源传感器,其特征在于,所述敏感电感的电感值与所述电感的电感值相等。
7.根据权利要求3所述的无线无源传感器,其特征在于,所述第一电阻的电阻值与所述第二电阻的电阻值相等;并且,
所述第一电阻为正电阻,所述第二电阻为负电阻;或,
所述第一电阻为负电阻,所述第二电阻为正电阻。
8.根据权利要求3所述的无线无源传感器,其特征在于,所述第一敏感电容的电容值与所述第二敏感电容的电容值之和与所述电容的电容值相等。
9.根据权利要求2或3所述的无线无源传感器,其特征在于,所述敏感电感为温度敏感电感;和/或,
所述第一敏感电容为湿度敏感电容或压力敏感电容;
所述第二敏感电容为湿度敏感电容或压力敏感电容。
10.一种无线无源传感方法,其特征在于,采用权利要求1至9中任意一项所述的无线无源传感器,方法具体包括:
S110、所述多参数传感器分别测量各预设参数的实际测量信号;
S120、所述读取模块读取所述多参数传感器所测量的各所述实际测量信号;
S130、所述收发转换模块接收所述读取模块所读取的各所述实际测量信号,并对各所述实际测量信号进行时域/频域转换,并将转换后的各实际测量信号发送至所述阻抗谱分析模块;
S140、所述阻抗谱分析模块根据转换后的各实际测量信号确定所述多参数传感器的谐振频率和Q值。
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