CN111028496B - 一种工作频率自动匹配的远距离lc无源无线传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工作频率自动匹配的远距离LC无源无线传感系统，属于测量、测试的技术领域。该系统包括LC无源无线传感器以及与其通过耦合电感无线连接的读出电路，调节读出电路中可变电容的电容值使得读出电路时刻与LC无源无线传感器电路的谐振频率保持相等，从而使系统时刻处于共振状态，能避免发生频率分裂，实现了全频信号的远距离、高效传输，且全过程无需手动操作即可实现工作频率的自动匹配。

Description

一种工作频率自动匹配的远距离LC无源无线传感系统

技术领域

本发明涉及无线无源传感系统技术，特别涉及一种工作频率自动匹配的远距离LC无源无线传感系统，属于测量、测试的技术领域。

背景技术

无需电源、无需要物理有线连接的LC无源无线传感器信号传输系统已经在复杂工业环境中被广泛用于物理、化学、生物等参数的监测，促进了我国物联网的发展，但是，其自身的小尺寸特性造成采用传统方法的读出距离非常有限。现有技术中，无线传感有三种方式：一种是辐射式，传输距离较长，但全方向的天线传输效率特别低，而单方向的辐射需要不间断的视线和复杂的跟踪装置；另一种是电磁感应式，传输距离极小；最后一种是磁耦合谐振式，有效适用于中场传输，无论周围空间几何形状如何，对环境内物体产生的干扰和损耗都很小。因此，磁耦合谐振式应用最广泛，为了增强无源无线传感器信号传输距离，研究者们提出在传感器和读出电路中间增加频率可调式中继线圈以及利用PT对称电路结构使得每个电感线圈之间通过谐振式强磁耦合。但增加中继线圈法，需要精确计算出强磁耦合的临界值以避免出现频率分裂，同时，中继线圈使得整个传感系统结构变得复杂。此外，PT对称电路对电路参数设计要求极高，考虑到实际电路的寄生效应，非常难以实现精准对称，同时调节过程需手动操作。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种工作频率自动匹配的远距离LC无源无线传感系统，通过在电感磁共振弱耦合的系统中增加可调电容模块实现读出电路与LC无源无线传感器电路的谐振频率自动匹配，进而实现无源无线信号远距离、高效率地传输，克服了增加中继线圈的谐振式强磁耦合传感系统需要计算磁耦合临界值以频率分裂且结构复杂的缺陷，解决了PT对称电路难以实现精确对称且需手动操作调节谐振频率的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种工作频率自动匹配的远距离LC无源无线传感系统，包括：读出电路和LC无源无线传感器电路。读出电路与LC无源无线传感器电路通过电感磁共振弱耦合无线连接。读出电路发送激励信号至LC无源无线传感器电路，LC无源无线传感器电路根据待测物理量的变化产生调制信号，调制信号通过电感磁共振弱耦合方式传输到读出电路，进而由读出电路的矢量网络分析仪解析出待测物理量的变化。

读出电路包括：第一电感线圈、可调电容和矢量网络分析模块，第一电感线圈的一端连接可调电容模块的一端，可调电容模块的另一端连接矢量网络分析模块的一端，矢量网络分析模块的另一端连接第一电感线圈的另一端；其中，矢量网络分析模块包括交流信号源和源内阻。

LC无源无线传感器电路包括第二电感线圈、负载或电路寄生电阻、敏感电容；第二电感线圈的一端连接负载或电路寄生电阻的一端，负载或电路寄生电阻的另一端连接敏感电容的一极，敏感电容的另一极连接第二电感线圈的另一端。

为避免读出电路与LC无源无线传感器电路发生频率分裂，影响无源无线信号的远距离传输，本发明提出对读出电路和LC无源无线传感器电路进行优化设计，分为如下方案：

在读出电路中可调电容两极上加载三角波信号信号，使得可调电容的电容值大小随加载信号源电压的变化循环变化，可调电容的自动调节使得读出电路固有频率与LC无源无线传感器电路的谐振频率相同，整个LC无源无线传感系统处于共振状态。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）本申请公开的LC无源无线传感系统通过电感磁共振弱耦合方式实现信号的远距离传输，通过读出电路电容值的自动调节实现读出电路与LC无源无线传感器电路的频率自动匹配，避免了频率分裂，实现了全频信号的高效传输，相比PT对称方案，具有电路结构设计对电感电容要求更灵活以及无需手动操作即可实现频率匹配的优点。

（2）本申请公开的LC无源无线传感系统是电感磁共振弱耦合的传感系统，相比增加中级线圈结构的强磁耦合传感系统，无需设置中继线圈，简化了系统结构，省去了计算强磁耦合临界值以避免频率分裂的复杂计算，有利于工程化应用。

附图说明

图1是本发明提出的一种工作频率自动匹配的远距离LC无源无线传感系统的结构框图。

图2是本发明提出的一种工作频率自动匹配的远距离LC无源无线传感系统的简化等效电路图。

图3是本发明提出的一种工作频率自动匹配的远距离LC无源无线传感系统的等效电路图。

图4是采用本发明提出的一种工作频率自动匹配远距离LC无源无线传感系统的测量湿度的测试结果图。

图中标号说明：1、读出电路，2、LC无源无线传感器电路，11、第一电感线圈，12、可调电容模块，121、变容二极管，122、三角波信号源，123、阻交电阻，13、矢量网络分析模块，131、交流信号源，132、源内阻，21、第二电感线圈，22、敏感电容，23、负载或电路寄生电阻。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明公开的一种工作频率自动匹配的远距离LC无源无线传感系统的结构框图如图1所示，远距离LC无源无线传感系统包括：读出电路1和LC无源无线传感器电路2，读出电路1与LC无源无线传感器电路2通过电感磁共振弱耦合无线连接。

本发明公开的一种工作频率自动匹配的远距离LC无源无线传感系统的简化等效电路如图2所示，读出电路1包括：第一电感线圈11、可调电容模块12和矢量网络分析模块13。第一电感线圈11的一端连接可调电容模块12的一端，可调电容模块12的另一端连接矢量网络分析模块13的一端，矢量网络分析模块13的另一端连接第一电感线圈11的另一端。矢量网络分析模块13由交流信号源131和源内阻132。可变电容模块12如图3所示，包括变容二极管121、三角波信号源122、阻交电阻123，三角波信号源122一端接变容二极管121的正极，三角波信号源122的另一端经阻交电阻123后接变容二极管121的负极，实验中用来控制变容二极管的信号为三角波信号，由信号发生器（Agilent 33220A）产生，信号占空比为50%，幅度Vpp=10 V，频率为10 Hz。然后，此信号经过高速双极性功率放大器的放大，使得输出的电压信号能够控制变容二极管在一个较宽的范围内变化。此外，还需要在变容二极管上加载正向偏压。

根据图3所示，LC无源无线传感器电路2包括：第二电感线圈21、敏感电容22、负载或电路寄生电阻23，第二电感线圈21的一端连接敏感电容22的一极，敏感电容22的另一极连接负载或电路寄生电阻23的一端，负载或电路寄生电阻23的另一端连接第二电感线圈21的另一端。

矢量网络分析模块13以载波信号的形式发出激励信号，由第一电感线圈11通过电感磁共振弱耦合传输激励信号给第二电感线圈21，此时，载波信号带来的能量在第二电感线圈21与敏感电容22之间来回震荡，同时，负载或电路寄生电阻23产生能量损耗。当受环境影响的敏感电容22的电容值发生变化，敏感电容22的这一特性使得LC无源无线传感器电路2的阻抗Z发生变化。因此，可以利用变化的阻抗Z来调制LC无源无线传感器电路2中载波信号的能量幅度，因能量幅度变化而形成的调幅信号再由第二电感线圈21通过电感磁共振弱耦合到第一电感线圈11，由矢量网络分析模块13根据调幅信号进行能量幅度变化的分析。

在信号稳定的环境下，敏感电容22的电容值是固定不变的，因此LC无源无线传感器电路2的谐振频率也恒定不变。此时，读出电路1中的可调电容模块12自动调节，可以引起读出电路1谐振频率的变化。当读出电路1与LC无源无线传感器电路2的频率相等时，矢量网络分析模块13测得的反射系数信号最强，即可得到待测物理量的变化。

下面以一个LC型湿度传感器开展试验以验证本申请公开的LC无源无线传感系统的性能。湿度传感器的谐振频率随着环境湿度的变化而发生变化，值得注意的是，由于传感器探测的参数是湿度，而湿度的变化是一个渐进的缓慢过程，因此，在自适应增强的过程中，读出电路的频率变化不需要很快，只要能够连续地与传感器电路实现匹配就行。因此，实验中将读出电路的变化频率设置在10 Hz是合理的。整个读出电路在测量的过程中放置在温湿度箱内，通过杜邦线与外界的信号发生器及功率放大器相连控制变容二极管两端电压来改变其电容值的大小。采用本发明提出的读出电路，在读出距离D=2cm处测试得到了5个不同湿度点下的一系列响应曲线S11，如图4所示。图4中，fs为待测的湿度传感器的谐振频率，fr为读出电路的谐振频率， fr自动循环扫描，测得不同湿度点下一系列S11曲线。当fr=fs时，即传感系统发生共振，此时矢量网络分析模块13测得的S11信号最强，因此信号最强曲线对应的频率即为当前检测的LC型湿度传感器的谐振频率。读出距离D=2cm，对于传统读出电路而言，已经无法读取到信号。而该LC型湿度传感器采用了本发明提出的工作频率自动匹配的远距离LC无源无线传感系统，因此信号强度在D=2cm的读出距离下仍可以达到-4db。可见，本发明提出的工作频率自动匹配的远距离LC无源无线传感系统实现了无源无线信号增强以及超长距离传输。

以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种工作频率自动匹配的远距离LC无源无线传感系统技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想以及在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动均落入本发明技术方案划定的范围。

Claims (1)

1.一种工作频率自动匹配的远距离LC无源无线传感系统，其特征在于，所述远距离LC无源无线传感系统由读出电路和LC无源无线传感器电路组成；其中，

所述读出电路，发送激励信号至LC无源无线传感器电路，并自适应调整自身工作频率，解析调幅信号以获取谐振频率处的测量值，读出电路包括：第一电感线圈、可调电容模块和矢量网络分析模块，第一电感线圈的一端连接可调电容模块的一端，可调电容模块的另一端连接矢量网络分析模块的一端，矢量网络分析模块的另一端连接第一电感线圈的另一端，可调电容模块包括：变容二极管、三角波信号源、阻交电阻，三角波信号源一端接变容二极管的正极，三角波信号源的另一端经阻交电阻后接变容二极管的负极，

所述LC无源无线传感器电路，在激励信号的作用下开始工作，将探测环境变化引起的阻抗变化转换为调节自身载波信号的能量幅度的调幅信号，发送调幅信号至读出电路，LC无源无线传感器电路包括：第二电感线圈、敏感电容、负载或电路寄生电阻，第二电感线圈的一端连接敏感电容的一极，敏感电容的另一极连接负载或电路寄生电阻的一端，负载或电路寄生电阻的另一端连接第二电感线圈的另一端。

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