CN113701789A - 一种基于负阻电路的无源无线lc中性传感器 - Google Patents

一种基于负阻电路的无源无线lc中性传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN113701789A
CN113701789A CN202111031754.XA CN202111031754A CN113701789A CN 113701789 A CN113701789 A CN 113701789A CN 202111031754 A CN202111031754 A CN 202111031754A CN 113701789 A CN113701789 A CN 113701789A
Authority
CN
China
Prior art keywords
circuit
negative resistance
sensor node
passive wireless
resistor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111031754.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN113701789B (zh
Inventor
董蕾
戴鹏
王立峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN202111031754.XA priority Critical patent/CN113701789B/zh
Publication of CN113701789A publication Critical patent/CN113701789A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113701789B publication Critical patent/CN113701789B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

本发明提供一种基于负阻电路的无源无线LC中性传感器，属于测量、测试的技术领域。该无源无线LC中性传感器包括读出系统和传感器节点；所述读出系统由读出电路和一个读出线圈串联而成；所述传感器节点由敏感电容、初级电感线圈和负阻电路串联而成；所述负阻电路由运算放大器构成的负电阻和无线供电模块所构成；所述无线供电模块由电感线圈、可选变频电容、整流电路、滤波电路和稳压电路构成，作用是给运算放大器无线供电；所述读出系统与传感器节点通过电感耦合进行信号传输，从而检测被测参数。本发明结构简单，能有效降低寄生电阻的能量损耗，提高系统的工作效率。

Description

一种基于负阻电路的无源无线LC中性传感器
技术领域
本发明属于LC传感器领域，尤其涉及一种基于负阻电路的无源无线LC中性传感器。
背景技术
LC无源无线传感器自从1967年被首次提出以来，已经被广泛应用于各种场合，例如压力、温度、湿度、转速、气体等参数的检测。LC传感器通常由敏感电容和螺旋电感串联而成，其工作原理很简单：LC传感器的敏感电容随被测参数的变化而变化，从而导致LC谐振回路的谐振频率发生变化，在传感器外侧放置一个读出线圈，读出线圈与传感器电感产生耦合，通过对读出线圈进行输入阻抗分析或分析其输入回波损耗从而测出LC传感器的谐振频率，即可计算出被测参数的具体数值。
LC无源无线传感器无需电源供电，也无需电气连接，且体积小，功耗低，成本低，这使得其在某些特殊的应用环境下具有无可比拟的优势，比如密闭环境、机械旋转结构等等。
而由于寄生效应，LC传感器中的寄生电阻使得LC传感器呈现损耗状态，影响探测信号的强度，限制了无线检测的距离和精度。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于负阻电路的无源无线LC中性传感器,以解决传统无源无线LC传感器能量损耗大，传输效率低，无线测量距离短的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种基于负阻电路的无源无线LC中性传感器，包括读出系统和传感器节点，其中读出系统与传感器节点通过电感耦合进行能量耦合和信号传输；
所述传感器节点由负阻电路与初级电感线圈、敏感电容串联而成；
所述电感线圈由等效电感和线圈寄生电阻串联而成；
所述敏感电容值随被测参数的变化而变化，从而引起传感器节点的谐振频率变化，通过电感耦合将频率信号传递给读出电路，从而读出被测参数值。
进一步的，所述读出系统由读出电路和读出线圈组成；
所述读出电路发出扫频电磁激励信号，一方面对传感器节点的谐振频率进行探测,一方面利用无线充电的形式对传感器节点电路提供能量。
进一步的，所述负阻电路由负电阻和无线供电模块所构成，所述负电阻由无线供电模块提供能量。
进一步的，所述无线供电模块包括次级电感线圈、可选变频电容、整流电路、滤波电路、稳压电路。
进一步的，所述负电阻由运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻构成；所述负阻电路阻值为
Figure BDA0003245582480000021
其中R1为第一电阻，R2为第二电阻，R3为第三电阻。
进一步的，所述负电阻是交叉耦合MOS管构成的负电阻。
进一步的，所述交叉耦合MOS管构成的负电阻包括第一NOMS管、第二NMOS管、恒流源。
本发明的一种基于负阻电路的无源无线LC中性传感器，具有以下优点：
(1)本发明提供的基于负阻电路的无源无线LC中性传感器，在传统LC无源无线传感器的基础上增加了负阻电路，减少了寄生电阻对电路能量的损耗，增加了传感器的工作效率。
(2)将负阻电路应用到传感器节点上，并通过无线耦合的方式为其充电，避免了更换电池带来的不便。
附图说明
图1为本发明的基于负阻电路的无源无线LC中性传感器的等效电路图；
图2为本发明的LC中性传感器中负阻电路的等效电路图；
图3为本发明的另一种用交叉耦合mos管来实现负阻电路的电路图；
图中标记说明：1、读出系统；2、传感器节点；3、负阻电路；4、交叉耦合MOS管构成的负电阻；11、读出电路；12、读出线圈；21、初级电感线圈；22、敏感电容；23、寄生电阻；3、负阻电路；31、次级电感线圈；32、可选变频电容；33、整流电路；34、滤波电路；35、稳压电路；36、运算放大器；37、第一电阻；38、第二电阻；39、第三电阻；41、第一NOMS管；42、第二NMOS管；43、恒流源。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于负阻电路的无源无线LC中性传感器做进一步详细的描述。
如图1、图2所示，本发明公开的一种基于负阻电路的无源无线LC中性传感器，包括读出系统1、传感器节点2和负阻电路3；所述读出系统1由读出电路11和读出线圈12串联而成；所述传感器节点2由初级电感线圈21、敏感电容22和负阻电路3串联而成，其中，初级电感线圈21由等效电感和线圈的寄生电阻23串联而成。
负阻电路3由负电阻和无线供电模块所构成。所述负电阻由无线供电模块提供能量。
无线供电模块包括次级电感线圈31、可选变频电容32、整流电路33、滤波电路34、稳压电路35。
所述负电阻的第一实施例是由运算放大器36、第一电阻37、第二电阻38、第三电阻39构成。
如图1所示，读出电路11发出一定频率的正弦交流信号，通过读出线圈12与传感器节点2的初级电感线圈21的互感耦合，将激励信号耦合到传感器节点2上。与此同时，通过读出线圈12与次级电感线圈31的互感耦合，产生耦合电压，再经过整流电路33、滤波电路34、稳压电路35输出恒定电压，为运算放大器36提供电源，使运算放大器36正常工作在线性区，整体电路对外呈负阻特性，从而减少传感器节点2中寄生电阻23对能量的损耗。
当被测参数改变时，敏感电容22电容值发生改变，从而引起传感器节点2的谐振频率发生改变，读出电路11通过电感耦合测量其谐振频率，从而测得被测参数。
读出线圈12与次级电感线圈31可构成变压电路，两个电感间的耦合系数为k。为了增加耦合效率，利用可变选频电容32与次级电感线圈31并联，形成谐振电路。根据耦合理论，耦合到次级电感线圈31上的电压可以写成：
Figure BDA0003245582480000041
其中
Figure BDA0003245582480000042
为电感线圈互感，L1为读出线圈12，L3为次级电感线圈31；Z1＝iωL1，Z2＝iωL3+1/iωC2为两级耦合线圈的等效阻抗；C2为可变选频电容32。ω为耦合频率，当
Figure BDA0003245582480000043
时，耦合电压达到最优值。耦合电压经过整流稳压滤波电路后，可以为运算放大器36提供电源。
含运算放大器36的负阻电路3正常工作时阻值为
Figure BDA0003245582480000044
其中R1为第一电阻37，R2为第二电阻38，R3为第三电阻39，通过调节R1、R2和R3的电阻值使得负电阻阻值与电感线圈的寄生电阻23阻值相等。
其工作原理为：
(1)当被测参数发生变化时，传感器节点2的敏感电容22随被测参数的变化而变化，从而导致LC谐振回路的谐振频率发生变化；
(2)读出电路11输出正弦激励电流信号到读出线圈12，通过电感耦合在次级电感线圈31两端形成耦合电压，再经过整流稳压滤波电路，为运算放大器36提供电压，使运算放大器36正常工作在线性区，整体电路呈现负阻特性；通过调节R1、R2和R3的电阻值使得负电阻与电感线圈的寄生电阻23相等；
(3)通过读出线圈12与传感器节点2中电感线圈的互感耦合，将激励信号耦合到传感器节点2上；
(4)通过对读出线圈12进行输入阻抗分析或分析其输入回波损耗从而测出LC传感器的谐振频率，即可计算出被测参数的具体数值。
如图3所示，本发明的负电阻的第二实施例是由第一NOMS管41、第二NOMS管42和恒流源43构成。
次级电感线圈31由电感耦合获得能量后，通过可选变频电容32、整流电路33、滤波电路34、稳压电路35后为该电路提供稳定的电压，使第一NOMS管41和第二NOMS管42工作在非线性区，此时该电路对外呈负阻特性，根据其小信号模型，可以计算出其负阻大小为
Figure BDA0003245582480000051
其中gm为电路中电流和电压的比值。此时可以抵消一部分寄生电阻对能量的损耗。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于负阻电路的无源无线LC中性传感器，其特征在于，包括读出系统(1)和传感器节点(2)，其中读出系统(1)与传感器节点(2)通过电感耦合进行能量耦合和信号传输；
所述传感器节点(2)由负阻电路(3)与初级电感线圈(21)、敏感电容(22)串联而成；
所述电感线圈(21)由等效电感和线圈寄生电阻(23)串联而成；
所述敏感电容(22)值随被测参数的变化而变化，从而引起传感器节点(2)的谐振频率变化，通过电感耦合将频率信号传递给读出电路(11)，从而读出被测参数值。
2.根据权利要求1所述的基于负阻电路的无源无线LC中性传感器，其特征在于，所述读出系统(1)由读出电路(11)和读出线圈(12)组成；
所述读出电路(11)发出扫频电磁激励信号，一方面对传感器节点的谐振频率进行探测,一方面利用无线充电的形式对传感器节点(2)电路提供能量。
3.根据权利要求1所述的基于负阻电路的无源无线LC中性传感器，其特征在于，所述负阻电路(3)由负电阻和无线供电模块所构成，负电阻由无线供电模块提供能量。
4.根据权利要求3所述的基于负阻电路的无源无线LC中性传感器，其特征在于，所述无线供电模块包括次级电感线圈(31)、可选变频电容(32)、整流电路(33)、滤波电路(34)、稳压电路(35)。
5.根据权利要求4所述的基于负阻电路的无源无线LC中性传感器，其特征在于，所述负电阻由运算放大器(36)、第一电阻(37)、第二电阻(38)、第三电阻(39)构成；所述负阻电路(3)阻值为
Figure FDA0003245582470000011
其中R1为第一电阻(37)，R2为第二电阻(38)，R3为第三电阻(39)。
6.根据权利要求4所述的基于负阻电路的无源无线LC中性传感器，其特征在于，所述负电阻是交叉耦合MOS管构成的负电阻(4)。
7.根据权利要求6所述的基于负阻电路的无源无线LC中性传感器，其特征在于，所述交叉耦合MOS管构成的负电阻(4)包括第一NMOS管(41)、第二NMOS管(42)、恒流源(43)。
CN202111031754.XA 2021-09-03 2021-09-03 一种基于负阻电路的无源无线lc中性传感器 Active CN113701789B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111031754.XA CN113701789B (zh) 2021-09-03 2021-09-03 一种基于负阻电路的无源无线lc中性传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111031754.XA CN113701789B (zh) 2021-09-03 2021-09-03 一种基于负阻电路的无源无线lc中性传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113701789A true CN113701789A (zh) 2021-11-26
CN113701789B CN113701789B (zh) 2022-11-29

Family

ID=78659272

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111031754.XA Active CN113701789B (zh) 2021-09-03 2021-09-03 一种基于负阻电路的无源无线lc中性传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113701789B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115307689A (zh) * 2022-10-09 2022-11-08 中国石油大学(华东) 一种无线无源温湿度监测装置和方法
CN116388546A (zh) * 2023-06-06 2023-07-04 湖南大学 利用负电感消除寄生电感的振荡抑制电路及方法
WO2024055501A1 (zh) * 2022-09-15 2024-03-21 东南大学 基于pt对称原理的频率可调非互易传输系统及其检测方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103278181A (zh) * 2013-05-03 2013-09-04 东南大学 一种无源lc谐振式传感器的无线读出电路
CN203231758U (zh) * 2013-05-03 2013-10-09 东南大学 一种无源lc谐振式传感器的无线读出电路
CN103456157A (zh) * 2013-09-23 2013-12-18 东南大学 一种长距离无源无线传感器遥测系统
CN109211283A (zh) * 2018-09-18 2019-01-15 东南大学 一种lc传感系统
CN110853318A (zh) * 2019-10-28 2020-02-28 东南大学 一种远距离lc无源无线传感系统
CN111028496A (zh) * 2019-12-10 2020-04-17 东南大学 一种工作频率自动匹配的远距离lc无源无线传感系统
CN111245391A (zh) * 2020-01-14 2020-06-05 东南大学 实现lc无源无线传感系统阻抗自动匹配的读出电路及方法
CN111829559A (zh) * 2020-06-24 2020-10-27 东南大学 一种pt对称型lc无源无线传感系统实现多参数测量的方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103278181A (zh) * 2013-05-03 2013-09-04 东南大学 一种无源lc谐振式传感器的无线读出电路
CN203231758U (zh) * 2013-05-03 2013-10-09 东南大学 一种无源lc谐振式传感器的无线读出电路
CN103456157A (zh) * 2013-09-23 2013-12-18 东南大学 一种长距离无源无线传感器遥测系统
CN109211283A (zh) * 2018-09-18 2019-01-15 东南大学 一种lc传感系统
CN110853318A (zh) * 2019-10-28 2020-02-28 东南大学 一种远距离lc无源无线传感系统
CN111028496A (zh) * 2019-12-10 2020-04-17 东南大学 一种工作频率自动匹配的远距离lc无源无线传感系统
CN111245391A (zh) * 2020-01-14 2020-06-05 东南大学 实现lc无源无线传感系统阻抗自动匹配的读出电路及方法
CN111829559A (zh) * 2020-06-24 2020-10-27 东南大学 一种pt对称型lc无源无线传感系统实现多参数测量的方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024055501A1 (zh) * 2022-09-15 2024-03-21 东南大学 基于pt对称原理的频率可调非互易传输系统及其检测方法
CN115307689A (zh) * 2022-10-09 2022-11-08 中国石油大学(华东) 一种无线无源温湿度监测装置和方法
CN115307689B (zh) * 2022-10-09 2023-01-24 中国石油大学(华东) 一种无线无源温湿度监测装置和方法
CN116388546A (zh) * 2023-06-06 2023-07-04 湖南大学 利用负电感消除寄生电感的振荡抑制电路及方法
CN116388546B (zh) * 2023-06-06 2023-10-24 湖南大学 利用负电感消除寄生电感的振荡抑制电路及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113701789B (zh) 2022-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113701789B (zh) 一种基于负阻电路的无源无线lc中性传感器
CN101975893A (zh) 一种基于仪器放大器的差动电容检测电路及检测方法
WO2000036427A1 (fr) Capteur magnetique et capteur de courant
US6384596B1 (en) Variable inductance transducer circuit producing an electrical current and voltage output
TW200521418A (en) Radio frequency temperature sensor and temperature cablibrating method therefor
CN109270325B (zh) 一种自激型开环磁通门电流传感器电路及其自激振荡方法
CN105842511A (zh) 一种双线圈防磁式电流互感器
CN201429406Y (zh) 两线制电流型位移传感器
CN102072694A (zh) 电涡流式距离传感器
CN102854399B (zh) 一种电容式mems传感器的检测电路
CN104062327A (zh) 用于油料检测的电容传感器互补激励及线性检测方案
CN104034938B (zh) 电子式电压互感器中的电流检测电路
CN211086549U (zh) 一种交流充电设备的接地和错相检测电路
CN101634667A (zh) 测量直流电机消耗的平均电流的方法与电路
CN204374272U (zh) 一种互感器方式变压器接地泄漏电流无线监测装置
CN113758505B (zh) 一种基于pt对称的lc无源无线双参数传感系统
CN206369977U (zh) 人工智能仪表的交流电压输入模块
DE60016040D1 (de) Positionsdetektoreinrichtung mit variabler reaktanz
CN211377990U (zh) 一种传感器信号调理电路
CN110412401A (zh) 一种交流充电设备的接地和错相检测电路
CN110333383B (zh) 基于互感器的单相交流电压高精度快速检测电路
CN208874367U (zh) 无线电能发射端、无线充电系统和电路模组
CN205427014U (zh) 一种双线圈防磁式电流互感器
CN212321700U (zh) 电感电流检测电路
CN206348385U (zh) 一种基于铁路系统的交流电量隔离变送器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant