CN113758505B - 一种基于pt对称的lc无源无线双参数传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于PT对称的LC无源无线双参数传感装置，该传感装置包括：LC双参数传感器(2)与读出电路(1)两部分，其中LC双参数传感器(2)与读出电路(1)通过电感耦合进行能量耦合和信号传输；控制电路(3)控制读出电路(1)。所述控制电路中单片机能够检测电压幅度和频率是否满足PT对称状态，即电压幅度是否达到最大，频率是否出现分频现象，并通过步进调节可调电容，直到系统达到PT对称状态，再通过检测系统频率值和负电阻值来检测被测参数。本发明结构简单，能检测双参数，从而节省空间，降低成本。

Description

一种基于PT对称的LC无源无线双参数传感系统

技术领域

本发明涉及LC传感器技术，特别涉及一种基于PT(空间反演变换-时间反演变换)对称的LC(电感-电容)无源无线双参数传感系统，属于测量、测试的技术领域。

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。传统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。

传统量子力学理论曾认为，某个量子系统有实解(可观测解)的条件是其系统哈密顿量H必须具有厄米性。而美国华盛顿大学的BenderC.M.教授于1998年提出了一种PT对称的哈密顿量，该哈密顿量不具有厄米性，但也同样有实解。现有的基于PT对称理论的LC系统着重研究提高传感器的传感距离、探测的信号强度以及传感器的灵敏度等方面；而基于PT对称的LC多参数传感器还未见报道。

在已有的多参数监测方案中，探测到的信号(频率、阻抗实部值)会受耦合距离影响，不同的探测距离会产生不一致的频率值和阻抗实部值，在实际应用中对精确探测带来问题。

此外，LC传感器在工作中其敏感元件的参数会随着待测环境改变而改变，因而读出电路的对应元件也要做出实时变化以保持PT对称。当涉及多个敏感参数同时变化时，需要一套简化的自动匹配系统来完成LC传感系统的实时PT对称匹配。

发明内容

技术问题：本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于PT对称的LC无源无线双参数传感系统，利用PT对称的原理实现了LC双参数的测量，实现了双参数探测的自动实时PT对称匹配，提高了LC双参数测量的读出距离和灵敏度，解决了传统无源无线LC传感器测量参数单一、读出系统复杂且信号受探测距离变化的问题。

技术方案：本发明的一种基于PT对称的LC无源无线双参数传感装置采用如下结构：

该传感装置包括：LC双参数传感器与读出电路两部分，其中LC双参数传感器与读出电路通过电感耦合进行能量耦合和信号传输；控制电路控制读出电路。

所述读出电路由信号分析仪、可调电容、一个电感线圈副方、负阻电路和控制电路并联所构成。

所述LC双参数传感器由一个电感线圈源方、一个敏感电容和一个敏感电阻并联所构成；敏感电容值随双参数传感装置中一个被测参数的变化而变化，敏感电阻值随双参数传感装置中另一个被测参数的变化而变化；所述的被测参数根据敏感电容和敏感电阻的种类而变化。

所述控制电路由运算放大器、包络检波电路、分频电路和单片机MCU所构成；其中，运算放大器的两个输入端分别接读出电路的两端，运算放大器的输出端分别接包络检波电路、分频电路的输入端，包络检波电路、分频电路的输出端分别接单片机MCU的输入端，单片机MCU的输出端接可调电容的控制端。

所述负阻电路由交叉耦合的第一NMOS管、第二NMOS管的发射极串联一个恒流源所构成。

所述单片机MCU通过包络检波电路和分频电路检测电压幅度和频率是否满足PT对称条件，并通过步进调节可调电容来使系统满足PT对称条件。

本发明的基于PT对称的LC无源无线双参数传感装置的双参数检测方法，通过PT对称的原理，当所述的双参数传感装置工作在PT对称区时，只需测量读出双参数传感装置的阻抗值和频率值，就能计算出所述双参数传感装置中敏感电阻和敏感电容的大小，再计算出两个被测参数大小，从而实现双参数检测。

具体的检测方法为：

步骤1，当两个被测参数发生变化时，传感装置的敏感电容和敏感电阻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；

步骤2，读出电路通过读出线圈和传感器线圈的电感耦合进行信号传输；

步骤3，控制电路将信号进行缓冲和单端转换后，分别进行包络检波和分频，实现电压幅度测量和频率测量。通过单片机检测电压幅度和频率是否满足PT对称状态，即电压幅度是否达到最大，频率是否出现分频现象；若不满足，则步进调节电容值，直到系统达到PT对称状态；

步骤4，测量双参数传感装置的两个频率，即可得到敏感电容的变化情况，从而得到与敏感电容有关的待测参数；

步骤5，在双参数传感装置PT对称时，工作在非线性区的负电阻与传感装置敏感电阻自动匹配，通过测量非线性电阻的大小，从而得到与敏感电阻有关的待测参数。

有益效果：本发明采用上述技术方案，具有以下优点：

(1)本发明提供的基于PT对称的LC无源无线双参数传感系统，在传统LC无源无线传感器的基础上增加了双参数的测量。

(2)利用PT对称原理简化了读出系统，实现了实时测量，提高了测量精度。

(3)通过交叉耦合MOS管构成的负电阻，可以实现自动匹配PT对称，使得阻抗实部值与耦合系数k无关，实现待测参数的精准测量。

(4)通过检测电压幅度和频率来判断系统是否满足PT对称状态，并利用单片机步进调节可调电容，使系统工作在PT对称区。

(5)利用无源无线技术可以实现读出电路与待测物体零接触的监测方式，避免引线等有线连接带来的不便。

附图说明

图1为本发明基于PT对称的LC无源无线双参数传感系统的等效电路图。

图2为图1所示读出电路中负阻电路的等效电路图。

图中有：

读出系统1、信号分析仪11、可调电容12、电感线圈副方13；

LC双参数传感器2、电感线圈源方21、敏感电容22、敏感电阻23；

控制电路3、运算放大器31、包络检波电路32、分频电路33、MCU34；

负阻电路4、第一NMOS管41、第二NMOS管42、恒流源43。

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。

如图1、图2所示，本发明公开的一种基于负阻电路的LC传感器，包括读出系统1、LC双参数传感器2、控制电路3和负阻电路4；读出系统1由信号分析仪11、负阻电路4、控制电路3、可调电容12和电感线圈副方13并联而成；LC双参数传感器2由电感线圈源方21、敏感电容22和敏感电阻23并联而成；控制电路由运算放大器31、包络检波电路32、分频电路33和MCU34所构成；负阻电路由第一NMOS管41和第二NMOS管42交叉耦合，再串联一个恒流源43所构成。

读出线圈与传感器线圈之间通过电感耦合进行信号传输。所述控制电路中单片机能够检测电压幅度和频率是否满足PT对称状态(即电压幅度是否达到最大，频率是否出现分频现象等)，并通过步进调节可调电容，直到系统达到PT对称状态，再通过检测读出电路频率值和阻抗值来检测被测参数。

为了形成PT对称结构，需满足L_r＝L_s、C_r＝C_s、R_r＝-R_s的条件，同时保证(1)ω_r＝ω_s；(2)g_r＝γ_s。

系统的哈密顿量可以写成

满足[PT,H]＝0的条件，因此系统处于PT对称状态。

其中L_r、L_s分别为读出电路和LC传感器中线圈的电感值；C_r、C_s分别为读出电路和LC传感器的电容值；R_r、R_s分别为读出电路和LC传感器的阻抗值；

为LC传感器的谐振频率；

分别为读出电路的增益系数、LC传感器的损耗系数；k为读出线圈与传感器线圈的电感耦合系数。H为系统的哈密顿量。

其具体工作过程为：

(1)当两个被测参数发生变化时，传感器的敏感电容和敏感电阻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)读出电路通过读出线圈和传感器线圈的电感耦合进行信号传输；

(3)控制电路将信号进行缓冲和单端转换后，分别进行包络检波和分频，实现电压幅度测量和频率测量。通过单片机检测电压幅度和频率是否满足PT对称状态(即电压幅度是否达到最大，频率是否出现分频现象等)，若不满足，则步进调节电容值，直到系统达到PT对称状态；

(4)测量系统的两个频率，根据公式

即可得到敏感电容的变化情况，从而测量出与敏感电容有关的待测参数；

(5)在系统PT对称时，工作在非线性区的负电阻与传感器敏感电阻自动匹配，通过测量非线性电阻的大小，从而测量出与敏感电阻有关的待测参数。

当被测参数改变时，敏感电容22电容值和敏感电阻23电阻值发生改变，从而引起LC双参数传感器的谐振频率发生改变，读出系统1通过电感线圈副方13和电感线圈源方21之间的互感耦合进行信号传输，信号经过运算放大器31处理后，分别经过包络检测电路32和分频电路33，实现电压幅度测量和频率测量。通过MCU34检测电压幅度和频率是否满足PT对称状态(即电压幅度是否达到最大，频率是否出现分频现象等)，若不满足，则步进调节可调电容12的电容值，直到系统达到PT对称状态。

通过信号分析仪11测量系统的最大最小两个频率，即可得到敏感电容22的变化情况，从而测量出与敏感电容有关的待测参数；

工作在非线性区的负阻电路4与传感器敏感电阻23自动匹配，通过信号分析仪测量该电路阻抗实部的阻值R_real的大小，由于R_real＝R_S，从而测量出与敏感电阻23有关的待测参数。

这里的被测参数可以根据敏感电容和敏感电阻的种类而变化。例如湿度用敏感电容测量，温度用敏感电阻测量。

Claims (6)

1.一种基于PT对称的LC无源无线双参数传感装置，其特征在于该传感装置包括：LC双参数传感器（2）与读出电路（1）两部分，其中LC双参数传感器（2）与读出电路（1）通过电感耦合进行能量耦合和信号传输；控制电路（3）控制读出电路（1）;

所述LC双参数传感器（2）由一个电感线圈源方（21）、一个敏感电容（22）和一个敏感电阻（23）并联所构成；敏感电容值随双参数传感装置中一个被测参数的变化而变化，敏感电阻值随双参数传感装置中另一个被测参数的变化而变化；所述的被测参数根据敏感电容和敏感电阻的种类而变化;

所述控制电路（3）由运算放大器（31）、包络检波电路（32）、分频电路（33）和单片机MCU（34）所构成；其中，运算放大器（31）的两个输入端分别接读出电路（1）的两端，运算放大器（31）的输出端分别接包络检波电路（32）、分频电路（33）的输入端，包络检波电路（32）、分频电路（33）的输出端分别接单片机MCU（34）的输入端，单片机MCU（34）的输出端接可调电容（12）的控制端。

2.根据权利要求1所述基于PT对称的LC无源无线双参数传感装置，其特征在于，所述读出电路（1）由信号分析仪（11）、可调电容（12）、一个电感线圈副方（13）、负阻电路（4）和控制电路（3）并联所构成。

3.根据权利要求2所述基于PT对称的LC无源无线双参数传感装置，其特征在于，所述负阻电路（4）由交叉耦合的第一NMOS管（41）、第二NMOS管（42）的发射极串联一个恒流源（43）所构成。

4.根据权利要求书1所述基于PT对称的LC无源无线双参数传感装置，其特征在于，所述单片机MCU（34）通过包络检波电路（32）和分频电路（33）检测电压幅度和频率是否满足PT对称条件，并通过步进调节可调电容（12）来使系统满足PT对称条件。

5.一种如权利要求1所述的基于PT对称的LC无源无线双参数传感装置的双参数检测方法，其特征在于，通过PT对称的原理，当所述的双参数传感装置工作在PT对称区时，只需测量读出双参数传感装置的阻抗值和频率值，就能计算出所述双参数传感装置中敏感电阻和敏感电容的大小，再计算出两个被测参数大小，从而实现双参数检测。

6.根据权利要求5所述的基于PT对称的LC无源无线双参数传感装置的双参数检测方法，其特征在于，具体的检测方法为：

步骤1，当两个被测参数发生变化时，传感装置的敏感电容和敏感电阻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；

步骤2，读出电路通过读出线圈和传感器线圈的电感耦合进行信号传输；

步骤3，控制电路将信号进行缓冲和单端转换后，分别进行包络检波和分频，实现电压幅度测量和频率测量,通过单片机检测电压幅度和频率是否满足PT对称状态，即电压幅度是否达到最大，频率是否出现分频现象；若不满足，则步进调节电容值，直到系统达到PT对称状态；

步骤4，测量双参数传感装置的两个频率，即可得到敏感电容的变化情况，从而得到与敏感电容有关的待测参数；

步骤5，在双参数传感装置PT对称时，工作在非线性区的负电阻与传感装置敏感电阻自动匹配，通过测量非线性电阻的大小，从而得到与敏感电阻有关的待测参数。

Images