CN114705227B - 一种基于fft的lc三参数快速测量电路 - Google Patents

一种基于fft的lc三参数快速测量电路 Download PDF

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Abstract

一种基于FFT的LC三参数快速测量电路,该电路系统包括:LC双谐振电路与读出电路两部分,其中LC双谐振电路与读出电路通过电感耦合进行能量耦合和信号传输;信号处理模块对读出电路中的电压信号进行采集与处理,得出LC双谐振电路的两个谐振频率和品质因数Q值,由此可以分别得到所测量的三个参数值。所述信号处理模块中ADC能将包含了LC双谐振电路信息的模拟电压振荡信号转化为数字信号,FPGA则负责控制测量的速度、开关的切换、数字信号处理以及谐振频率和Q值的计算。本发明体积小便携性好,相较于扫频测量方法具有快速测量的优点。

Description

一种基于FFT的LC三参数快速测量电路
技术领域
本发明属于LC传感器技术领域,尤其涉及基于FFT(快速傅里叶变换)分析通过信号处理计算LC双谐振电路的两个谐振频率和品质因数Q值,属于测量、测试的技术领域。
背景技术
LC无源无线传感器通常是由敏感电容和平面螺旋电感构成的一种最有潜力的谐振式无源无线传感器,由于其内部不包电源等有源器件,因此具备两个天然的优势:一是体积大幅度减小;二是不需要更换电池,因此理论上器件的寿命无限长。在这两种优势下,LC无源无线传感器在诸多应用环境下都具有很强的优势,如在密闭环境下对人体内部、食品药品包装内部、建筑结构内部等进行参数监控时,如果采用电池等供电系统进行供电,则需要进行多次的更换,会造成很大的困难和弊端;同样在机械旋转结构上,LC传感器也是非常好的选择,在对轴承的温度、振动情况进行测量时,必须采取无线的方式,并且对于轴承参数的监测,有利于预防事故的发生;在超高温的环境下,集成电路无法工作,无源无线传感器也是一种最佳的选择。
近场耦合读取谐振频率的方法主要有两类:频域法和时域法。频域法即为采用频率扫描的方式,测量外部读出电感的频谱特性,从而得到LC传感器的谐振频率,因此也成为扫频法。目前大部分频域法的测量都是直接使用商用的阻抗/网络分析仪,测量读出电感的Z参数或者S参数,根据这些频率特性曲线得到谐振频率。时域法是利用脉冲信号对LC传感器进行激励,并采集、分析反馈回来的脉冲响应信号,进而得到LC传感器的谐振频率,也称为脉冲式检测方法。通过发射线圈发射一个交变的激励信号,LC传感器上将产生感应电流,频率和激励信号一致,做受迫运动;当取消激励信号后,发送周期停止,传感器谐振回路将以自身谐振频率做阻尼振荡。信号同样通过互感耦合到外部接收线圈,接着利用后续的频率测量电路测得该回波信号的频率值,从而确定LC传感器的谐振频率。
当前主流LC传感器谐振频率读取方法是使用商用阻抗分析仪以及网络分析仪读取,然而阻抗分析仪和网络分析仪体积大,价格高,且测量时需要较长的时间扫频,不适用于一些需要高速测量的场合。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于FFT(快速傅里叶变换)的LC三参数快速读出电路,利用FFT对脉冲响应信号进行处理,实现了对两个参数对应的谐振频率和第三个参数对应品质因数Q值的监测,提高了LC三参数测量的读出速度,以解决传统无源无线LC传感器读出速度慢、测量耗时长的问题。
为解决上述技术问题,本发明提供一种基于FFT的LC三参数快速测量电路,包括LC双谐振电路、读出电路系统以及信号处理模块三部分,其中LC双谐振电路与读出电路系统通过电感耦合进行能量耦合和信号传输;信号处理模块对读出电路系统中的电压信号进行采集与处理;所述测量电路将读出电路系统应用于双谐振电路进行参数测量,实现了三参数同时监测。
进一步的,所述读出电路系统包括直流电压源、单刀双掷开关、第一固定电容器、电感线圈副方和分压电阻,单刀双掷开关置于左端常闭端时,直流电压源和固定电容器串联构成电容充电回路;单刀双掷开关置于右端常开端时,固定电容器、电感线圈副方和分压电阻串联构成电容放电回路;信号处理模块采集和处理分压电阻两端的电压信号。
进一步的,所述LC双谐振电路包括电感线圈源方、固定贴片电感器、第一敏感电容、第一敏感电阻、第二敏感电阻、第二固定电容器、第三固定电容器、第二敏感电容;
电感线圈源方、第一敏感电阻、第二固定电容器串联再与第一敏感电容并联;固定贴片电感器、第二敏感电阻、第三固定电容器串联再与第一敏感电容并联;第二固定电容器、第三固定电容器串联再与第二敏感电容并联构成对称拓扑电路。
进一步的,所述第一敏感电阻和第二敏感电阻与第一敏感电容和第二敏感电容随三个被测参数变化而独立变化;所述的被测参数由敏感电容和敏感电阻种类决定。
进一步的,所述信号处理模块包括ADC模数转换器和FPGA;所述ADC模数转换器的模拟信号输入端口接分压电阻的两端,ADC模数转换器采集到的数字信号输入FPGA进行运算处理。
本发明还提供一种基于FFT的LC三参数快速测量电路的三参数检测方法,通过对读出电路系统的脉冲响应电压信号进行采集分析计算出LC双谐振电路的两个独立的谐振频率和品质因数Q值,再由两个谐振频率分别计算出第一敏感电容和第二敏感电容的大小,由品质因数Q值可以计算出第一敏感电阻和第二敏感电阻,得出待测的三个参数值。
进一步的,具体的检测方法为:
步骤1,当三个被测参数发生变化时,LC双谐振电路的第一敏感电容、第二敏感电容、第一敏感电阻和第二敏感电阻分别随被测参数的变化而变化,从而导致LC双谐振电路的两个谐振频率和品质因数Q值发生变化;
步骤2,读出电路系统通过电感线圈副方和电感线圈源方的电感耦合进行信号传输;
步骤3,初始时开关置于直流电压源端,电容快速充满电,而后FPGA控制开关跳转到另一端,电容对电感线圈副方回路放电形成振荡信号;
步骤4,采集并分析分压电阻上的振荡电压信号,即可得到LC双谐振电路的两个独立的谐振频率和品质因数Q值;
步骤5,由LC双谐振电路两个谐振频率和品质因数Q值即可计算出第一敏感电容、第二敏感电容、第一敏感电阻和第二敏感电阻的大小,进而得到三个被测参数。
本发明的一种基于FFT的LC三参数快速测量电路具有以下优点:
(1)在传统LC无源无线传感器的基础上增加了三参数的测量,用一个读出电路系统和一个双谐振电路能同时进行三个参数的监测,传感器集成度更高,同时监测的参数数量更多;
(2)本发明的参数测量方法,相对于扫频测量,缩短了测量时间,可以检测快速变化的参数;
(3)本发明电路系统简单,体积小,成本低。
附图说明
图1为本发明的等效电路图;
图中标记说明:
1、读出电路系统;11、直流电压源;12、单刀双掷开关;13、第一固定电容器;14、电感线圈副方;15、分压电阻;2、LC双谐振电路;21、电感线圈源方;22、固定贴片电感器;23、第一敏感电容;24、第一敏感电阻;25、第二敏感电阻;26、第二固定电容器;27、第三固定电容器;28、第二敏感电容;3、信号处理模块、31、ADC模数转换器、32、FPGA。
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FFT的LC三参数快速读出电路做进一步详细的描述。
如图1所示,本发明的本发明公开的一种基于FFT的LC三参数快速测量电路,包括读出电路系统1、LC双谐振电路2、和信号处理模块3。其中LC双谐振电路2与读出电路系统1通过电感耦合进行能量耦合和信号传输;信号处理模块3对读出电路系统1中的电压信号进行采集与处理;所述测量电路将读出电路系统1应用于双谐振电路2进行参数测量,实现了三参数同时监测。
读出电路系统1包括直流电压源11、单刀双掷开关12、第一固定电容器13、电感线圈副方14和分压电阻15。读出电路系统1的单刀双掷开关12置于左端(常闭端)时,直流电压源11和第一固定电容器13串联成电容充电回路;单刀双掷开关12置于右端(常开端)时,第一固定电容器13、电感线圈副方14和分压电阻15串联成电容放电回路。信号处理模块3采集和处理分压电阻15两端的电压信号。
LC双谐振电路2包括电感线圈源方21、固定贴片电感器22、第一敏感电容23、第一敏感电阻24、第二敏感电阻25、第二固定电容器26、第三固定电容器27、第二敏感电容28。一个电感线圈源方21、第一敏感电阻24、第二固定电容器26串联再与第一敏感电容23并联;一个固定贴片电感器22、第二敏感电阻25、第三固定电容器27串联再与第一敏感电容23并联;第二固定电容器26、第三固定电容器27串联再与第二敏感电容28并联构成对称拓扑电路。信号处理模块3包括ADC模数转换器31和FPGA 32;所述ADC模数转换器31的模拟信号输入端口接分压电阻15的两端,ADC模数转换器31采集到的数字信号输入FPGA 32进行运算处理。
第一敏感电阻24和第二敏感电阻25与第一敏感电容23和第二敏感电容28随三个被测参数变化而独立变化;所述的被测参数由敏感电容和敏感电阻种类决定,温度、振动和应变。
电感线圈副方14与电感线圈源方21之间通过电感耦合进行信号传输。测量过程中FPGA 32控制开关由充电回路切换到电感线圈副方14回路,第一固定电容器13对电感线圈副方14回路放电形成振荡信号,该振荡信号也包含了LC双谐振电路2的信息,用ADC采集振荡信号并且用FPGA 32硬件电路对信号进行处理就能计算得出LC双谐振电路2的两个谐振频率和品质因数Q值,进而计算得出第一敏感电阻24和第二敏感电阻25与第一敏感电容23和第二敏感电容28的值,最后得到三个被测参数。
为了计算双谐振电路的两个谐振频率和品质因数Q值,需要对采集的脉冲响应振荡信号做FFT得到信号频谱的实部αk和虚部βk,在计算得到系统阻抗虚部与频率fk的关系曲线,最后检测系统阻抗虚部两个峰值对应的频率即是LC双谐振电路2的两个谐振频率f1和f2,再由f1和第一个峰的-6dB带宽ΔfFWHM1即可计算出Q值。
其具体工作过程为:
(1)当三个被测参数发生变化时,LC双谐振电路2的第一敏感电容23、第二敏感电容28和第一敏感电阻24、第二敏感电阻25随被测参数的变化而变化,从而导致LC双谐振电路2的两个谐振频率和品质因数Q值发生变化;
(2)读出电路系统1通过读出线圈和传感器线圈的电感耦合进行信号传输;
(3)LC读出回路端的固定电容充满电后,FPGA控制开关跳转到另一端,电容对读出线圈回路放电形成振荡信号;
(4)ADC采集分压电阻上的振荡电压信号并由FPGA作FFT(快速傅里叶变换)、频谱运算、峰值判定以及带宽计算,即可得到LC双谐振电路的两个独立的谐振频率f1、f2以及品质因数Q值;
(5)由公式和/>即可计算得出敏感电容Cx和Cy;由/>即可计算出敏感电阻的值(以上k代表电感线圈源方21与贴片电感器22的耦合系数,在本发明中其值为0;L=Ls,为电感线圈源方的电感值,C为第二、第三固定电容器的值),进而查表得出三个被测参数。
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。比如应变敏感电容、振动敏感电容和温度敏感电阻,对应的被测参数即为应变、振动和温度。
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 (4)

1.一种基于FFT的LC三参数快速测量电路,其特征在于,包括LC双谐振电路(2)、读出电路系统(1)以及信号处理模块(3)三部分,其中LC双谐振电路(2)与读出电路系统(1)通过电感耦合进行能量耦合和信号传输;信号处理模块(3)对读出电路系统(1)中的电压信号进行采集与处理;所述测量电路将读出电路系统(1)应用于双谐振电路(2)进行参数测量,实现了三参数同时监测;
所述读出电路系统(1)包括直流电压源(11)、单刀双掷开关(12)、第一固定电容器(13)、电感线圈副方(14)和分压电阻(15),单刀双掷开关(12)置于左端常闭端时,直流电压源(11)和固定电容器(13)串联构成电容充电回路;单刀双掷开关(12)置于右端常开端时,固定电容器(13)、电感线圈副方(14)和分压电阻(15)串联构成电容放电回路;信号处理模块(3)采集和处理分压电阻(15)两端的电压信号;
所述LC双谐振电路(2)包括电感线圈源方(21)、固定贴片电感器(22)、第一敏感电容(23)、第一敏感电阻(24)、第二敏感电阻(25)、第二固定电容器(26)、第三固定电容器(27)、第二敏感电容(28);
电感线圈源方(21)、第一敏感电阻(24)、第二固定电容器(26)串联再与第一敏感电容(23)并联;固定贴片电感器(22)、第二敏感电阻(25)、第三固定电容器(27)串联再与第一敏感电容(23)并联;第二固定电容器(26)、第三固定电容器(27)串联再与第二敏感电容(28)并联构成对称拓扑电路;
所述信号处理模块(3)包括ADC模数转换器(31)和FPGA(32);所述ADC模数转换器(31)的模拟信号输入端口接分压电阻(15)的两端,ADC模数转换器(31)采集到的数字信号输入FPGA(32)进行运算处理。
2.根据权利要求1所述基于FFT的LC三参数快速测量电路,其特征在于,所述第一敏感电阻(24)和第二敏感电阻(25)与第一敏感电容(23)和第二敏感电容(28)随三个被测参数变化而独立变化;所述的被测参数由敏感电容和敏感电阻种类决定。
3.一种根据权利要求1所述基于FFT的LC三参数快速测量电路的双参数检测方法,其特征在于,通过对读出电路系统(1)的脉冲响应电压信号进行采集分析计算出LC双谐振电路(2)的两个独立的谐振频率和品质因数Q值,再由两个谐振频率分别计算出第一敏感电容(23)和第二敏感电容(28)的大小,由品质因数Q值可以计算出第一敏感电阻(24)和第二敏感电阻(25),得出待测的三个参数值。
4.根据权利要求3所述的基于FFT的LC三参数快速测量电路的三参数检测方法,其特征在于,具体的检测方法为:
步骤1,当三个被测参数发生变化时,LC双谐振电路(2)的第一敏感电容(23)、第二敏感电容(28)、第一敏感电阻(24)和第二敏感电阻(25)分别随被测参数的变化而变化,从而导致LC双谐振电路(2)的两个谐振频率和品质因数Q值发生变化;
步骤2,读出电路系统(1)通过电感线圈副方(14)和电感线圈源方(21)的电感耦合进行信号传输;
步骤3,初始时开关置于直流电压源端,电容快速充满电,而后FPGA(32)控制开关跳转到另一端,电容对电感线圈副方回路放电形成振荡信号;
步骤4,采集并分析分压电阻上的振荡电压信号,即可得到LC双谐振电路(2)的两个独立的谐振频率和品质因数Q值;
步骤5,由LC双谐振电路(2)两个谐振频率和品质因数Q值即可计算出第一敏感电容(23)、第二敏感电容(28)、第一敏感电阻(24)和第二敏感电阻(25)的大小,进而得到三个被测参数。
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