CN219390985U - 一种无线无源传感系统信号的检测电路及检测装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种无线无源传感系统信号的检测电路及包含该检测电路的检测装置。所述检测电路采用互感耦合原理进行非接触式测量，其中选用扫频信号发生模块输出扫频信号，将输出的信号经过高阻抗前置放大电路，激励待测传感器线圈，再将互感耦合得到的信号连接到信号处理模块，其中包括双相相敏检波电路模块、相移模块和低通滤波电路，最后将输出的电压信号传递给单片机，计算出待测传感系统参数。所述检测电路能够滤除噪声，增大读出线圈的读出距离，提高了信号的信噪比，可实现更精准的得到待测LC传感器参数。

Description

一种无线无源传感系统信号的检测电路及检测装置

技术领域

本申请涉及LC无线无源传感技术，具体而言，涉及一种无线无源传感系统信号的检测电路及包含该检测电路的检测装置。

背景技术

随着物联网技术的发展，对传感器节点需求量大幅增长。其中LC无线无源技术，采用谐振回路(即LC传感器)，因其内部无需电池、结构简单，非常适用于医药、食品包装等密闭环境等需要进行无损检测的领域，以及适应于一些恶劣环境中，相较于有源传感器有更广阔的应用前景。

LC传感器信号的检测电路是依靠读出端的电感线圈与传感器的电感线圈之间的互感耦合，研究中通常采用阻抗分析仪和网络分析仪，其对传感器信号的读出精度较高，但其体积庞大成本高，不便于数据记录和工业应用。而目前小型化便携电路的研究较少，使用方法较为单一，其中信号处理部分对于不同环境的噪声信号并没有很好抑制效果，使得电路部分读出不稳定且精度较低，难以满足工业(市场)应用需求。

另外的，由于检测装置将被应用于不同复杂环境，噪声信号的影响随着环境变化而变化且不与频率相关，例如会受到工频噪声的干扰，且若传感器暴露在空气中，没有金属屏蔽，就无法避免工频噪声干扰的问题；若在较强的噪声环境中，微弱的传感器信号则被淹没，噪声信号的影响对传感器的信号检测灵敏度提升和环境适应性提升构成了极大的挑战。

因此，开发出新的、适应性更强的传感系统信号检测电路是有必要的。

实用新型内容

本申请实施例在于提供一种无线无源传感系统信号的检测电路及包含该电路的检测装置，能够大幅度抑制无用噪声，提高信号的信噪比，增加检测系统的精度。

第一方面，本申请实施例提供了一种无线无源传感系统信号的检测电路，所述检测电路包括依次顺序连接的扫频信号发生模块、双相相敏检波电路模块、单片机；其中，所述双相相敏检波电路模块包括第一相敏检波电路和第二相敏检波电路，所述第一相敏检波电路与第一低通滤波器连接，所述第二相敏检波电路与第二低通滤波器连接；所述扫频信号发生模块输出原始信号波，所述原始信号波经过所述双相相敏检波电路模块滤波处理后传递至单片机。

在上述的技术方案中，所述通过设计双相相敏检波电路可以实现在噪声信号中对有效的LC传感器信号进行提取，滤除噪声，使得检测电路更可靠稳定，提高检测电路的精度。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述检测电路还包括相移模块，所述相移模块设置于所述扫频信号发生模块与所述双相相敏检波电路模块之间。

在上述技术方案中，所述相移模块的设置可以使扫频信号发出的信号相移四分之一个周期，通过双相相敏检波电路模块后，将最终输出的电压信号用于对传感器参数特征的计算。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述检测电路设置有高阻抗前置放大电路和LC传感器读出线圈接口，所述高阻抗前置放大电路设置于所述扫频信号发生模块与所述双相相敏检波电路模块之间。

在上述技术方案中，所述高阻抗前置放大电路可以增强扫频信号发生模块发出的信号，方便后续与传感器的耦合及信号处理；增大信号输入阻抗，使得带负载的能力提高，减小了信号出现失真的可能，增加了后续读出线圈的读出距离，所述LC传感器读出线圈接口可以将经过处理的信号传送至读出线圈，以此实现对待测LC传感器进行互感耦合，从而得到传感器的参数。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述扫频信号发生模块包括扫频信号发生器，所述扫频信号发生器发射频率在1～12MHz之间。

在上述技术方案中，所述扫频信号发生器用以发出连续扫描变化的频率信号。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述扫频信号发生器发出正弦波扫频信号。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述正弦波的幅度为0-800mV。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述高阻抗前置放大电路包括电压跟随器与同向比例放大电路。

在上述技术方案中，所述高阻抗前置放大电路，设计信号增强电路，增大信号幅值，所述电压跟随器可以增大信号输入阻抗，使得带负载的能力提高，减小了信号出现失真的可能，增加了后续读出线圈的读出距离。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述相移模块为四分之一个周期相移。

第二方面，本申请提供一种检测装置，所述检测装置采用上述检测电路。

在上述的技术方案中，所述无线无源传感系统信号的检测电路工作时，增加对于LC传感器信号的读出的抗干扰能力、灵敏度、读出距离以及精度，大大提高了检测装置的环境适应性和可靠性。

本申请给出一种无线无源传感系统信号的检测电路，采用互感耦合原理进行非接触式测量，其中选用稳态响应的扫频读出测量法激励待测传感器线圈，从而得到被测传感器信息，并选用高阻抗前置放大电路，增强信号，增大了后续读出线圈的读出距离。在信号处理模块中选用相敏检波技术，采用同频基准信号作为参考输入信号，滤掉与其频率不同的噪声，从而提取出有用信号成分，相当于对电路进行了模拟的傅里叶变换，能够大幅度抑制无用噪声，提高了信号的信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请无线无源传感系统信号检测电路的框图示意图。

图2为本申请信号检测电路及检测装置工作示意图。

图3为扫频信号发生模块电路原理示意图。

图4为高阻抗前置放大电路原理示意图。

图5为LC传感器读出线圈接口电路原理示意图。

图6为双相相敏检波电路原理示意图。

图7为相移电路原理示意图。

图8为第一低通滤波电路原理示意图。

图9为第二低通滤波电路原理示意图。

图标：100-检测电路；10-扫频信号发生模块；20-双相相敏检波电路模块；30-单片机；40-相移模块；50-高阻抗前置放大电路；60-传感器读出线圈接口；70-LC传感器；101-互感耦合作用。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

在本申请实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本申请实施例的描述中，术语“多个”指的是两个以上(包括两个)，同理，“多组”指的是两组以上(包括两组)，“多片”指的是两片以上(包括两片)。

在本申请实施例的描述中，技术术语“中心”“上”“下”“前”“后”“竖向”“水平”“底”“内”“外”“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

传感器(英文名称：transducer/sensor)是能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求的检测装置。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体变得活了起来，传感器是人类五官的延长。传感器具有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化等特点，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

无线无源传感器也称为能量控制型传感器，它不需要外部电源。例如，电阻传感器，电容传感器，电感传感器等电路参数型传感器都属于无源传感器。换言之，无线无源传感器为不需要使用外来接电源的传感器且可以通过外部获取到无限制的能源的感应传感器。由于检测环境的复杂，对无线无源传感器的信噪比是有要求的，因此传感系统信号检测电路的改进尤为必要。

本申请提出一种无线无源传感系统信号的检测电路，采用扫频读出方法，并设计了信号增强电路，将增强后的扫频信号输出到LC传感器读出线圈上，随后将读出线圈与传感器线圈互感耦合后的信号进行信号处理，利用相敏检波技术，选用了双相相敏检波电路模块，抑制额外的噪声干扰，提高传感器信噪比，最后通过单片机计算出LC传感器的阻抗模和相位变化，从中能较为准确的获得LC传感器的特征参数。解决了LC传感器信号易受环境噪声影响的问题，能大幅度抑制无用噪声干扰，实现对LC传感器检测系统精度、灵敏度和可靠性的提高。

根据本申请的一些实施例，图1为本申请无线无源传感系统信号检测电路100的框图示意图。请参阅图1，所述检测电路100包括依次顺序连接的扫频信号发生模块10、双相相敏检波电路模块20、单片机30；其中，所述双相相敏检波电路模块20包括第一相敏检波电路和第二相敏检波电路，所述第一相敏检波电路与第一低通滤波器连接，所述第二相敏检波电路与第二低通滤波器连接；所述扫频信号发生模块10输出原始信号波，所述原始信号波经过所述双相相敏检波电路模块20滤波处理后传递至单片机30。具体的，采用扫频读出测量法，基于扫频模式的电路读取系统是使用连续扫描变化的频率信号激励传感器，然后通过读出线圈上的频率特性曲线获得LC传感器参数。

可选的，所述检测电路100还包括相移模块40，所述相移模块40设置与所述扫频信号发生模块10与所述双相相敏检波电路模块20之间，使扫频信号发出的信号相移四分之一个周期，通过相敏检波电路模块后，经过低通滤波，最终将输出的电压信号用于对传感器参数特征的计算。

可选的，检测电路100设置有高阻抗前置放大电路50和LC传感器读出线圈接口60，所述高阻抗前置放大电路50设置于所述扫频信号发生模块10与所述双相相敏检波电路模块20之间。所述高阻抗前置放大电路可以增强扫频信号发生模块发出的信号，方便后续与传感器的耦合及信号处理；增大信号输入阻抗，使得带负载的能力提高，减小了信号出现失真的可能，增加了后续读出线圈的读出距离，所述LC传感器读出线圈接口可以将经过处理的信号传送至读出线圈，以此实现对待测LC传感器进行互感耦合，从而得到传感器的参数。

可选的，所述扫频信号发生模块10包括扫频信号发生器，所述扫频信号发生器用以发出连续扫描变化的频率信号。在一些可能的实施例中，所述扫频信号发生器发射频率在1～12MHz之间。

可选的，所述扫频信号发生器发出正弦波扫频信号，所述正弦波的幅度为0～800mV。

可选的，所述高阻抗前置放大电路50包括电压跟随器，与同向比例放大电路，所述高阻抗前置放大电路，通过设计信号增强电路，增大信号幅值，所述电压跟随器可以增大信号输入阻抗，使得带负载的能力提高，减小了信号出现失真的可能，增加了后续读出线圈的读出距离。

可选的，所述相移模块40为四分之一周期相移。

图2为本申请一种信号检测电路工作示意图，所述检测电路包括如上所述的无线无源传感系统信号的检测电路100。具体的，所述传感器读出线圈接口40，可连接如上所述的无线无源传感系统信号的检测电路100，检测装置读出线圈41与LC传感器70线圈42产生互感耦合作用101，并将信号通过所述LC传感器读出线圈接口40传递出去。

如图3所示为扫频信号发生模块电路原理示意图。在一中可能的实施方式中，可选用AD9833作为扫频信号发生器，由单片机控制发出正弦波信号。具体的，由AD9833芯片(U6)，25MHz晶振(X1)，电容C12,电容C13，电容C15电容C16组成。将图中AD9833(U6)的5脚，连接到25MHz晶振(X1)的4脚。

如图4所示为高阻抗前置放大电路原理示意图。具体的，信号放大部分选择LM6172芯片，将图中3中C11连接到LM6172(U7)的3脚，3脚为运算放大器的同向端，信号通过一个电压跟随器(U7A)，增大其输入阻抗，再经过一个同向放大(U7B)，再连接稳压二极管Z2和双向瞬变抑制二极管Z1。其中C17，C18，C19，C20,均为滤波作用，最后通过分压电阻R26。如图5所示为LC传感器读出线圈接口电路原理示意图。如图6所示为双相相敏检波电路原理示意图。如图7所示为相移电路原理示意图。将图4分压电阻R26连接到图5LC传感器读出线圈接口1脚，再将所述传感器接口1脚引出两路，一路与图6U1的1脚连接，另外一路与图6U2的1脚连接。再从图3中的C11引出两路，其中一路直接与图6U1的9脚相连，另外一路连接到图7相移电路电容C1上，再将图7U5的7脚连接到图6U2的9脚上。

如图8所示为第一低通滤波电路原理示意图，图9为第二低通滤波电路原理示意图。可选的，所述低通滤波连接方式，将图6中U1的13脚与图8U3的R5与R10相连；图6中U2的13脚与图9中U4的R16与R14相连。最后将R6(如图8ADC1)和R15(如图9ADC2)连接到单片机，算出信号的相位变化和幅值，从而得到传感器的参数。即采用双相相敏检波电路，其中选扫频信号发生模块输出的波作为相敏检波器的参考输入端，共两路，其中一路接入前加一个相移模块再输入相敏检波电路参考信号端。最后将双相相敏检波电路的两路输出经过低通滤波，再将滤波完的这两路信号传递给单片机，由单片机计算出与传感器耦合后信号相位变化和幅值，从而得到LC传感器的参数。

本申请的无线无源传感系统信号的检测电路100具有通用性，可用于一般检测装置中。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无线无源传感系统信号的检测电路(100)，其特征在于，包括：

所述检测电路(100)包括依次顺序连接的扫频信号发生模块(10)、双相相敏检波电路模块(20)、单片机(30)；其中，所述双相相敏检波电路模块(20)包括第一相敏检波电路和第二相敏检波电路，所述第一相敏检波电路与第一低通滤波器连接，所述第二相敏检波电路与第二低通滤波器连接；所述扫频信号发生模块(10)输出原始信号波，所述原始信号波经过所述双相相敏检波电路模块(20)滤波处理后传递至单片机(30)。

2.根据权利要求1所述的无线无源传感系统信号的检测电路，其特征在于，所述检测电路(100)还包括相移模块(40)，所述相移模块(40)设置于所述扫频信号发生模块(10)与所述双相相敏检波电路模块(20)之间。

3.根据权利要求1或2所述的无线无源传感系统信号的检测电路，其特征在于，所述检测电路(100)设置有高阻抗前置放大电路(50)和LC传感器读出线圈接口(60)，所述高阻抗前置放大电路(50)设置于所述扫频信号发生模块(10)与所述双相相敏检波电路模块(20)之间。

4.根据权利要求3所述的无线无源传感系统信号的检测电路，其特征在于，所述扫频信号发生模块(10)包括扫频信号发生器，所述扫频信号发生器发射频率可以连续变化。

5.根据权利要求4所述的无线无源传感系统信号的检测电路，其特征在于，所述扫频信号发生器发出正弦波扫频信号。

6.根据权利要求5所述的无线无源传感系统信号的检测电路，其特征在于，所述正弦波的幅度为0-800mV。

7.根据权利要求3所述的无线无源传感系统信号的检测电路，其特征在于，所述高阻抗前置放大电路(50)包括电压跟随器与同向比例放大电路。

8.根据权利要求2所述的无线无源传感系统信号的检测电路，其特征在于，所述相移模块(40)为四分之一个周期相移。

9.一种检测装置，其特征在于，所述检测装置包含如权利要求1～2或权利要求4～8任一权利要求所述的无线无源传感系统信号的检测电路。