使用两个继电器开关用于多功能LC无源无线传感器系统

摘要

随着科学技术的发展，能够同时检测多个参数的传感网络的需求越来越多。LC无源无线多功能传感器系统作为一种植入式装置，在大规模食品质量的检测等领域具有诸多的应用。同时LC无源无线多功能传感器系统与传统的分立传感器相比，具有检测系统简单、成本低、尺寸小的优势。 本论文提出了一种基于双继电器开关的多功能LC无源无线传感系统，并对提出的LC无源无线传感系统进行建模、仿真和实验验证，最终系统输出多个谐振频率的信号，表明系统具有同时测量多个参数的功能。 本论文提出的LC型无源无线传感系统通过两个开关控制三个不同的电容式传感器，从而达到同时检测三个参数的目的。传感系统包括电感线圈、三个电容和两个开关。传感器线圈顺序并联三个不同的电容，其间依次串联两个开关，从而构成三个不同的LC谐振电路。读取线圈与传感器线圈通过磁耦合，以无线方式访问传感器并感应出电压，从而控制两个开关。 本论文使用ADS软件对该LC传感系统进行建模和仿真，软件中使用三个独立的模块分别表示压力传感器、相对湿度传感器和温度传感器所对应的三种不同的谐振频率，并设置两个工作在不同阈值上电磁继电器开关，从而该LC传感系统的三个电容传感器能够同时测量三个传感参数。此外，本论文使用MATHLAB软件对此多功能LC传感系统进行了理论分析和验证。 本论文为了验证理论模型和仿真的准确性，在电路板上搭建了此传感系统，包含三个不同外部参数的PCB电感、两个开关和三个可变电容。实验结果表明，在两个机械开关关断的时候，并将两个开关的寄生电容考虑在内，测得的第一谐振频率为30MHz，可变电容器C1为30pF，C2和C3固定为50pF。打开第一个开关(Sw1)，调节C2电容为30pF，而C1和C3固定在50pF，使第二个谐振频率为27MHz。当两个开关Swi和Sw2都打开时，通过将C1和C2固定在50pF，并且C3变为30pF时，得到第三个谐振频率响应约为25MHz。实验结果与模拟结果符合，表明本论文提出的LC传感系统可以通过检测三种不同的谐振频率来同时测试三种不同的传感器。

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ABSTRACT

摘要

Contents

Chapter 4 SIMULATIONS AND EXPERIMENTS OF LC SENSORS SYSTEM 33

Chapter 1 INTRODUCTION

1.1 Background

1.2 Research state of multifunctional LC Passive Wireless Sensing System

1.2.1 Specific winding stacked inductors approach

1.2.2 Multifunctional LC sensors system using a relay switch

1.3 Thesis Organization

1.4 Conclusion

Chapter 2 BASIC MECHANISM OF LC SENSORS SYSTEM

2.1 Working principle of LC passive wireless sensors

2.1.1 Construction of LC Passive Wireless Sensor

2.2 Intrinsic Parameters of LC sensors

2.2.1 Resonant Frequency of parallel LC Sensor

2.2.2 Q-Factor of parallel LC Sensor

2.2.3 Coupling coefficient k and mutual inductance M of parallel LC Sensor

2.3 Basic components of LC Sensors

2.3.1 Capacitor

2.3.2 Inductor

2.3.3 Resistor

2.4 Conclusion

Chapter 3 DESIGN AND ANALYSIS OF MULTIFUNCTION LC SENSORS SYSTEM

3.1 Proposed Multifunctional LC passive wireless sensors system

3.1.1 PCB layout representation in 2D

3.1.2 Schematic circuit and actual circuit representation

3.1.3 Schematic representation of working principle

3.2 Mathematical analysis of triple parameter monitoring LC sensors system

3.2.1 Both switches (???????????? and ????????????) in off-state

3.2.2 ????????1 in on-state and ????????2 in off-state

3.2.3 Both switches (???????????? and ????????????) in on-state

3.3 Conclusion

Chapter 4 SIMULATIONS AND EXPERIMENTS OF LC SENSORS SYSTEM

4.1 Simulation tool (ADS 2011)

4.2 Modeling of LC sensor system in ADS

4.2.1 Schematic modelling of LC sensor system in ADS

4.2.2 Layout modeling of LC sensor system in ADS

4.3 Simulation Setups for the detection of ????????, ???????? and ????????

4.4 Simulation results with different values of capacitor ????????

4.5 Experimental setup and results

4.6 Conclusion

Acknowledgement

References

Figures

Tables

Acronyms

Author’s Bibliography