一种基于LC谐振传感器的力学参数测量系统与测量方法

摘要

本发明公开了一种基于LC谐振传感器的力学参数测量系统与测量方法，所述系统包括DDS扫频信号源模块、高频功率放大器模块、第一移相器、第二移相器、互感耦合前端模块、相差检测模块、信号采集模块、中央处理单元；当系统对前端读取天线施加正弦交变激励信号时，如果远端被测环境中的LC谐振传感器与之发生电磁互感耦合，将导致读取天线端输入阻抗发生改变，从而使得天线端正弦交变激励信号的相频曲线产生一个与LC传感器谐振频率相关的峰值，通过提取峰值处的频率，得到LC谐振传感器的谐振频率变化，就可以推算出环境中被测力学参数的变化。

说明书

技术领域

本发明涉及LC谐振传感器技术领域，尤其涉及的是一种LC谐振传感器阻抗相位 参量检测的力学参数测量系统与测量方法。

背景技术

随着现代医疗、航天和国家重大工程研究等方面对极端恶劣环境下参数测试需求的 增长，传统的测试方法与测试手段已经表现出很大的局限性，某些恶劣环境下(诸如高 温、高压)的关键参数测试仍然是盲区。传统的力学传感器多是基于硅基的MEMS结构， 测量方法与测试系统的构建都是使用物理导线进行电信号连接，但在极端恶劣环境下， 传统的传感器力学弹性结构失稳，导线失效，同时也不适合用电池给传感器供电。采用 无源无线LC谐振传感器通过非接触测量的方法可以有效解决恶劣环境下传感器对关键 参数的敏感与测试问题。

目前，该类型的传感器研制在我国刚刚起步，无源无线LC传感器的测量与标定通 常使用大型测量仪器，搭建复杂和精度差的测量系统完成，这种低层次实验室测量方法 越来越不能满足LC谐振传感器实际工程应用测试环境的要求。无源无线LC传感器的 测量都是在实验室采用阻抗分析仪来进行信号测试，但是由于阻抗分析仪体积大，重量 重，移动十分不方便，不可直接应用于实际的工程测试中。

发明内容

本发明为了解决恶劣环境下(诸如高温、高压)的力学参数测试中，传统的测试方 法与测试手段存在很大的局限性、依赖于体积庞大的阻抗测试仪器、硬件难以实现及精 度低等问题，提出了一种基于电磁互感耦合LC谐振传感器的力学参数测量系统及方法。

本发明的一方面是提出一种基于电磁互感耦合的相位测量方法，该方法通过检测读 取天线端由于互感耦合导致正弦交变信号的相频曲线变化，读取远端被测环境中LC无 线无源传感器的谐振频率变化。

所述测量方法的基本原理是：当系统对前端读取天线施加正弦交变激励信号时，如 果远端被测环境中的LC谐振传感器与之发生电磁互感耦合，将导致读取天线端输入阻 抗发生改变，从而使得天线端正弦交变激励信号的相频曲线产生一个与LC传感器谐振 频率相关的峰值，通过提取峰值处的频率，得到LC谐振传感器的谐振频率变化，就可 以推算出环境中被测力学参数的变化。

一种基于LC谐振传感器的力学参数测量系统，包括DDS扫频信号源模块、高频功 率放大器模块、第一移相器、第二移相器、互感耦合前端模块、相差检测模块、信号采 集模块、中央处理单元；互感耦合前端模块包括读取天线和无线无源LC谐振传感器， 二者之间通过电磁互感耦合组成互感耦合前端模块；DDS扫频信号源接收到中央处理单 元的数字频率控制字后，生成系统所需的测试正弦交变源信号，该源信号经过高频功放 模块放大后，能够驱动读取天线与无线无源LC谐振传感器进行电磁互感耦合；第二移 相器将该源信号进行移相处理后送入相差检测模块的A端口，第一移相器将该源信号进 行移相处理后送入读取天线，保证其稳态下的相差输出；驱动读取天线后的交变信号送 入相差检测模块的B端口，相差检测模块将前述两个信号的相位差值输出为对应的直流 电平，电平幅值对应相应的相位差值，该输出值也表征了无线无源LC谐振传感器的谐 振频率；信号采集模块实时采集相差检测模块所输出的直流电平并进行量化，并将量化 后的相差数据传输至中央处理单元进行处理，中央处理单元接收到量化后的相差数据 后，对数据进行计算，计算得到无线无源LC谐振传感器的谐振频率以及被测环境的敏 感参数，并将结果以异步串行方式输出。

基于所述的测量系统测量方法，包括以下步骤：

1)将无线无源LC谐振传感器置于被测环境中，将所述的读取天线与无线无源LC 谐振传感器的电感线圈同轴正对平行放置；

2)测量系统启动后，由中央处理单元控制DDS扫频信号源模块产生线性扫频激励 信号经过高频功率放大器对其驱动能力进行放大后，一路输入至后端的第一移相器进行 移相处理后发送至读取天线；另一路输入至第二移相器经移相处理后发送至相差检测模 块的A端口；

3)经过读取天线的激励信号，由于互感耦合，输出信号的激励信号阻抗特征发生 变化，将该输出信号和A端口输入的信号交由相差检测模块进行相位差值测试，该相差 检测模块将所述的两个信号的相位差值输出对应的直流电平，电平幅值对应相应的相位 差值；

4)信号采集模块实时采集相差检测模块所输出的直流电平并进行量化，并将量化 后的相差数据传输至中央处理单元进行处理；

5)中央处理单元接收到量化后的相差数据后，对数据进行计算，计算得到LC谐振 传感器的谐振频率以及被测环境的敏感参数，并将结果以异步串行方式输出。

本发明提出的相位测量方法和测量系统，实现小型便携式模块化设计，安装方便， 测试精度高，抗环境干扰能力强，很好的解决了非接触式LC谐振传感器在测试环节遇 到的关键问题。主要的有益效果包括以下三点：

1)本发明测量系统替代了传统的阻抗测试仪器，精简并模块化了传感器测量系统， 并且突破了只局限于实验室的测量，能够运用到现代医疗、航天和工业等方面工程测量 中，并且能够满足和提高对测量的要求；

2)本发明测量系统利用非接触的阻抗相位测量方法解决了传统测量方法中存在的 硬件难以实现，精度低，抗干扰能力差及不能在极端环境下使用等问题；

3)本发明测量系统解决了高温、高压等恶劣环境下的难题，避免了高温高压环境 下有线测量产生电路失效和电引线退化等问题，对在航天、核电等工程应用中具有重要 意义。

附图说明

图1为LC谐振传感器互感耦合模型；

图2为相位检测原理曲线；

图3为测量系统结构示意图；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

本发明的LC谐振传感器力学参数测量系统是基于图1所示的耦合模型提出的，其 中L1、R1、C1分别为读取天线、天线的电阻和串联电容，L2、C2分别为传感器端 的电感线圈及对力学参数敏感的可变电容，R2是寄生在LC谐振回路中的串联电阻。 当系统对前端读取天线施加正弦交变激励信号U1时，如果远端被测环境中的LC谐振 传感器与读取天线发生电磁互感耦合，将导致读取天线端输入阻抗Zi发生改变，从而 使得天线端正弦交变激励信号的相频曲线产生一个与LC谐振传感器谐振频率相关的峰 值，如图2所示，通过提取峰值处的频率，得到LC谐振传感器的谐振频率变化，就可 以推算出环境中被测力学参数的变化。

本发明的基于LC谐振传感器的力学参数测量系统的结构如图3所示。该测量系统 包括DDS(直接数字频率合成技术)扫频信号源模块、高频功率放大器模块、第一移 相器、第二移相器、互感耦合前端模块、相差检测模块、信号采集模块、中央处理单元。 互感耦合前端模块包括读取天线和无线无源LC谐振传感器，二者之间通过电磁互感耦 合组成互感耦合前端模块。DDS扫频信号源接收到中央处理单元的数字频率控制字后， 生成系统所需的测试正弦交变源信号，该源信号经过高频功放模块放大后，可以驱动读 取天线与无线无源LC谐振传感器进行电磁互感耦合；第二移相器将该源信号进行移相 处理后送入相差检测模块的A端口，第一移相器将该源信号进行移相处理后送入读取 天线，保证其稳态下的相差输出；驱动读取天线后的交变信号送入相差检测模块的B 端口，相差检测模块将前述两个信号的相位差值输出为对应的直流电平，电平幅值对应 相应的相位差值，该输出值也表征了无线无源LC谐振传感器的谐振频率；信号采集模 块实时采集相差检测模块所输出的直流电平并进行量化，并将量化后的相差数据传输至 中央处理单元进行处理，中央处理单元接收到量化后的相差数据后，对数据进行计算， 计算得到无线无源LC谐振传感器的谐振频率以及被测环境的敏感参数，并将结果以异 步串行方式输出。

该基于LC谐振传感器的力学参数测量系统的测试方法，包括如下步骤：

1)将无线无源LC谐振传感器置于被测环境中，将本发明装置中的前端读取天线与 无线无源LC谐振传感器的电感线圈同轴正对平行放置，此时，被测环境中的谐振传感 器由于敏感参数未发生变化，所测试值为静态输出；

2)测量系统启动工作后，由中央处理单元控制DDS扫频信号源模块产生线性扫频 激励信号经过高频功率放大器对其驱动能力进行放大后，一路输入至后端的第一移相器 进行移相处理后，发送至读取天线，该激励信号频率范围覆盖远端LC传感器谐振频率 变化范围，经高频功率放大器后可以驱动读取天线与传感器互感耦合工作的能力；另一 路输入至第二移相器经移相处理后发送至相差检测模块的A端口。

3)经过读取天线的激励信号，由于互感耦合，输出信号的激励信号阻抗特征发生 变化，将该输出信号和A端口输入的信号交由相差检测模块进行相位差值测试，该相差 检测模块会将前述两个信号的相位差值输出对应的直流电平，电平幅值对应相应的相位 差值；

4)信号采集模块实时采集相差检测模块所输出的直流电平并进行量化，并将量化 后的相差数据传输至中央处理单元进行处理；

5)中央处理单元接收到量化后的相差数据后，对数据进行计算，计算得到LC谐 振传感器的谐振频率以及被测环境的敏感参数，并将结果以异步串行方式输出。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。