一種基于lc諧振傳感器的力學參數(shù)測量系統(tǒng)與測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于LC諧振傳感器的力學參數(shù)測量系統(tǒng)與測量方法，所述系統(tǒng)包括DDS掃頻信號源模塊、高頻功率放大器模塊、第一移相器、第二移相器、互感耦合前端模塊、相差檢測模塊、信號采集模塊、中央處理單元；當系統(tǒng)對前端讀取天線施加正弦交變激勵信號時，如果遠端被測環(huán)境中的LC諧振傳感器與之發(fā)生電磁互感耦合，將導致讀取天線端輸入阻抗發(fā)生改變，從而使得天線端正弦交變激勵信號的相頻曲線產(chǎn)生一個與LC傳感器諧振頻率相關的峰值，通過提取峰值處的頻率，得到LC諧振傳感器的諧振頻率變化，就可以推算出環(huán)境中被測力學參數(shù)的變化。
【專利說明】一種基于LC諧振傳感器的力學參數(shù)測量系統(tǒng)與測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及LC諧振傳感器【技術領域】，尤其涉及的是一種LC諧振傳感器阻抗相位參量檢測的力學參數(shù)測量系統(tǒng)與測量方法。
【背景技術】
[0002]隨著現(xiàn)代醫(yī)療、航天和國家重大工程研究等方面對極端惡劣環(huán)境下參數(shù)測試需求的增長，傳統(tǒng)的測試方法與測試手段已經(jīng)表現(xiàn)出很大的局限性，某些惡劣環(huán)境下(諸如高溫、高壓)的關鍵參數(shù)測試仍然是盲區(qū)。傳統(tǒng)的力學傳感器多是基于硅基的MEMS結構，測量方法與測試系統(tǒng)的構建都是使用物理導線進行電信號連接，但在極端惡劣環(huán)境下，傳統(tǒng)的傳感器力學彈性結構失穩(wěn)，導線失效，同時也不適合用電池給傳感器供電。采用無源無線LC諧振傳感器通過非接觸測量的方法可以有效解決惡劣環(huán)境下傳感器對關鍵參數(shù)的敏感與測試問題。
[0003]目前，該類型的傳感器研制在我國剛剛起步，無源無線LC傳感器的測量與標定通常使用大型測量儀器，搭建復雜和精度差的測量系統(tǒng)完成，這種低層次實驗室測量方法越來越不能滿足LC諧振傳感器實際工程應用測試環(huán)境的要求。無源無線LC傳感器的測量都是在實驗室采用阻抗分析儀來進行信號測試，但是由于阻抗分析儀體積大，重量重，移動十分不方便，不可直接應用于實際的工程測試中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決惡劣環(huán)境下(諸如高溫、高壓)的力學參數(shù)測試中，傳統(tǒng)的測試方法與測試手段存在很大的局限性、依賴于體積龐大的阻抗測試儀器、硬件難以實現(xiàn)及精度低等問題，提出了一種基于電磁互感耦合LC諧振傳感器的力學參數(shù)測量系統(tǒng)及方法。
[0005]本發(fā)明的一方面是提出一種基于電磁互感耦合的相位測量方法，該方法通過檢測讀取天線端由于互感耦合導致正弦交變信號的相頻曲線變化，讀取遠端被測環(huán)境中LC無線無源傳感器的諧振頻率變化。
[0006]所述測量方法的基本原理是:當系統(tǒng)對前端讀取天線施加正弦交變激勵信號時，如果遠端被測環(huán)境中的LC諧振傳感器與之發(fā)生電磁互感耦合，將導致讀取天線端輸入阻抗發(fā)生改變，從而使得天線端正弦交變激勵信號的相頻曲線產(chǎn)生一個與LC傳感器諧振頻率相關的峰值，通過提取峰值處的頻率，得到LC諧振傳感器的諧振頻率變化，就可以推算出環(huán)境中被測力學參數(shù)的變化。
[0007]—種基于LC諧振傳感器的力學參數(shù)測量系統(tǒng)，包括DDS掃頻信號源模塊、高頻功率放大器模塊、第一移相器、第二移相器、互感耦合前端模塊、相差檢測模塊、信號采集模塊、中央處理單元；互感耦合前端模塊包括讀取天線和無線無源LC諧振傳感器，二者之間通過電磁互感耦合組成互感耦合前端模塊；DDS掃頻信號源接收到中央處理單元的數(shù)字頻率控制字后，生成系統(tǒng)所需的測試正弦交變源信號，該源信號經(jīng)過高頻功放模塊放大后，能夠驅動讀取天線與無線無源LC諧振傳感器進行電磁互感耦合；第二移相器將該源信號進行移相處理后送入相差檢測模塊的A端口，第一移相器將該源信號進行移相處理后送入讀取天線，保證其穩(wěn)態(tài)下的相差輸出；驅動讀取天線后的交變信號送入相差檢測模塊的B端口，相差檢測模塊將前述兩個信號的相位差值輸出為對應的直流電平，電平幅值對應相應的相位差值，該輸出值也表征了無線無源LC諧振傳感器的諧振頻率；信號采集模塊實時采集相差檢測模塊所輸出的直流電平并進行量化，并將量化后的相差數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元進行處理，中央處理單元接收到量化后的相差數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行計算，計算得到無線無源LC諧振傳感器的諧振頻率以及被測環(huán)境的敏感參數(shù)，并將結果以異步串行方式輸出。
[0008]基于所述的測量系統(tǒng)測量方法，包括以下步驟:
[0009]I)將無線無源LC諧振傳感器置于被測環(huán)境中，將所述的讀取天線與無線無源LC諧振傳感器的電感線圈同軸正對平行放置；
[0010]2)測量系統(tǒng)啟動后，由中央處理單元控制DDS掃頻信號源模塊產(chǎn)生線性掃頻激勵信號經(jīng)過高頻功率放大器對其驅動能力進行放大后，一路輸入至后端的第一移相器進行移相處理后發(fā)送至讀取天線；另一路輸入至第二移相器經(jīng)移相處理后發(fā)送至相差檢測模塊的A端口；
[0011]3)經(jīng)過讀取天線的激勵信號，由于互感耦合，輸出信號的激勵信號阻抗特征發(fā)生變化，將該輸出信號和A端口輸入的信號交由相差檢測模塊進行相位差值測試，該相差檢測模塊將所述的兩個信號的相位差值輸出對應的直流電平，電平幅值對應相應的相位差值；
[0012]4)信號采集模塊實時采集相差檢測模塊所輸出的直流電平并進行量化，并將量化后的相差數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元進行處理；
[0013]5)中央處理單元接收到量化后的相差數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行計算，計算得到LC諧振傳感器的諧振頻率以及被測環(huán)境的敏感參數(shù)，并將結果以異步串行方式輸出。
[0014]本發(fā)明提出的相位測量方法和測量系統(tǒng)，實現(xiàn)小型便攜式模塊化設計，安裝方便，測試精度高，抗環(huán)境干擾能力強，很好的解決了非接觸式LC諧振傳感器在測試環(huán)節(jié)遇到的關鍵問題。主要的有益效果包括以下三點:
[0015]I)本發(fā)明測量系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)的阻抗測試儀器，精簡并模塊化了傳感器測量系統(tǒng)，并且突破了只局限于實驗室的測量，能夠運用到現(xiàn)代醫(yī)療、航天和工業(yè)等方面工程測量中，并且能夠滿足和提高對測量的要求；
[0016]2)本發(fā)明測量系統(tǒng)利用非接觸的阻抗相位測量方法解決了傳統(tǒng)測量方法中存在的硬件難以實現(xiàn)，精度低，抗干擾能力差及不能在極端環(huán)境下使用等問題；
[0017]3)本發(fā)明測量系統(tǒng)解決了高溫、高壓等惡劣環(huán)境下的難題，避免了高溫高壓環(huán)境下有線測量產(chǎn)生電路失效和電引線退化等問題，對在航天、核電等工程應用中具有重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為LC諧振傳感器互感耦合模型；
[0019]圖2為相位檢測原理曲線；
[0020]圖3為測量系統(tǒng)結構示意圖；【具體實施方式】
[0021]以下結合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。
[0022]本發(fā)明的LC諧振傳感器力學參數(shù)測量系統(tǒng)是基于圖1所示的耦合模型提出的，其中L1、R1、Cl分別為讀取天線、天線的電阻和串聯(lián)電容，L2、C2分別為傳感器端的電感線圈及對力學參數(shù)敏感的可變電容，R2是寄生在LC諧振回路中的串聯(lián)電阻。當系統(tǒng)對前端讀取天線施加正弦交變激勵信號Ul時，如果遠端被測環(huán)境中的LC諧振傳感器與讀取天線發(fā)生電磁互感耦合，將導致讀取天線端輸入阻抗Zi發(fā)生改變，從而使得天線端正弦交變激勵信號的相頻曲線產(chǎn)生一個與LC諧振傳感器諧振頻率相關的峰值，如圖2所示，通過提取峰值處的頻率，得到LC諧振傳感器的諧振頻率變化，就可以推算出環(huán)境中被測力學參數(shù)的變化。
[0023]本發(fā)明的基于LC諧振傳感器的力學參數(shù)測量系統(tǒng)的結構如圖3所示。該測量系統(tǒng)包括DDS(直接數(shù)字頻率合成技術)掃頻信號源模塊、高頻功率放大器模塊、第一移相器、第二移相器、互感耦合前端模塊、相差檢測模塊、信號采集模塊、中央處理單元。互感耦合前端模塊包括讀取天線和無線無源LC諧振傳感器，二者之間通過電磁互感耦合組成互感耦合前端模塊。DDS掃頻信號源接收到中央處理單元的數(shù)字頻率控制字后，生成系統(tǒng)所需的測試正弦交變源信號，該源信號經(jīng)過高頻功放模塊放大后，可以驅動讀取天線與無線無源LC諧振傳感器進行電磁互感耦合；第二移相器將該源信號進行移相處理后送入相差檢測模塊的A端口，第一移相器將該源信號進行移相處理后送入讀取天線，保證其穩(wěn)態(tài)下的相差輸出；驅動讀取天線后的交變信號送入相差檢測模塊的B端口，相差檢測模塊將前述兩個信號的相位差值輸出為對應的直流電平，電平幅值對應相應的相位差值，該輸出值也表征了無線無源LC諧振傳感器的諧振頻率；信號采集模塊實時采集相差檢測模塊所輸出的直流電平并進行量化，并將量化后的相差數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元進行處理，中央處理單元接收到量化后的相差數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行計算，計算得到無線無源LC諧振傳感器的諧振頻率以及被測環(huán)境的敏感參數(shù)，并將結果以異步串行方式輸出。
[0024]該基于LC諧振傳感器的力學參數(shù)測量系統(tǒng)的測試方法，包括如下步驟:
[0025]I)將無線無源LC諧振傳感器置于被測環(huán)境中，將本發(fā)明裝置中的前端讀取天線與無線無源LC諧振傳感器的電感線圈同軸正對平行放置，此時，被測環(huán)境中的諧振傳感器由于敏感參數(shù)未發(fā)生變化，所測試值為靜態(tài)輸出；
[0026]2)測量系統(tǒng)啟動工作后，由中央處理單元控制DDS掃頻信號源模塊產(chǎn)生線性掃頻激勵信號經(jīng)過高頻功率放大器對其驅動能力進行放大后，一路輸入至后端的第一移相器進行移相處理后，發(fā)送至讀取天線，該激勵信號頻率范圍覆蓋遠端LC傳感器諧振頻率變化范圍，經(jīng)高頻功率放大器后可以驅動讀取天線與傳感器互感耦合工作的能力；另一路輸入至第二移相器經(jīng)移相處理后發(fā)送至相差檢測模塊的A端口。
[0027]3)經(jīng)過讀取天線的激勵信號，由于互感耦合，輸出信號的激勵信號阻抗特征發(fā)生變化，將該輸出信號和A端口輸入的信號交由相差檢測模塊進行相位差值測試，該相差檢測模塊會將前述兩個信號的相位差值輸出對應的直流電平，電平幅值對應相應的相位差值；
[0028]4)信號采集模塊實時采集相差檢測模塊所輸出的直流電平并進行量化，并將量化后的相差數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元進行處理；[0029]5)中央處理單元接收到量化后的相差數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行計算，計算得到LC諧振傳感器的諧振頻率以及被測環(huán)境的敏感參數(shù)，并將結果以異步串行方式輸出。
[0030]應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。
【權利要求】
1.一種基于LC諧振傳感器的力學參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，包括DDS掃頻信號源模塊、高頻功率放大器模塊、第一移相器、第二移相器、互感耦合前端模塊、相差檢測模塊、信號采集模塊、中央處理單元；互感耦合前端模塊包括讀取天線和無線無源LC諧振傳感器，二者之間通過電磁互感耦合組成互感耦合前端模塊；DDS掃頻信號源接收到中央處理單元的數(shù)字頻率控制字后，生成系統(tǒng)所需的測試正弦交變源信號，該源信號經(jīng)過高頻功放模塊放大后，能夠驅動讀取天線與無線無源LC諧振傳感器進行電磁互感耦合；第二移相器將該源信號進行移相處理后送入相差檢測模塊的A端口，第一移相器將該源信號進行移相處理后送入讀取天線，保證其穩(wěn)態(tài)下的相差輸出；驅動讀取天線后的交變信號送入相差檢測模塊的B端口，相差檢測模塊將前述兩個信號的相位差值輸出為對應的直流電平，電平幅值對應相應的相位差值，該輸出值也表征了無線無源LC諧振傳感器的諧振頻率；信號采集模塊實時采集相差檢測模塊所輸出的直流電平并進行量化，并將量化后的相差數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元進行處理，中央處理單元接收到量化后的相差數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行計算，計算得到無線無源LC諧振傳感器的諧振頻率以及被測環(huán)境的敏感參數(shù)，并將結果以異步串行方式輸出。
2.基于權利要求1所述的測量系統(tǒng)測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將無線無源LC諧振傳感器置于被測環(huán)境中，將所述的讀取天線與無線無源LC諧振傳感器的電感線圈同軸正對平行放置； 2)測量系統(tǒng)啟動后，由中央處理單元控制DDS掃頻信號源模塊產(chǎn)生線性掃頻激勵信號經(jīng)過高頻功率放大器對其驅動能力進行放大后，一路輸入至后端的第一移相器進行移相處理后發(fā)送至讀取天線；另一路輸入至第二移相器經(jīng)移相處理后發(fā)送至相差檢測模塊的A端Π ； 3)經(jīng)過讀取天線的激勵信號，由于互感耦合，輸出信號的激勵信號阻抗特征發(fā)生變化，將該輸出信號和A端口輸入的信號交由相差檢測模塊進行相位差值測試，該相差檢測模塊將所述的兩個信號的相位差值輸出對應的直流電平，電平幅值對應相應的相位差值； 4)信號采集模塊實時采集相差檢測模塊所輸出的直流電平并進行量化，并將量化后的相差數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元進行處理； 5)中央處理單元接收到量化后的相差數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行計算，計算得到LC諧振傳感器的諧振頻率以及被測環(huán)境的敏感參數(shù)，并將結果以異步串行方式輸出。
【文檔編號】G01D5/243GK103727964SQ201310590178
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權日:2013年11月22日
【發(fā)明者】熊繼軍, 洪應平, 梁庭, 李丹丹, 鄭庭麗, 任重, 李晨, 李賽男 申請人:中北大學