定頻模式下的lc諧振傳感器讀取系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種定頻模式下的LC諧振傳感器讀取系統(tǒng)及其方法，解決了現(xiàn)在LC諧振傳感器讀取裝置存在精度低、穩(wěn)定性差、響應速度慢、誤差大等缺點。該系統(tǒng)包括輸出端、輸入端依次連接的信號源模塊、天線測試端、峰值檢波模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、中央處理模塊以及顯示模塊，同時中央處理模塊的輸出端又分別與信號采集模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊的輸入端連接。本發(fā)明讀取系統(tǒng)原理簡單，結構合理科學，該系統(tǒng)中設計有完善的峰值檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對LC諧振傳感器信號的高精度、高頻響、穩(wěn)定地實時測量，提高了整個測量系統(tǒng)的頻率響應速度和精確度，有利于以后更進一步對傳感器的高精度、快響應頻率測量技術方面的研究。
【專利說明】定頻模式下的LC諧振傳感器讀取系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器測試【技術領域】，具體是一種定頻模式下的LC諧振傳感器讀取 系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]在很多傳感器的應用場合，由于環(huán)境的限制，不能直接接觸測量傳感器的信號，特 別是在一些高溫、潮濕等惡劣環(huán)境下，例如高溫環(huán)境的壓力測量、可植入的生物體壓力測 量、濕度檢測、輪胎內(nèi)部的壓力測量等，用有線測量會產(chǎn)生許多電路失效、供電等問題，如果 采用非接觸方式測量傳感器所檢測到的信號將會解決這一系列問題。而目前基于可變電容 敏感結構的諧振式傳感器具有良好的重復性、分辨力和穩(wěn)定性，因而成為當今人們研究的 重點。由于諧振式傳感器有許多優(yōu)點，適用于非接觸方式測量參數(shù)，如壓力、流量、溫度、濕 度、液位、密度和氣體成分的測量等，也適用于高溫、潮濕等惡劣環(huán)境，在醫(yī)療、航天和工業(yè) 等方面具有很廣泛的應用前景。
[0003]到目前為止，讀取諧振式傳感器電容變化的信號的方法有很多種，在測試天線端 檢測遠端傳感器的LC諧振電路電容變化引起的信號表征量的變化，如輸入端的信號阻抗 幅值、相位、實部虛部等，進而可以分析LC諧振傳感器的電容變化量。由于諧振傳感器的諧 振頻率變化在一定范圍內(nèi)，上述檢測方法均需提供線性或者指數(shù)型掃頻模擬信號源，所以 在掃頻周期上大大降低了 LC諧振傳感器敏感前端的頻響性能，影響測試效果；同時在測量 精度上也極大程度依賴于信號源的輸出精度和讀取電路的采樣率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術中存在的問題，而提供一種定頻模式下的 LC諧振傳感器讀取系統(tǒng)及方法。本發(fā)明讀取系統(tǒng)中設計有完善的峰值檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對 LC諧振傳感器信號的高精度高頻響實時測量，提高測試系統(tǒng)的整體性能。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
一種定頻模式下的LC諧振傳感器讀取系統(tǒng)，包括信號源模塊、天線測試端、峰值檢波 模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、中央處理模塊以及顯示模塊；其中，信號源模塊的輸出 端與天線測試端的輸入端連接，天線測試端的輸出端與峰值檢波模塊的輸入端連接，峰值 檢波模塊的輸出端與信號采集模塊的輸入端連接，信號采集模塊的輸出端與數(shù)據(jù)存儲模塊 的輸入端連接，數(shù)據(jù)存儲模塊的輸出端與中央處理模塊的輸入端連接，中央處理模塊的輸 出端與顯示模塊的輸入端連接，同時中央處理模塊的輸出端又分別與信號采集模塊和數(shù)據(jù) 存儲模塊的輸入端連接。
[0006]上述各模塊中，信號源模塊可產(chǎn)生固定頻率的信號；測試天線端用于與被測LC諧 振傳感器的線圈耦合，LC諧振傳感器的諧振頻率發(fā)生變化引起測試天線端特征參數(shù)的變 化；峰值檢波模塊是檢測測試天線端輸出信號的峰值，得出所需的峰值曲線；信號采集模 塊是將峰值檢波模塊輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；數(shù)據(jù)存儲模塊是將信號采集模塊輸出的數(shù)字信號存入存儲單元；中央處理模塊是對整個系統(tǒng)進行實時有效的控制；顯示模塊 用于顯示測試結果。
[0007]進一步地，所述的峰值檢波模塊由乘法模擬器和低通濾波器組成的，其中的乘法 模擬器采用MC1496芯片，如圖所示。峰值檢波模塊是一種現(xiàn)有的常用裝置，峰值檢測技術 是數(shù)字存儲及數(shù)字采集的重要技術之一，在科研、生產(chǎn)的很多領域都需要用到峰值檢波模 塊，用來實現(xiàn)波形的毛刺捕捉或高占空比信號的檢測、沖擊信號峰值檢測。峰值檢測技術能 實現(xiàn)高頻信號的高精度峰值保持，電路的保持精度很高，響應速度快。
[0008]信號源模塊采用信號發(fā)生器，信號發(fā)生器能產(chǎn)生所需參數(shù)的電測試信 號；信號采集模塊采用美國ADI公司的AD7667芯片；中央處理模塊采用FPGA， FPGA(FieldProgrammable Gate Array)即現(xiàn)場可編程門陣列，是作為專用集成電路(ASIC) 領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，通俗地講是可編程實現(xiàn)邏輯控制的CPU，通過開發(fā)可以 完成任何數(shù)字器件的功能。。
[0009]LC諧振傳感器的電路模型中，等效電感L的電感值不變，而等效電容C的電容值會 隨著外界環(huán)境因素的變化產(chǎn)生變化，當C變化后，LC諧振傳感器中諧振電路的固有諧振頻 率將會發(fā)生改變，同時測試天線端的輸出電壓也會隨著變化，所以電容值的變化與測試天 線端的輸出電壓相關，因此LC諧振傳感器的電容值就等效為關于測試天線端電壓的函數(shù)。 本發(fā)明利用峰值檢波模塊檢測到測試天線端的信號峰值，得出所需的峰值曲線，再運用其 他輔助測試模塊，就可以得出測試天線端電壓隨LC諧振傳感器電容變化呈函數(shù)關系，由得 出的關系曲線最終推算出LC諧振傳感器所受外界環(huán)境影響的各項參數(shù)，壓力、溫度、濕度
坐 寸o
[0010]本發(fā)明所述的定頻模式下的LC諧振傳感器讀取系統(tǒng)的讀取方法，包括如下步驟:
1)將待測LC諧振傳感器置于所需環(huán)境中，當LC諧振傳感器未受到外界環(huán)境影響的情 況下，LC諧振傳感器的起始固有諧振頻率不變；信號源模塊發(fā)射一個與LC諧振傳感器的起 始固有諧振頻率相同的固定頻率信號給天線測試端，此時天線測試端的輸出信號不變(輸 出電壓不變)；
2)當LC諧振傳感器受到外界環(huán)境的影響時，LC諧振傳感器的電容將發(fā)生變化，LC諧 振傳感器的固有諧振頻率也會發(fā)生變化，與此同時測試天線端的輸出電壓就會隨著LC諧 振傳感器的電容變化而變化，峰值檢波模塊對天線測試端的輸出信號進行檢測，檢測每個 輸出信號波形的峰值，用來實現(xiàn)波形的峰值捕捉，得出所需的峰值曲線；
3)將峰值檢波模塊的輸出信號通過信號采集模塊來進行數(shù)據(jù)采集，由模擬信號轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號；
4)將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)儲存模塊進行數(shù)據(jù)存儲，同時數(shù)據(jù)儲存模塊將數(shù)字信號 傳送給中央處理模塊進行處理；
5)通過中央處理模塊對數(shù)字信號進行處理，得出測試天線端的電壓和LC諧振傳感器 的電容之間的關系曲線；
6)根據(jù)LC諧振傳感器電容的變化與外界測試環(huán)境的參數(shù)關系(這是本領域技術人員 所熟知的)，由電容的變化就可以確定這些參數(shù)，并通過顯示模塊顯示出這些參數(shù)以提供給 用戶。
[0011]本發(fā)明讀取系統(tǒng)是基于對頻響特性和測試精度的要求，從正弦信號峰值映射到可變電容變化的定頻模式讀取系統(tǒng)，該讀取通過電感線圈的交變磁場互感耦合，模擬前端通過檢測固定頻率正弦信號峰值變化，來還原前端敏感頭的可變電容變化。
[0012]本發(fā)明讀取系統(tǒng)原理簡單，結構合理科學，該系統(tǒng)中設計有完善的峰值檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對LC諧振傳感器信號的高精度、高頻響、穩(wěn)定地實時測量，提高了整個測量系統(tǒng)的頻率響應速度和精確度，有利于以后更進一步對傳感器的高精度、快響應頻率測量技術方面的研究。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明讀取系統(tǒng)的結構框圖。
[0014]圖2為本發(fā)明讀取系統(tǒng)的原理圖。
[0015]圖3為本發(fā)明中峰值檢波模塊的測試原理圖。
【具體實施方式】
[0016]以下結合附圖對本發(fā)明作進一步描述:
如圖1所示，一種定頻模式下的LC諧振傳感器讀取系統(tǒng)，包括信號源模塊、天線測試端、峰值檢波模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、中央處理模塊以及顯示模塊；其中，信號源模塊的輸出端與天線測試端的輸入端連接，天線測試端的輸出端與峰值檢波模塊的輸入端連接，峰值檢波模塊的輸出端與信號采集模塊的輸入端連接，信號采集模塊的輸出端與數(shù)據(jù)存儲模塊的輸入端連接，數(shù)據(jù)存儲模塊的輸出端與中央處理模塊的輸入端連接，中央處理模塊的輸出端與顯不模塊的輸入端連接，同時中央處理模塊的輸出端又分別與信號米集模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊的輸入端連接。
[0017]具體實施時，所述的峰值檢波模塊由乘法模擬器和低通濾波器組成的，如圖3所示，其中的乘法模擬器采用MC1496芯片。
[0018]所述的信號采集模塊采用美國ADI公司的AD7667芯片，所述的中央處理模塊采用FPGA。
[0019]如圖1、2所示，本發(fā)明定頻模式下的LC諧振傳感器讀取系統(tǒng)的讀取方法，包括如下步驟:
1)將待測LC諧振傳感器置于所需環(huán)境中，當LC諧振傳感器未受到外界環(huán)境影響的情況下，LC諧振傳感器的起始固有諧振頻率不變；信號源模塊發(fā)射一個與LC諧振傳感器的起始固有諧振頻率相同的固定頻率信號給天線測試端，此時天線測試端的輸出信號不變；
2)當LC諧振傳感器受到外界環(huán)境的影響時，LC諧振傳感器的電容將發(fā)生變化，LC諧振傳感器的固有諧振頻率也會發(fā)生變化，與此同時測試天線端的輸出電壓就會隨著LC諧振傳感器的電容變化而變化，峰值檢波模塊對天線測試端的輸出信號進行檢測，檢測每個輸出信號波形的峰值，用來實現(xiàn)波形的峰值捕捉，得出所需的峰值曲線；
3)將峰值檢波模塊的輸出信號通過信號采集模塊來進行數(shù)據(jù)采集，由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
4)將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)儲存模塊進行數(shù)據(jù)存儲，同時數(shù)據(jù)儲存模塊將數(shù)字信號傳送給中央處理模塊進行處理；
5)通過中央處理模塊(圖2中的MCU)對數(shù)字信號進行處理，得出測試天線端的電壓和LC諧振傳感器的電容之間的關系曲線；
6)根據(jù)LC諧振傳感器電容的變化與外界測試環(huán)境的參數(shù)關系，由電容的變化就可以確定這些參數(shù)，并通過顯示模塊顯示出這些參數(shù)以提供給用戶。
【權利要求】
1.一種定頻模式下的LC諧振傳感器讀取系統(tǒng)，其特征在于:包括信號源模塊、天線測 試端、峰值檢波模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、中央處理模塊以及顯示模塊；其中，信 號源模塊的輸出端與天線測試端的輸入端連接，天線測試端的輸出端與峰值檢波模塊的輸 入端連接，峰值檢波模塊的輸出端與信號采集模塊的輸入端連接，信號采集模塊的輸出端 與數(shù)據(jù)存儲模塊的輸入端連接，數(shù)據(jù)存儲模塊的輸出端與中央處理模塊的輸入端連接，中 央處理模塊的輸出端與顯不模塊的輸入端連接，同時中央處理模塊的輸出端又分別與信號 采集模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊的輸入端連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的定頻模式下的LC諧振傳感器讀取系統(tǒng)，其特征在于:所述的 峰值檢波模塊由乘法模擬器和低通濾波器組成的，其中的乘法模擬器采用MC1496芯片。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的定頻模式下的LC諧振傳感器讀取系統(tǒng)，其特征在于:所 述的信號采集模塊采用美國ADI公司的AD7667芯片，所述的中央處理模塊采用FPGA。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的定頻模式下的LC諧振傳感器讀取系統(tǒng)的讀取方法，其特 征在于，包括如下步驟:1)將待測LC諧振傳感器置于所需環(huán)境中，當LC諧振傳感器未受到外界環(huán)境影響的情 況下，LC諧振傳感器的起始固有諧振頻率不變；信號源模塊發(fā)射一個與LC諧振傳感器的起 始固有諧振頻率相同的固定頻率信號給天線測試端，此時天線測試端的輸出信號不變；2)當LC諧振傳感器受到外界環(huán)境的影響時，LC諧振傳感器的電容將發(fā)生變化，LC諧 振傳感器的固有諧振頻率也會發(fā)生變化，與此同時測試天線端的輸出電壓就會隨著LC諧 振傳感器的電容變化而變化，峰值檢波模塊對天線測試端的輸出信號進行檢測，檢測每個 輸出信號波形的峰值，用來實現(xiàn)波形的峰值捕捉，得出所需的峰值曲線；3)將峰值檢波模塊的輸出信號通過信號采集模塊來進行數(shù)據(jù)采集，由模擬信號轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號；4)將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)儲存模塊進行數(shù)據(jù)存儲，同時數(shù)據(jù)儲存模塊將數(shù)字信號 傳送給中央處理模塊進行處理；5)通過中央處理模塊對數(shù)字信號進行處理，得出測試天線端的電壓和LC諧振傳感器 的電容之間的關系曲線；6)根據(jù)LC諧振傳感器電容的變化與外界測試環(huán)境的參數(shù)關系，由電容的變化就可以 確定這些參數(shù)，并通過顯示模塊顯示出這些參數(shù)以提供給用戶。
【文檔編號】G01D5/24GK103438911SQ201310317227
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月25日 優(yōu)先權日:2013年7月25日
【發(fā)明者】熊繼軍, 洪應平, 梁庭, 張會新, 鄭庭麗, 葛冰兒, 李晨 申請人:中北大學