Influence of Coupling Coefficient on Signal Readout of Wireless Passive Sensor*

LUO Tao，YANG Mingliang，TAN Qiulin*，XIONG Jijun，JI Xiaxia，WANG Xiaolong，ZHANG Yang，LI Chao

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement(North University of China)，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China)

Influence of Coupling Coefficient on Signal Readout of Wireless Passive Sensor*

LUO Tao1，2，YANG Mingliang1，2，TAN Qiulin1，2*，XIONG Jijun1，2，JI Xiaxia1，2，WANG Xiaolong1，2，ZHANG Yang1，2，LI Chao1，2

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement(North University of China)，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China)

The influence of coupling coefficient on signal readout of wireless passive sensor is investigated.By establishing the lumped circuit model of the coupling system，and analysis it theoretically，the formula of impedance on the antenna side is derived.MATLAB simulation is used to perform theoretical analysis，and results shows that the variation of resonance frequency of the sensor which is retrieved from the impedance parameters on the antenna side is influenced by coupling coefficient，and the results are verified by experiment.Theoretical analysis and experimental result shows that proper coupling coefficient should be chosen to obtain a better measurement sensitivity when design the coupling system for wireless passive sensor.

wireless passive LC sensor;coupling coefficient;mutual coupling;impedance parameters;resonance frequency

很多情況要求能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)參數(shù)的無(wú)線(xiàn)無(wú)源測(cè)量，如高溫環(huán)境下的壓力測(cè)量［1-3］、輪胎胎壓的監(jiān)測(cè)［4］、食品包裝袋內(nèi)濕度的檢測(cè)［5］、可植入式醫(yī)用測(cè)量［6］以及高速旋轉(zhuǎn)部件［7］上各種力學(xué)參數(shù)的測(cè)量。基于這樣的測(cè)試需求，目前國(guó)內(nèi)外在無(wú)線(xiàn)無(wú)源傳感器上已做了大量的研究工作，其中以無(wú)線(xiàn)無(wú)源壓力［8］、溫度傳感器［9-10］為典型代表。無(wú)線(xiàn)無(wú)源傳感器技術(shù)的發(fā)展，解決了上述環(huán)境中引線(xiàn)難或高溫下歐姆接觸不穩(wěn)定的問(wèn)題。在現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)無(wú)源傳感器中，大多數(shù)基于LC諧振原理，通過(guò)讀取線(xiàn)圈和傳感器線(xiàn)圈之間的互感耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)LC環(huán)路諧振頻率的無(wú)線(xiàn)讀取，從而測(cè)得目標(biāo)參數(shù)的變化情況。

本文通過(guò)建立無(wú)線(xiàn)無(wú)源LC傳感器的耦合系統(tǒng)模型，通過(guò)理論分析，結(jié)合MATLAB軟件，研究了耦合系數(shù)對(duì)傳感器信號(hào)讀取的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了理論分析的正確性，為合理設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)讀取系統(tǒng)的耦合系數(shù)，提高測(cè)量靈敏度提供了理論依據(jù)。

1 傳感器原理與耦合系統(tǒng)模型

1.1 傳感器原理

本文涉及的無(wú)線(xiàn)無(wú)源傳感器基于LC諧振原理，由電感線(xiàn)圈和可變電容串聯(lián)組成，其中可變電容的電容值隨被測(cè)量變化。傳感器可以簡(jiǎn)化為一個(gè)LC環(huán)路［11-12］，其諧振頻率為:

傳感器諧振頻率的變化可以用一個(gè)線(xiàn)圈天線(xiàn)在一定距離內(nèi)無(wú)線(xiàn)讀取獲得，通過(guò)在天線(xiàn)端輸入覆蓋傳感器諧振頻率的掃頻信號(hào)，當(dāng)天線(xiàn)與傳感器靠近時(shí)，天線(xiàn)產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)通過(guò)傳感器上的線(xiàn)圈，在傳感器上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，一部分能量通過(guò)互感耦合到傳感器端，當(dāng)天線(xiàn)端的掃頻信號(hào)頻率與傳感器的諧振頻率相同時(shí)，傳感器諧振，同時(shí)，傳感器諧振會(huì)引起天線(xiàn)端阻抗參數(shù)的變化，如阻抗實(shí)部、虛部、相位和幅值［13］。因此，通過(guò)檢測(cè)天線(xiàn)端阻抗參數(shù)的變化，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)參數(shù)的無(wú)線(xiàn)讀取。讀取系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 讀取系統(tǒng)原理框圖

1.2 耦合系統(tǒng)模型

實(shí)際耦合系統(tǒng)等效于如圖2所示的集總電路模型，根據(jù)電路原理，天線(xiàn)端的阻抗參數(shù)可表達(dá)為:

其中C1為天線(xiàn)端的串聯(lián)電容，接入該電容的目的是為了使天線(xiàn)端的諧振頻率與傳感器端的諧振頻率接近，來(lái)增強(qiáng)耦合效果［13］。Cpar為天線(xiàn)線(xiàn)圈之間的寄生電容，該電容的存在會(huì)使天線(xiàn)自身存在一個(gè)并聯(lián)諧振頻率。M為天線(xiàn)與傳感器的互感值，可以表達(dá)為［14］

圖2 耦合模型集總電路

其中k為天線(xiàn)與傳感器的耦合系數(shù)，La，Ls分別為天線(xiàn)和傳感器線(xiàn)圈的電感值。Cs為傳感器的等效電容，它等于耦合線(xiàn)圈寄生電容與敏感電容之和，其電容值隨待測(cè)參數(shù)變化。Ra，Rs分別為天線(xiàn)和傳感器線(xiàn)圈的寄生電阻，利用相量表達(dá)有s=2πfj。

2 信號(hào)讀取仿真

利用MATLAB軟件，根據(jù)式(2)仿真出讀取天線(xiàn)端的阻抗參數(shù)曲線(xiàn)，從中提取出傳感器端諧振頻率的變化。耦合模型中各集總元件的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。取k值從0.05增大到0.3來(lái)研究耦合系數(shù)對(duì)信號(hào)讀取的影響。

表1 耦合模型集總元件設(shè)計(jì)參數(shù)表

當(dāng)Cs從6 pF增大到8.5 pF，變化2.5 pF時(shí)，由式(1)可以計(jì)算出傳感器諧振頻率的理論變化量為10.385 MHz。如圖3中所示，通過(guò)天線(xiàn)端阻抗參數(shù)提取所得頻率變化量都小于傳感器的諧振頻率實(shí)際變化值，且隨著耦合系數(shù)的增大而減小。當(dāng)耦合系數(shù)為0.05時(shí)，通過(guò)阻抗實(shí)部讀取到的頻率變化值為10.104 5 MHz，當(dāng)耦合系數(shù)為0.3時(shí)，減小為7.258 3 MHz，相對(duì)變化率為-28.17%。同理，通過(guò)阻抗虛部讀取到的頻率變化從10.109 1 MHz減小到7.232 MHz，相對(duì)變化率為-28.46%;通過(guò)阻抗相位角讀取到的頻率變化量從10.248 6 MHz隨耦合系數(shù)的增大減小到8.851 1 MHz，相對(duì)變化率為-13.64%;通過(guò)阻抗幅值讀取到的頻率變化從10.190 4 MHz減小到7.268 MHz，相對(duì)變化率為-28.68%。

造成通過(guò)提取天線(xiàn)端阻抗特征參數(shù)所得諧振頻率變化量與傳感器諧振頻率理論變化量不同的原因是本文考慮了天線(xiàn)端的寄生電容，在在頻率高達(dá)幾十兆赫茲時(shí)，寄生效應(yīng)往往不容忽視，因此，考慮天線(xiàn)端的寄生電容更加符合實(shí)際情況。

圖3 頻率變化量隨耦合系數(shù)變化的曲線(xiàn)

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，采用環(huán)氧樹(shù)脂制作了兩個(gè)片子來(lái)模擬無(wú)線(xiàn)無(wú)源LC傳感器，如圖4所示，并用PCB線(xiàn)圈當(dāng)作天線(xiàn)來(lái)在不同距離處無(wú)線(xiàn)讀取傳感器端諧振頻率的變化。兩個(gè)模擬傳感器具有相同的線(xiàn)圈設(shè)計(jì)參數(shù)，因此電感值相等，采用不同的電容極板尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)電容值的變化。實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置如圖5所示。

圖4 制作的環(huán)氧樹(shù)脂基無(wú)線(xiàn)無(wú)源LC傳感器

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

在相同的耦合距離處，切換具有不同電容極板長(zhǎng)度的兩片環(huán)氧樹(shù)脂基LC傳感器，用安捷倫E5061B網(wǎng)絡(luò)分析儀提取各阻抗特征參數(shù)所對(duì)應(yīng)的頻率變化值，求得在兩電容極板長(zhǎng)度不同的傳感器所對(duì)應(yīng)的頻率差值，并繪制其隨耦合距離變化的曲線(xiàn)如6所示。當(dāng)耦合距離由20 mm減小到6 mm時(shí)，通過(guò)阻抗實(shí)部提取得到的頻率變化值的相對(duì)變化率為-18.9%，相應(yīng)的，通過(guò)阻抗虛部所得值的相對(duì)變化率為-19.67%，通過(guò)阻抗相位所得值的相對(duì)變化率為-10.88%，通過(guò)阻抗幅值所得值的相對(duì)變化率為-18.76%。

圖6 實(shí)測(cè)頻率變化量隨耦合距離變化的曲線(xiàn)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論分析一致，證明了理論分析的正確性。當(dāng)耦合距離減小時(shí)，即隨著耦合系數(shù)增大，通過(guò)各阻抗特征參數(shù)所讀取出來(lái)的頻率變化值減小。因此，在無(wú)線(xiàn)無(wú)源傳感器的實(shí)際使用中，應(yīng)考慮到耦合系數(shù)對(duì)信號(hào)無(wú)線(xiàn)讀取的影響，在保證信號(hào)可以被無(wú)線(xiàn)讀取到的情況下應(yīng)可能的減小耦合系數(shù)，以達(dá)到提高測(cè)量靈敏度的目的。

4 結(jié)論

本文研究了耦合系數(shù)對(duì)無(wú)線(xiàn)無(wú)源LC傳感器信號(hào)讀取的影響，從理論上分析了通過(guò)天線(xiàn)端阻抗參數(shù)提取出來(lái)的傳感器諧振頻率變化量受耦合系數(shù)的影響，并搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，驗(yàn)證了理論分析的正確性。理論和實(shí)驗(yàn)表明，隨著耦合系數(shù)增大，無(wú)線(xiàn)讀取所得的頻率變化值減小，在各阻抗特征參數(shù)中，通過(guò)天線(xiàn)端阻抗相位角提取出來(lái)的傳感器諧振頻率變化量受耦合系數(shù)的影響最小，且較通過(guò)阻抗實(shí)部、虛部和幅值提取所得諧振頻率變化量要大，因此，在進(jìn)行無(wú)線(xiàn)無(wú)源LC傳感器的信號(hào)讀取時(shí)，在保證信號(hào)讀取強(qiáng)度的情況下，應(yīng)盡可能減小耦合系數(shù)來(lái)提高測(cè)量靈敏度。

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羅濤(1990-)，男，湖南澧縣人，碩士，中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)無(wú)源傳感器，18935157540@ 163.com;

譚秋林(1979-)，男，湖南衡南人，博士，副教授，中北大學(xué)學(xué)術(shù)帶頭人，中國(guó)微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，國(guó)際重要學(xué)術(shù)期刊Sensors and Actuators B、Optics Communications、Sensors的通訊審稿人。研究方向?yàn)楣鈱W(xué)氣體傳感器及檢測(cè)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)無(wú)源微納傳感器及微系統(tǒng)集成技術(shù)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)及射頻技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)技術(shù)，tanqiulin.99@163.com。

耦合系數(shù)對(duì)無(wú)線(xiàn)無(wú)源傳感器信號(hào)讀取的影響*

羅濤1，2，楊明亮1，2，譚秋林1，2*，熊繼軍1，2，紀(jì)夏夏1，2，王曉龍1，2，張洋1，2，李超1，2
(1.電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

研究了耦合系數(shù)對(duì)無(wú)線(xiàn)無(wú)源傳感器信號(hào)讀取的影響。通過(guò)建立無(wú)線(xiàn)無(wú)源LC傳感器的集總電路耦合模型，對(duì)其進(jìn)行理論分析，推導(dǎo)出了天線(xiàn)端阻抗參數(shù)的理論表達(dá)式，結(jié)合MATLAB軟件仿真，從理論上得出，通過(guò)天線(xiàn)端阻抗參數(shù)提取出來(lái)的傳感器諧振頻率變化量受耦合系數(shù)的影響，并得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，在進(jìn)行無(wú)線(xiàn)無(wú)源傳感器耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選取合適的耦合系數(shù)，來(lái)提高測(cè)量靈敏度。

無(wú)線(xiàn)無(wú)源LC傳感器;耦合系數(shù);互感耦合;阻抗參數(shù);諧振頻率

TP212

A

1004－1699(2014)03－0327－04

2013-11-01修改日期:2014-03-04

C:7230M

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.03.010

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51075375);高等學(xué)校優(yōu)秀青年學(xué)術(shù)帶頭人支持計(jì)劃項(xiàng)目