硬標簽質量參數檢測傳感器設計及測試

蔡曉霞,盛慶元,朱 丹

(紹興職業技術學院，浙江 紹興 312000)

硬標簽質量參數檢測傳感器設計及測試

蔡曉霞,盛慶元,朱 丹

(紹興職業技術學院，浙江 紹興 312000)

電子商品防盜系統(EAS)中使用的一類硬標簽核心電路由磁棒線圈和電容串聯組成，LC諧振頻率F和品質因數Q值是硬標簽關鍵質量參數。針對該類硬標簽參數檢測的市場需求和傳統雙線圈檢測方法存在的不足，提出了一種基于互感耦合原理，以亥姆赫茲線圈磁場為激勵，采用差分和二級積分電路獲取硬標簽幅頻特性信息的檢測方法，搭建了硬標簽參數檢測傳感器電路分析傳感器檢測F、Q值的理論模型。通過對市售58 kHz硬標簽試驗數據的分析表明：該傳感器F、Q值的絕對誤差分別小于0.025 kHz和1.3，其諧振頻率測試性能明顯優于市售EAS頻率檢測儀(E-X5006AM)，性能滿足行業測試要求。該傳感器可為硬標簽生產過程和質量檢測提供F和Q值信息，具有行業實際應用價值。

傳感器； 互感耦合； 諧振頻率； 磁棒線圈； 品質因素； 幅頻特性

0 引言

電子商品防盜系統(electrionic article surveillance,EAS)的應用越來越多，但是國內生產廠家對EAS中的硬標簽檢測停留在人工測試階段，暴露出檢測精度差、自動化水平低、無法對產品的質量參數進行評估等缺點[1]。

目前，國際上ISO/IEC 18046-3-2007等標準給出了EAS系統的標簽以及防盜檢測系統的基本規范要求[2-4]。國內一些學者對電子標簽在線參數檢測技術進行研究，如：楊成忠等[5]提出了利用互感耦合原理對標簽的質量參數進行檢測的方法；宋小鋒、朱亞萍等研究了單線圈傳感器模型和雙線圈傳感器模型結構特點[6-9]；李佳駿[10]利用磁場仿真軟件AnsoftHFSS，對多種檢測傳感器模型進行仿真建模，研究了傳感器形狀對測試性能的影響；牛元海[11-12]分析了標簽信號特征，提出了一種標簽信號的綜合判決流程，并設計了一種EAS掃頻信號源。從現有文獻來看，國內外的研究對象均以軟標簽為主，圍繞雙線圈結構傳感器進行[10-13]。試驗表明：雙線圈式傳感器圈的面積、繞制匝數、標簽放置位置及標簽與傳感器相對位置都會影響硬標簽質量參數準確性[5,8-14]。這種結構的缺陷在于發射與接收線圈間、標簽與發射和接收線圈之間都會互相干擾；特別是標簽對發射線圈的影響將改變原磁場的強度，而且由于不同標簽對發射線圈的影響不同，使得數據修正不可能實現；同時，發射線圈對接收線圈的影響疊加于標簽產生的磁場上，無法區分[14-15]。這些都會導致諧振頻率產生偏差，對品質因數Q值判定誤差的影響將更為嚴重。

針對上述問題，本文提出一種以亥姆赫茲線圈磁場為激勵，基于互感耦合原理，采用差分電路提取測試信號并用二級積分電路進行信號處理，獲取硬標簽的幅頻特性信號。該方法解決了傳統雙線圈結構傳感器各部分間干擾導致諧振頻率測量誤差大和無法測試電子標簽Q值的問題。

1 EAS標簽檢測原理

1.1 標簽模型

硬標簽的實物電子元器件由一個多圈線圈和一個電容串聯而成，部分標簽會在線圈中插入勵磁磁棒。對電子標簽的電路結構進行電路等效。硬標簽電路等效圖如圖1所示。

圖1 硬標簽電路等效圖

標簽阻抗為：

(1)

式中：R為標簽線圈內阻值；L為標簽線圈電感值；C為標簽的電容值；w為角頻率。當wL-1/wC=0時，|Z(jw)|最小，表現為純阻抗特性。

此時的角頻率為諧振角頻率：

(2)

圖1中的LC回路有選頻特性功能，Q值是反映選頻特性好壞的一個指標。Q值越大，選頻特性越好，相應的標簽質量就越高。

1.2 標簽質量參數檢測原理

現有文獻中雙線圈檢測方法都與ISO/IEC 18046-3-2007中給出的方法一致。硬標簽常規測試方法示意圖如圖2所示。

圖2 硬標簽常規測試方法示意圖

硬標簽常規測試裝置測量原理與實際所使用的EAS系統相似。發射線圈用于發射檢測標簽的掃頻信號。當標簽經過檢測區域時，由于檢測區域含有隨頻率變化的磁場，標簽內部的電感會產生感應電壓，形成感應電流。此感應電流也會產生磁場，反過來干擾檢測區域的磁場分布，使檢測線圈產生一個明顯的擾動信號。這個信號能反映標簽的質量參數。朱亞萍[8]對這種雙線圈檢測方法的研究表明：標簽線圈與發射和接收線圈間的互感系數增大，使諧振頻率偏差加大，甚至無法對標簽進行檢測；標簽線圈與發射和接收線圈間的互感系數增加，使諧振頻率偏差減小，但整體波形不再突出中心頻率處的帶寬，即影響標簽Q值的精準度。此種檢測方法的不足本質在于：發射與接收線圈之間，標簽與發射和接收線圈之間都會互相干擾。

2 傳感器設計

2.1 傳感器結構

本文設計的傳感器結構如圖3所示。

圖3 傳感器結構示意圖

2.2 傳感器工作原理分析

首先，當亥姆赫茲線圈產生交變磁場激勵時，如發射線圈間距a等于發射線圈半徑R，則兩線圈合磁場在軸(兩線圈圓心連線)中心附近較大范圍內磁場是均勻的。所以主輔接收線圈形成的閉合區域內磁通量為零(主輔接收線圈旋向相反)，則接收線圈的感應電動勢將完全取決于電子標簽。

其次，當硬標簽置于主接收線圈附近的中心區域時，無論硬標簽感應磁場方向如何，對于由發射線圈1組成的閉合區域而言，磁通量均為零；發射線圈2和輔接收線圈離硬標簽較遠，不受硬標簽感應磁場的影響，這就達到了發射線圈磁場作用于硬標簽、但硬標簽感應磁場不會反作用于發射線圈的效果。但對于主接收線圈而言，因為直徑與硬標簽磁棒線圈相近，且位于硬標簽的感應磁場區域內，因而主接收線圈的磁通變化可以認為完全由硬標簽感應磁場決定。

最后，接收線圈輸出的感應電壓信號接入后續的差分電路運放輸入端，由于運放的高輸入阻抗特性，此時接收線圈內部電流幾乎為零，所以接收線圈內無磁場產生，達到了硬標簽作用于接收線圈，但接收線圈不會反作用于標簽的效果。

2.3 傳感器等效工作電路模型分析

對傳感器電路模型進行分析時，將線圈互感的感應電壓等效為電流控制的電壓源。基于上述傳感器工作原理，傳感器等效電路工作模型如圖4所示。

圖4 傳感器等效電路工作模型

圖4中，Rs為發射線圈1、2的內阻;Lf1、Lf2為發射線圈1、2的等效電感；LZ為主接收線圈等效電感；Lf為輔助線圈等效電感。

圖4中，發射和標簽部分電路的向量關系如下：

(3)

(4)

由式(3)、式(4)可得輸出接收線圈電壓為：

(5)

歸一化幅頻特性曲線公式：

(6)

對式(5)兩邊取模，并結合式(6),可得式(7)。

(7)

式(3)～式(7)中：M、M1分別為硬標簽與發射線圈、接收射線圈的互感系數；Z、Z1分別為標簽、發射線圈的阻抗。

由式(7)可知，對傳感器和某一檢測硬標簽來說，參數M、M1、Z、R都是確定值，不影響式(7)輸出信號隨角頻率的變化曲線形狀。

根據測試數據推導出：

(8)

式(8)中：T(jw)與U0轉換還需要處理w2。在本傳感器設計中，采用了差分電路提取接收線圈上的信號U0，并用二級積分電路處理U0。此部分電路屬信號處理的常規電路，本文不作詳細闡述。

3 試驗與結果分析

3.1 試驗方法

為了測試設計傳感器的性能，以市售58 kHz聲磁硬標簽為測試對象，將硬標簽線圈、電容分開后，把精密微調可變電容與線圈連接在一起，通過改變可變電容的大小，形成諧振頻率F和Q值的不同LC回路。試驗用測試設備為LCR測試儀(固緯LCR-8105G)、信號發生器(GFG-8020H)、示波器(泰克C012537)，EAS頻率檢測儀(E-X5006AM)，分以下三種方法測試。

①用LCR掃頻儀直接與磁棒線圈引腳相連測量F和Q值，作為標簽質量參數標準參考值Fc、Qc。

②用EAS頻率檢測儀檢測得到的F值，作為對比值Fb(EAS頻率檢測儀無Q值檢測功能)。

③用本文的傳感器探頭和信號處理電路作為測試設備，發射線圈與信號發生器相連，二級積分電路輸出端信號U與示波器相連；通過信號發生器產生正弦波信號，調節正弦波信號頻率，找到Up-p最大時對應的頻率，此頻率即為此方法測得的諧振頻率，記為Fm；通過測量上、下功率點f1、f2計算得到Q值，即調節正弦波信號頻率；記錄示波器顯示信號最大值Up-p的上、下頻率點，按式(9)計算得到Q值，記為Qm。在未放置硬標簽前，對發射線圈的相對位置進行微調，使U輸出近似為0，消除系統誤差。

Qm=Fm/(f1-f2)

(9)

3.2 試驗數據分析

本次試驗的測試諧振頻率F、品質因數Q的原始數據如表1所示。通過數據分析可知：方法三測試的諧振頻率F的絕對誤差要比市售E-X5006AM型小得多，其測試最大絕對誤差為0.025 kHz，小于E-X5006AM測試的最大絕對誤差0.112 kHz。方法三測試計算得到的Q值的絕對誤差值也較小，其最大絕對誤差為1.3。

表1 測試數據分析表

4 結束語

硬標簽諧振頻率和品質因數的非接觸快速測量傳感器，在硬標簽生產過程(把磁棒插入到線圈的合適位置以滿足EAS系統對硬標簽的要求)中有重要應用。硬標簽成品的質量監管需要獲得硬標簽質量參數感知信號。本文針對硬標簽參數檢測的行業市場需求，采用亥姆赫茲線圈磁場為激勵，基于互感耦合原理，采用差分方法獲取硬標簽幅頻特性信號，設計了一種硬標簽參數檢測傳感器。以市售58 kHz聲磁硬標簽為試驗對象，試驗數據分析表明：諧振頻率、品質因數的絕對誤差分別小于0.025 kHz和1.3，其諧振頻率測試性能明顯優于市售EAS頻率檢測儀(E-X5006AM)，在硬標簽行業具有實際應用價值。

[1] 李佳駿.防盜電子標簽檢測技術研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2013.

[2] ISO/IEC 18046-3-2007，信息技術.射頻識別裝置性能試驗方法.第3部分:標簽性能的試驗方法[S].

[3] European Radio communications Committee Propagation Model and Interference Range Calculation for Inductive Systems 10 kHz-30 MHz[S].Marbell ERC with CEPS,1999.

[4] 劉宏偉,李成.ISO/IEC18000-6C簡析[J].信息技術與標準化,2007(7):17-20.

[5] 楊成忠，陳高強.基于互感耦合原理的傳感器設計[J].機電工程，2011(5):590-593.

[6] 宋小鋒.電子標簽測試分析系統研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2012.

[7] 宋小鋒，楊成忠.電子防盜標簽檢測電路的參數優化[J].杭州電子科技大學學報，2011(4):157-160.

[8] 朱亞萍，鄭衛紅，徐巍華，等.電子標簽質量在線檢測傳感器的研制[J].浙江大學學報(工學版)，2012(4):719-724+738.

[9] 孫正捷,楊成忠,薛凌云.基于嵌入式技術的電子標簽質量檢測系統[J].杭州電子科技大學學報,2007(1):73-76.

[10]李佳駿，楊成忠，楊志凱，等.電子防盜標簽檢測系統Q值穩定性分析[J].杭州電子科技大學學報，2012(4):148-150.

[11]牛元海.EAS系統設計與電子標簽抗干擾檢測技術研究[D].寧波：寧波大學，2015.

[12]牛元海，劉太君，葉焱，等.一種EAS掃頻信號源的設計與實現[J].無線電通信技術，2014(6):93-96.

[13]劉彩鳳，王忠于，杜玉寶，等.檢測無源RFID電子標簽諧振頻率的耦合器之關鍵技術研究[J].儀器儀表學報，2008(4)：260-264.

[14]徐精華,張小林,鄧洪峰.電子標簽識讀終端的研究與設計[J].微計算機信息,2007(32):227-229.

[15]滕士雷.EAS聲磁防盜系統的若干關鍵技術研發[D].北京：中國科學院,2013.

Design and Test of the Sensor for Detecting Quality Parameters of Hard Tag

CAI Xiaoxia,SHENG Qingyuan,ZHU Dan

(Shaoxing Vocational Technical College，Shaoxing 312000,China)

The kernel circuit of hard tag used in electronic article surveillance (EAS) system is composed of magnet coil and capacitor in serial,and the LC resonant frequencyFand the quality factorQare the key quality parameters of hard tag.Aiming at the market demand for parameter detection of hard tag and the shortcomings of traditional double coil detection method,the detection method based on the principle of mutual inductance coupling is proposed.With Helmholtz coil magnetic field as excitation,and using differential and two stage integration circuit,the amplitude frequency characteristic information of the hard tag is obtained.The theoretical model is established.The analysis of the test data of the commercial available 58 kHz hard tag indicates that the measurement error of the sensor forFandQis respectively less than 0.025 kHz and 1.3,its test performance for resonant frequency is obviously better than the commercial available EAS frequency tester (E-X5006AM)，thus the performance meets the professional test requirements.The sensor can provide information ofFandQvalues for the production process and quality inspection of hard tags;and it has practical application values.

Sensor; Mutual coupling; Resonant frequency; Magnet coil; Quality factor; Amplitude-frequency characteristic

浙江省教育廳科研項目 (Y201534898)、紹興職業技術學院科研項目(SZK201629)

蔡曉霞(1978—)，女，碩士，副教授，主要從事設備遠程智能維護與智能控制方向的研究。E-mail:caixiaoxia@sxvtc.com。 盛慶元(通信作者)，男，碩士，助教，主要從事電磁傳感器設計、專機設備研發和農業生物環境參數檢測技術的研究。 E-mail:shengqingyuan@sxvtc.com。

TH7;TP212

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703018

修改稿收到日期：2016-12-14