基于LC無源無線傳感的探測方法.pdf

1、LC（電感電容）無源無線傳感器將待測參數(shù)轉(zhuǎn)換為諧振頻率，并通過互感耦合的方式非接觸測量這個(gè)頻率，從而實(shí)現(xiàn)無源無線檢測。LC型傳感器節(jié)點(diǎn)通常由平面電感和敏感電容構(gòu)成，沒有有源器件，不帶電源，理論上具有無限壽命，非常適合于狹小密閉空間、機(jī)械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、惡劣環(huán)境等的無線傳感應(yīng)用。隨著MEMS技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，LC無源無線傳感器已成為本領(lǐng)域國際上主要研究方向之一?，F(xiàn)有LC無源無線傳感器研究工作大多側(cè)重于傳感器節(jié)點(diǎn)本身，而信號的無線讀取并沒有

2、引起足夠的重視。本文對LC無源無線傳感技術(shù)開展了研究，特別是在增強(qiáng)讀出性能與實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測量方面，主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新包括:
　　(1)介紹了LC電諧振的基礎(chǔ)理論，分析了諧振頻率的提取方法，介紹了LC傳感器的幾種重要的組成元件及其相應(yīng)的基本原理。在此基礎(chǔ)上，分析了LC傳感器的幾種敏感機(jī)理。此外，對測試環(huán)境的介電常數(shù)帶來的影響做了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，環(huán)境介電常數(shù)較大的情況下，耦合電容對探測結(jié)果產(chǎn)生的影響較大，不能忽略。
　　(2)

3、提出了一種利用自適應(yīng)中繼線圈增加LC無源無線傳感器讀出距離的方法，分析了自適應(yīng)中繼線圈的工作原理，建立了等效電路模型，并分析了臨界耦合距離的計(jì)算方式，以避免頻率分裂帶來的諧振峰偏移與靈敏度下降等問題。利用自適應(yīng)中繼線圈對LC濕度傳感器進(jìn)行探測以驗(yàn)證其增強(qiáng)性能。結(jié)果表明，在保持信號強(qiáng)度不變的情況下，自適應(yīng)中繼線圈能夠?qū)⒆x出距離增加到原來的3倍，并且保持靈敏度不變。在此基礎(chǔ)上，將中繼線圈的外部控制信號用無線能量耦合的方式代替，使得中繼線圈完

4、全成為無源無線的工作方式。實(shí)驗(yàn)中，利用無源無線中繼線圈將LC傳感器的讀出距離增強(qiáng)到原來的3.2倍，并且保持信號強(qiáng)度與靈敏度不變。
　　(3)提出了一種工作頻率可調(diào)的左手材料以增強(qiáng)LC傳感器的讀出性能。通過在雙層線圈外部連接分立電容實(shí)現(xiàn)左手材料的工作頻率可調(diào)性。在實(shí)驗(yàn)部分，利用工作頻率可調(diào)的左手材料進(jìn)行LC濕度傳感器的讀出性能測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在保持信號強(qiáng)度不變的情況下，左手材料能夠?qū)⒆x出距離增強(qiáng)到原來的1.7倍，并且保持信號強(qiáng)度

5、與靈敏度不變。
　　(4)提出了一種繞制方向特定的疊層電感，以減小疊層電感間互感耦合帶來的影響。利用三個(gè)這種疊層電感分別與濕度電容、溫度電容、氣壓電容串聯(lián)形成三個(gè)LC諧振回路，實(shí)現(xiàn)了濕度-溫度-氣壓等三個(gè)參數(shù)的測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器電感間的互感影響幾乎為零，多個(gè)諧振峰能夠獨(dú)立地對相應(yīng)的敏感電容進(jìn)行響應(yīng)，同時(shí)進(jìn)行多個(gè)參數(shù)的測量，并且各個(gè)諧振峰之間互不影響。
　　(5)提出了一種集成開關(guān)的LC無源無線多參數(shù)傳感器，利用開關(guān)進(jìn)

6、行多個(gè)敏感電容間的切換，使其能夠測量多個(gè)待測參數(shù)。利用讀出線圈進(jìn)行無線能量耦合的方式對集成開關(guān)進(jìn)行控制，將多個(gè)電容有序地進(jìn)行切換，使得LC傳感器在集成開關(guān)后仍然保持無源無線的方式。在實(shí)驗(yàn)部分，利用開關(guān)集成的LC傳感器進(jìn)行了濕度-氣壓的探測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種集成開關(guān)的LC無源無線多功能傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)濕度-氣壓的獨(dú)立測量。
　　本文著重解決LC傳感器在探測過程中出現(xiàn)的探測距離有限，以及單片LC傳感器無法進(jìn)行多參數(shù)監(jiān)測這兩個(gè)問題。提出