文摘

提出了一种补偿距离测量系统为基于无线无源传感器的高温微量陶瓷(HTCC)应用于高温环境。提供了传感器模型和捏造。另外,遥测测量系统由一个读出仪表和隔热单元描述由于之间的隔热材料厚度传感器和读出单元电感线圈的高温测试环境。考虑的漏电感和寄生参数取决于耦合距离相当于隔热材料的厚度,和距离补偿方法。补偿是基于数学特性的测试结果读出单元告诉我们信息提取的共振频率之间的关系。可以使用此方法简单、可靠地在另一个遥测互感耦合读出系统作为一个可行的解决方案,以补偿耦合距离相关的错误当电感耦合是不同的。它已经进行了实验测试,结果是在良好的协议与参考阻抗分析仪测量。理论解释,实验结果,讨论报告。

1。介绍

等恶劣环境应用航空(1)、汽车(2),和生物医学3行业,或测量在密封的盒子里不允许连接的敏感元件测量电路或调节电子标准电缆。因此,一个完全无线和被动传感器基于LC谐振电路。在环境参数测量取决于电容。很多的数量,例如,温度、压力(4- - - - - -6),和湿度(5),可以测量的无源无线传感器在恶劣的环境或封闭的空间,与电子和不能访问是不相容的。在这些情况下,测量使用传感器的数量是必要的交流遥测系统的变量,因为它不需要布线连接和电源。

此前的许多文献关注的无线无源传感器结构的优化设计和性能(7),和更少的努力已经发展出一种准确、可靠的读出这些无线被动传感器测量系统。

本文提出了遥测系统使用被动敏感元件有两个主要部分。一个是读出电路提供能量的传感器和从外部环境获得信息。另一个是传感元件,电容传感器设计和制造在高温微量陶瓷(HTCC)的性能能承受恶劣的环境(8]。这两部分相互连接的能量磁场。在大多数情况下,我们认为电感的耦合系统模型作为理想变压器,但是,因为相关的漏通量和寄生参数的耦合距离(9),和读出电路提供补偿测量方法。

在本文中,我们提出了一种新的距离补偿方法和读出电路理论分析和实验测试。在下面,一个模拟传感器基于PCB和基于HTCC无线无源传感器,分别设计和制作,补偿读出电路准备实验。补偿后传感器的谐振频率耦合距离变化时几乎是不变的。这个补偿系统实现的测试传感器的谐振频率不依赖于距离和实验结果与理论分析吻合较好,。

2。电子模型和补偿方法

2.1。距离补偿方法

本文提出的归纳压力传感器信号的测量系统由一个阅读器天线,读出电路和信号处理单元。图1说明了电机等效电路:谐振传感器电路建模与平面螺旋电感器()、可变电容器(),和一个寄生串联电阻()。一个电感器(),一个寄生串联电阻()和一个固定电容器()代表了读出电路。互感()之间的两个耦合电感线圈产生信号源。

互感系数之间的关系和垂直耦合距离两者之间相同的电感线圈,在两者之间的相同尺寸的电感耦合线圈,可以由10] 图2是两个平行的几何图与加载同轴矩形平面螺旋电感电流,线圈是垂直于轴的飞机吗线圈底部边长,匝数,和加载流,分别,,,并表示为上面的线圈,,,两个刨床线圈之间的距离,是研究工作的耦合距离。因为当前的和有相同的流动方向,我们可以得到什么 从公式可以看出,互感随距离的变化,然后在共振频率发生变化。

在条款的基尔霍夫定律11),混频器的输出信号电压终端的读出电路可以定义由以下方程 与

在这里,信号源的频率。方程(1)- (4)表明,输出电压变化引起的耦合距离,和输出电压和频率是绘制在图3如果传感器的谐振频率()是高于或低于天线的谐振频率()。事实上,根据距离的增加,互感系数降低。因此,模拟井进行了传感器的谐振频率和耦合距离之间的关系。如图1由于耦合效应,突然改变输出电压响应曲线的形状,和相应的频率突变点在曲线上的传感器的谐振频率。

在前面的论文,由于敏感和读出组件之间的距离变化,我们可以看到两者之间的寄生电容和漏通量电路不容忽视(12),压力传感器的频率达到读出电路的输出电压取决于距离。

我们定义一个函数””,它只取决于耦合和漏通量,并感性耦合距离,称为频率补偿。的参数可以通过测量计算self-frequency吗测量频率的传感器读出电路和获得不同的距离。事实上,是一个拟合函数的值测量频率和self-frequency之间的传感器来获取一个近似函数;表达式是

3所示。实验仪器基于遥测系统

3.1。传感器设计

传感器本文建模为报道串联电路,串联电阻和一个电感与可变电容器。传感器模型如图4。和共振频率是由

在这项工作中,我们使用一个通用的基于高温压力传感器制造微量陶瓷(HTCC);传感器立体图报道在图5。在这三层结构,顶部和底部电容板和中间层的腔隙形成电容,与平面螺旋电感传感器在顶层模型。电容和电感的几何参数,分别显示在表中1和2。

传统HTCC传感器设计和制造技术。我们使用HTCC绿色磁带形状与Ag)粘贴传感器结构和丝网印刷形成电路模式,然后叠加,层压和烧结。图6是完成传感器样品。

电感器的设计参数如表所示1电感可以派生 在哪里和形状系数,表明真空磁导率,是线圈的数量,平均直径,填充率, 在哪里内径和吗外径。

理论计算电感几何参数(7)- (8),这是有利于提高耦合距离和质量的因素和改进的设计参数在表1和2。

3.2。读出仪表

为了测量传感器的谐振频率自动共振检测的稳定性和健壮性在一个宽的频率范围内,结合电脑读出系统处理后采用。因此,读出电路产生一个扫描信号在一个特定的频率范围内测量传感器的谐振频率。与PC后处理软件,我们可以计算出共振频率的读出电路和补偿误差造成的不同阅读距离。在这种方法中,读出电路避免距离限制将适用于共振频率检测在一个广泛的测量距离。当有一个远程无线无源传感器接近阅读天线,然后互感耦合时,直流输出电压的变化和突变点出现。电容传感器的敏感使差异根据环境压力变化和相应的LC谐振频率传感器不同的突变点在频率轴上的移动变化的环境压力。图7显示了测量系统的流程图。

3.3。实验仪器

为了验证提出的补偿方法,读出电路,模拟传感器和天线。表3显示了设计参数的传感器和天线设计是基于印刷电路板(PCB)和电感是一致的。在图所示的模拟传感器和天线8有相同的几何参数。

读出电路设计采用模拟集成电路PCB报道在图9。扫描频率的正弦信号,输出电压信号两岸的参考电阻(Rref)通过吉尔伯特细胞增多混合器(乘数),和一个低通滤波器电路设计过滤器混频器输出信号的直流输出电压。而高速16位ADC (AD7667)旨在把直流输出电压转换成数字形式。

有两种不同的共振频率的模拟传感器和一个陶瓷传感器和它们的self-frequency安捷伦E4991A阻抗分析仪测量。它们的值如表所示4将引用的频率增加了传感器的测量值读出电路进行了测试。图10报告的照片实验系统。它由一个读出电路、传感器、耦合距离控制台,和电脑。和可以改变两个耦合线圈之间的距离,这是向其中心轴线重合的面对彼此。

4所示。实验结果

一系列的实验在距离补偿系统进行了变分两个耦合电感线圈之间的距离。读出电路的测量共振频率和使用模拟传感器的距离可调电感耦合读者天线,当有两种不同的情况:传感器的谐振频率高于和低于天线,如图11。分析图表,这些共振频率主要取决于距离和与理论分析一致。然而,拟合函数”“被用来计算,根据(5),模拟传感器的谐振频率与变分耦合距离。我们可以补偿值添加到读出电路程序的测试结果得到的读出电路如图所示12,证明这些测量共振频率的模拟传感器几乎不变化的距离,和补偿值,分别为19.38兆赫和23.25 MHz是近似的测试值表4。

图13表明,共振频率的传感器是基于uncompensation的陶瓷是在协议与模拟传感器。然而,使用距离补偿方法可以导致结果如图14对耦合距离。

5。结论

一个新的距离补偿测试系统基于无线无源传感器的高温微量陶瓷(HTCC)提供。有必要把寄生效应和耦合和漏通量考虑耦合电感线圈之间的距离变化时,传感器和天线。传感器的理论模型和距离补偿测试系统提供了介绍和分析。耦合系统的仿真分析表明,该传感器获得读出电路的谐振频率显然取决于耦合距离的变化。这个距离补偿方法实验测试,并与理论结果有很好的一致性。它测量传感器的谐振频率与不同的距离。添加补偿频率测试系统的时候,我们可以看到,结果几乎不敏感的变量的距离。此外,距离补偿方法,我们提出了可以应用于不同的耦合电感测试系统不管测试的距离。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。