LC谐振传感器的信号检测系统研究*

张海瑞，彭旭锋，梁 庭，洪应平，曹 群，郑庭丽，熊继军

（中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051）

LC谐振传感器的信号检测系统研究*

张海瑞，彭旭锋，梁 庭，洪应平，曹 群，郑庭丽，熊继军*

（中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051）

根据LC谐振传感器互感耦合系统的理论模型，设计了一种LC谐振传感器信号检测系统。该系统包括模拟部分、数字部分以及解算方法。模拟部分是通过混频器提取谐振信息，再用低通滤波器（LPF）直流化输出信号以方便数据采集。数字部分是完成信号采集及传给上位机处理。解算方法是通过同步模拟部分的线性扫频源与数字部分的数据采集，实现从携带谐振信息的直流信号中获取谐振频率。实验结果表明：该系统能够完整获得LC谐振传感器的测试信号，其性能稳定，测量精度高，谐振频率测量误差小于3.5%。该系统有望运用于LC传感器信号无线测量的领域。

LC谐振传感器；无线测量；谐振频率；混频器；LPF；信号采集

在很多特殊场合下应用传感器，不能直接接触测量传感器的信号［1］，特别是在一些高温、高压等恶劣环境，信号检测结构中暴露于高温环境下的引线电参数会随着高温环境的保持发生退化，从而导致参数漂移，致使器件失效。LC谐振传感器可以很好的解决这些问题，它实质上是一个由对压力、温度等敏感的电容和电感构成的谐振电路，谐振电路内部没有有源器件，无需电池供电，主要靠谐振电路中的电感线圈耦合测试天线的磁场能，并转化为电场能供其本身工作。测试天线可以无线读取传感器的电容变化引起的信号表征量（如测试端输入阻抗的实部、相位等）的变化，从而得出变化后的谐振频率，计算出电容的变化量就可得出压力、温度等参数的大小。该类传感器被广泛应用于高温环境的压力测量［2-3］，湿度检测［4］等领域。

由于恶劣环境的压力、温度等参数测试的需要，实现LC谐振传感器的精确测量和实时监测显得尤为重要。设计LC谐振传感器的信号检测系统具有十分重要的意义。通过网络分析仪或阻抗分析仪测试天线端输入阻抗的相位，可以对LC谐振传感器的信号进行拾取［5-6］，但网络分析仪和阻抗分析仪体积大，不易携带，在实际工程环境中使用不便，且通过阻抗相位拾取到的传感器谐振频率受耦合系数的影响［7］。

本文基于LC谐振传感器互感耦合系统的理论模型，阐述了一种LC谐振传感器信号检测系统的设计及实现方法。该系统主要由3部分组成：①模拟部分：测试模块、信号调理模块；②数字部分：控制模块、数据缓存模块及通信模块；③解算方法。

1 检测电路基本原理

LC谐振传感器互感耦合系统的等效电路如图1所示，其中U1为信号源，L1、R1分别为测试天线及天线的电阻，C1为串联电容，L2、C2分别为传感器端的电感线圈及可变电容，R2是LC谐振回路中的寄生电阻，M是测试天线与传感器端电感线圈的互感系数。图中测试天线端的输入阻抗Zi为［2］：

图1 LC谐振传感器互感耦合系统的等效电路

式中：f为信号源的信号频率，设LC谐振传感器及测试天线端的谐振频率分别为fO、f1，LC谐振电路的品质因数为Q，测试天线和传感器端电感线圈的耦合系

由上述分析可看出输入阻抗与传感器的谐振频率有一定的关系，通过测量输入阻抗可得出传感器的谐振频率。

本文采用图2所示的检测电路来提取传感器的谐振频率信息。信号源输出扫频信号U1，该信号与参考电压信号Uref进行混频、滤波，输出电压信号Uout。从图中分析可以得出，参考电压信号Uref为：

式中：Zi为测试天线端的输入阻抗，则混频后的输出信号Ur为：

由式（2）～式（4）可以看出，混频后的输出信号Ur与传感器的谐振频率fO有一定的关系，该信号经过低通滤波电路后输出直流电压信号Uout、Uout的信号波形中携带了传感器的谐振频率信息，但这个信息无法直接获取，需要间接解算具体见解算方法。

图2 检测电路基本原理框图

2 硬件电路实现

本系统的硬件设计采用模块化设计，主要分为5个模块：测试模块、信号调理模块、控制模块、数据缓存模块及通信模块，其系统结构组成如图3所示。

图3 信号检测系统结构组成图

系统的具体工作原理：测试模块输出的模拟测试信号经信号调理模块进行调理后送入AD。在FPGA的控制下，一次扫频的开始与A/D转换器将模拟信号转换为数字信号的开始同步，转换后的数字量经FIFO缓存后，通过USB接口上传给上位机。上位机用来检测AD转换的数据、发送状态指令及读取分析数据。

2.1 检测电路设计

根据图2所示的检测电路原理框图，本设计选用AD831来实现混频功能。AD831是一款低失真宽动态范围的单片有源混频器，采用双差分模拟乘法器混频电路，输出方式多，且使用灵活方便。AD831在下混频电路中有两种工作模式，这两种工作模式由工作的电源决定，可以单电源供电，也可以双电源供电。由于AD831用于下混频工作时，多采用双电源工作模式，所以本设计采用双电源供电，并根据AD831用于下混频工作时的典型电路［9］设计图4所示的检测电路。

图4 检测电路

扫频信号与参考电压信号分别输入到AD831的本振输入端（LON）和射频输入端（RFN）进行混频，混频信号经过截止频率为1 kHz的一阶RC低通滤波电路滤除无用信号，保留有用信号。

2.2 信号调理模块设计

检测电路输出的测试信号比较小，而且有负电压信号，因此需要对测试信号进行调理，使得AD的采集输入信号符合其输入电压范围。由于AD824采用单电源供电时，输入信号允许负电压，且能够获得最大的动态范围［10］。因此采用该运算放大器设计如图5所示的信号调理电路。测试信号经调理后送入AD7667芯片，在FPGA的逻辑时序控制下将模拟信号转换为16位的数字信号，依次取其高8 bit与低8 bit，根据设计的帧结构的顺序写入FIFO缓存器。AD7667所能接受的输入电压范围由内部基准电压源决定，即不能超过2.5 V，调节图5中的可调电阻R62、R63可改变AD824同相输入端IN的电压值，从而使AD824的输出电压符合AD7667的输入电压范围。

图5 信号调理电路

2.3 数据缓冲电路设计

本设计采用外部FIFO IDT7207作为数据缓冲器，这是由于外部FIFO引脚功能较多，尤其是半满信号以及空信号都易于判断，此外也不会占用FPGA的内部资源［11］。该芯片具有32 k×9 bit的存储容量，外围电路简单，不需要地址发生器，它由标志控制位来控制其读写操作，因而其接口简单、方便，能对大容量的数据进行高速缓存［12］。本设计中当FPGA检测到FIFO的空信号为高时，开始读取数据，这样就可以避免 FIFO缓存数据溢出现象。FPGA与IDT7207的连接电路如图6所示。

图6 FPGA与IDT7207的连接电路

2.4 通信模块设计

USB通信部分的功能是将经过AD转换得到的数据传输给上位机进行分析和处理，提供高速可靠的数据传输通道。本模块采用USB接口芯片CY7C68013A，其内核是一个增强型8051单片机，并含有USB协议相关的各种模块。上位机通过PE口来发送系统复位、启动测试、停止测试等命令，读取数据通过CY7C68013A的GPIF［0：7］口上传到上位机。

3 系统软件实现

3.1 系统总体流程设计

系统上电后，首先进行系统初始化，然后通过上位机发送相应的指令，让FPGA完成相应的功能。这些功能主要包括：采集传感器的测试信号、缓存数据、将数据上传到上位机实时监测。

系统总体流程设计如图7所示。

3.2 数据采集缓存部分软件设计

测试信号经AD采集转换为数字量后，FPGA控制以一定的帧格式写入外部FIFO进行数据缓存，具体的帧格式如表1所示。在本采集帧结构内，一帧为404 byte，帧头为“EB90”，帧计数为2 byte。

表1 采集帧结构表

图7 系统总流程设计图

3.3 上位机软件设计

本设计采用 VB6.0进行上位机软件设计。VB6.0是微软公司推出的可视化编辑工具MSDN之一，是目前世界上使用最广泛的程序开发工具［13］。上位机的功能是对FPGA发送控制指令，实时显示采回的数据并分析数据得出传感器的谐振频率。此软件对FPGA实现以下功能：系统复位、启动/停止AD采集等。

4 解算方法

解算方法的关键是：①信号源输出扫频信号是线性扫频；②信号源的扫频信号与数字采集信号是同步的。这样相当于在一个扫频周期内的Uout中加了一条频率轴，具体算法如式（5），式中fO为传感器谐振频率，fS、fF分别为扫频起始频率、终止频率，N为扫频一个周期内采集的总点数，n为传感器谐振处采集的第几个点。

5 测试实验

为测试该系统的可靠性和精确度，搭建图8所示的LC谐振传感器信号检测系统实验平台。LC谐振传感器由环氧树脂基底的矩形平面螺旋电感和可变电容组成，矩形平面螺旋电感线圈的绕线如图9所示，di、do为线圈的内边长和外边长，w、s为线圈导线的宽度和间距，电感值为［14-15］：L=k1μ0n2davg/（1+ k2ρ），其中n为线圈匝数，davg=（d0+di）/2为平均直径，ρ=（d0-di）/（d0+di）表示电感的填充率，μ0为真空磁导率，k1=2.34、k2=2.75为形状系数。传感器及测试天线的实物如图10所示，测试天线与传感器的距离由距离控制装置来调节，距离控制装置内放置所设计的测试电路板，如图11所示。信号源输出扫频范围为1 MHz～50 MHz，扫频时间为1 ms，峰峰值为5 V的正弦扫频信号。

图8 LC谐振传感器信号检测系统实验平台

图9 矩形平面螺旋电感

图10 传感器及测试天线实物图

图11 测试电路板

LC谐振传感器的电感线圈和测试天线的设计参数如表2所示，测试天线的串联电容C1取为20 pF，调节传感器端的可变电容C2，采用该测试系统对传感器的谐振频率进行测试。

当传感器（可变电容取为9 pF，由fO=1/［2π· （L2C2）1/2］可得传感器的理论谐振频率fO=35.32 MHz［16］，此时L2=2 255.5 nH，C2=9 pF）与测试天线未耦合时，示波器显示的测试波形如图12（a）所示，一通道显示的是混频信号经过滤波电路及信号调理电路后的输出信号，三通道显示的是AD831射频输入端的信号。当传感器与测试天线耦合时，示波器显示的测试波形如图12（b）所示，从图12（a）和图12（b）可以看出，传感器与测试天线耦合时，波形发生了突变，三通道显示的突变处的信号展开后的波形如图13所示，经分析可知，该突变点即为传感器的谐振点。

表2 LC谐振传感器的电感线圈和测试天线的设计参数

图12 可变电容为9 pF时的测试波形

图13 展开波形（频率为35.71 MHz）

图14 采集数据片段

一通道显示的信号为AD采集的信号，通过USB接口将采集到的数据上传至上位机，图14为上传的一部分测试数据，帧头“EB90”+2 byte帧计数+采集数据，从图14可以看出，读回的数据符合帧结构，帧计数是连续的，没有出现丢数现象。数据通过上位机软件分析处理即可得出传感器的谐振频率值。

表3为耦合距离为d=12 mm时的传感器谐振频率阻抗分析仪与本系统测试值的对比结果。实验中使用的阻抗分析仪为Agilent的E4991A，测试精度为±0.8%。由表可知：本系统谐振频率的测试值与阻抗分析仪的比较误差小于3.5%，稳定性高，说明该系统具有设计的合理性和实用性。系统的测试误差来源主要是扫频信号源分辨率和数据采集精度。扫频源分辨率会影响测试信号的光滑程度而影响谐振特征产生测试误差。数据采集精度会影响数字采集信号对其原始信号的恢复，继而带来测试误差。

表3 传感器谐振频率阻抗分析仪与本系统测试值的对比结果

6 总结

本文介绍了LC谐振传感器互感耦合系统的理论模型，并设计了一种LC谐振传感器信号检测系统，该系统实现了对LC谐振传感器信号的采集存储，并通过上位机实时监测与分析。实验结果表明，本系统具有测量精度高、可靠性强、电路简单等特点。此外，通过本系统测试到的LC传感器谐振频率值与阻抗分析仪的比较误差小于3.5%，有望应用于LC传感器信号无线测量的领域。

［1］ Nopper R，Niekrawietz R，Reindl L.Wireless Readout of Passive LC Sensors［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2010，59（9）：2450-2457.

［2］ Xiong J J，Li Y，Hong Y P，et al.Wireless LTCC-Based Capacitive Pressure Sensor for Harsh Environment［J］.Sensors and Actuators A：Physical，2013，197：30-37.

［3］ Xiong J J，LI Y，Hong Y P，et al.Wireless LTCC-Based Capacitive Pressure Sensor for Harsh Environment［J］.Sensors and Actuators A：Physical，2013，197：30-37.

［4］ Ee L T，Wen N N，Ranyuan S，et al.A Wireless，Passive Sensor for Quantifying Packaged Food Quality［J］.Sensors，2007，7（9）：1747-1756.

［5］ Yoon H J，Jung J M，Jeong J S，et al.Micro Devices for a Cerebrospinal Fluid（CSF）Shunt System［J］.Sensors and Actuators.A：Physical，2004，110（1-3）：68-76.

［6］ Harpster T J，Stark B，Najafi K.A Passive Wireless Integrated Humidity Sensor［J］.Sensors and Actuators.A：Physical，2002，95（2）：100-107.

［7］ Nopper R，Has R，Reindl L.A Wireless Sensor Readout System—Circuit Concept，Simulation，and Accuracy［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2011，60（8）：2976-2983.

［8］ 邱关源.电路［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［9］ 杨加功，石雄，彭世蕤.低失真有源混频器AD831的工作原理及应用［J］.国外电子元器件，2001（11）：49-52.

［10］张强.单电源低功耗运算放大器AD820/AD822/AD824的特点与应用［J］.国外电子元器件，1997（7）：38-41.

［11］安震，张会新.基于PCI总线与FPGA多通道信号采集传输系统的设计［J］.科学技术与工程，2013，13（3）：625-629.

［12］李爱华，王章瑞.高速FIFO存储芯片IDT7207在虚拟逻辑分析仪设计中的应用［J］.仪表技术与传感器，2003（3）：39-42.

［13］林卓然.VB程序设计［M］.北京：电子工业出版社，2009.

［14］Mohan S S，Del Mar Hershenson M，Boyd S P，et al.Simple Accurate Expressions for Planar Spiral Inductances［J］.IEEE Journal of Solid-State Circuits，1999，34（10）：1419-1424.

［15］康昊，谭秋林，秦丽，等.基于LTCC的无线无源压力传感器的研究［J］.传感技术学报，2013，26（4）：498-501.

［16］任重，蔡婷，谭秋林，等.氧化铝陶瓷基无线无源压力传感器的高温性能研究［J］.传感技术学报，2014，27（9）：1169-1173.

张海瑞（1988-），男，山西人，硕士研究生，主要从事动态测试技术及仪器、微纳传感方面的研究，zhanghairuinuc@ 163.com；

熊继军（1971-），男，湖北人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为传感器技术、微纳器件与系统研究，xiongjijunnuc@126.com。

Signal Detection System of LC Resonant Sensors*

ZHANG Hairui，PENG Xufeng，LIANG Ting，HONG Yingping，CAO Qun，ZHENG Tingli，XIONG Jijun*
（Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China）

According to the theoretical model of the mutual coupling system for LC resonant sensors，a signal detection system for LC resonant sensors was designed.The signal detection system includes analog parts，digital parts and calculating methods.Analog parts extract resonance information via mixer，and transform output signal to dc signal with low pass filter（LPF）which is convenient for data acquisition.Digital parts complete signal acquisition and transmit to PC for processing and analysis.Calculating method realizes obtaining resonance frequency from the dc signal of carrying resonance information by synchronizing linear sweep frequency source of the analog parts and the data acquisition of the digital parts.The experimental results prove that the signal detection system can obtain the LC resonant sensors'testing signal completely，it has stable performance and high accuracy，and the resonant frequency measurement error is less than 3.5%.The system can be applied to measure LC sensors'signal wirelessly. Key words：LC resonant sensors；wireless measurement；resonant frequency；mixer；LPF；signal acquisition

TP216.1

A

1004-1699（2015）04-0503-07

7210

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.04.009

项目来源：国家杰出青年科学基金项目（51425505）；国家自然科学基金面上项目（61471324）

2014-11-03 修改日期：2015-01-08