基于LC无源无线传感的探测方法

发布时间：2018-03-04 14:22

本文选题：多参数　切入点：长距离　出处：《东南大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：LC(电感电容)无源无线传感器将待测参数转换为谐振频率,并通过互感耦合的方式非接触测量这个频率,从而实现无源无线检测。LC型传感器节点通常由平面电感和敏感电容构成,没有有源器件,不带电源,理论上具有无限寿命,非常适合于狭小密闭空间、机械旋转结构、恶劣环境等的无线传感应用。随着MEMS技术和物联网技术的发展,LC无源无线传感器已成为本领域国际上主要研究方向之一。现有LC无源无线传感器研究工作大多侧重于传感器节点本身,而信号的无线读取并没有引起足够的重视。本文对LC无源无线传感技术开展了研究,特别是在增强读出性能与实现多参数测量方面,主要研究内容和创新包括:(1)介绍了 LC电谐振的基础理论,分析了谐振频率的提取方法,介绍了 LC传感器的几种重要的组成元件及其相应的基本原理。在此基础上,分析了LC传感器的几种敏感机理。此外,对测试环境的介电常数带来的影响做了实验研究。结果表明,环境介电常数较大的情况下,耦合电容对探测结果产生的影响较大,不能忽略。(2)提出了一种利用自适应中继线圈增加LC无源无线传感器读出距离的方法,分析了自适应中继线圈的工作原理,建立了等效电路模型,并分析了临界耦合距离的计算方式,以避免频率分裂带来的谐振峰偏移与灵敏度下降等问题。利用自适应中继线圈对LC湿度传感器进行探测以验证其增强性能。结果表明,在保持信号强度不变的情况下,自适应中继线圈能够将读出距离增加到原来的3倍,并且保持灵敏度不变。在此基础上,将中继线圈的外部控制信号用无线能量耦合的方式代替,使得中继线圈完全成为无源无线的工作方式。实验中,利用无源无线中继线圈将LC传感器的读出距离增强到原来的3.2倍,并且保持信号强度与灵敏度不变。(3)提出了一种工作频率可调的左手材料以增强LC传感器的读出性能。通过在双层线圈外部连接分立电容实现左手材料的工作频率可调性。在实验部分,利用工作频率可调的左手材料进行LC湿度传感器的读出性能测试。实验结果表明,在保持信号强度不变的情况下,左手材料能够将读出距离增强到原来的1.7倍,并且保持信号强度与灵敏度不变。(4)提出了一种绕制方向特定的叠层电感,以减小叠层电感间互感耦合带来的影响。利用三个这种叠层电感分别与湿度电容、温度电容、气压电容串联形成三个LC谐振回路,实现了湿度-温度-气压等三个参数的测量。实验结果表明,传感器电感间的互感影响几乎为零,多个谐振峰能够独立地对相应的敏感电容进行响应,同时进行多个参数的测量,并且各个谐振峰之间互不影响。(5)提出了一种集成开关的LC无源无线多参数传感器,利用开关进行多个敏感电容间的切换,使其能够测量多个待测参数。利用读出线圈进行无线能量耦合的方式对集成开关进行控制,将多个电容有序地进行切换,使得LC传感器在集成开关后仍然保持无源无线的方式。在实验部分,利用开关集成的LC传感器进行了湿度-气压的探测。实验结果表明,这种集成开关的LC无源无线多功能传感器能够实现湿度-气压的独立测量。本文着重解决LC传感器在探测过程中出现的探测距离有限,以及单片LC传感器无法进行多参数监测这两个问题。提出的自适应中继线圈的模型以及将左手材料用于LC探测系统中极大地提高了 LC传感器的读出性能,为延长LC传感器的探测距离提供了新的方向;绕制方向特定的电感模型对解决LC传感器中电感耦合问题具有指导意义;将开关集成到LC传感器中对扩展LC传感器成为多功能传感器提供了一种简单有效的方法,对这类多功能扩展的问题提供了新的思路。
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【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212

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