LC谐振式传感器的检测电路及检测方法与流程

本发明涉及传感器检测领域，尤其涉及一种LC谐振式传感器的检测电路及检测方法。

背景技术：

LC谐振式传感器的核心组成部分为由电感、电容串联组成的LC谐振回路，其中电感或电容作为敏感单元感受被测量(例如：压力、温度、化学量等)，将被测量转化为LC谐振回路的谐振频率。为获取LC谐振式传感器信号，还需要检测电路与之匹配。图1是现有技术中常用的LC谐振式传感器检测电路，其检测原理主要基于阻抗变化法，即利用传感器与读取线圈的等效输入阻抗的频率特性(幅度-频率、相位-频率、实部-频率、虚部-频率)间接测量传感器的谐振频率。

由于LC谐振式传感器的敏感单元采用电感和电容组成，使其具有结构简单、尺寸小、制造成本较低的优点，同时由于其具有可无线测量特性，因而特别适用于封闭环境下物理量的非接触式监测，例如人体内部压力监测、工业高温环境以及密闭环境下信号的检测等。

根据LC谐振式传感器的工作原理，在实验室常常使用高精度的网络分析仪测量读取线圈的阻抗相位谱，从阻抗相位谱中检测出传感器的谐振频率，但网络分析仪的体积大、设备笨重、成本高，由于网络分析仪存在上述体积、成本等方面的限制使其很难应用于实际检测中。M.Nowak等人提出的闭环检测电路是通过锁定读取线圈阻抗相位为零的位置测量传感器的谐振频率；J.Coosemans等人提出的基于压控振荡器(VCO)的检测电路，其通过电压控制VCO输出扫频信号测量读取线圈输入阻抗的频率特性，从而实现传感器谐振频率的测量；然而，对于高谐振频率的LC谐振式传感器，采用闭环电路检测方法，难以实现稳定的闭环；而采用VCO的检测方法产生的扫频信号质量(幅度一致性、频率间隔等)较差，且检测速度较慢。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种LC谐振式传感器的检测电路及检测方法，降低了LC谐振式传感器检测电路复杂度和激励信号对传感器信号的干扰，提高了测量速度和便携性。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种LC谐振式传感器检测电路，其特征在于，包括：基于FPGA的SoPC系统、脉冲发生器、发射线圈、读取线圈、模数转换器，其中：

所述基于FPGA的SoPC系统与所述脉冲发生器连接，用于向所述脉冲发生器发送控制命令；

所述脉冲发生器与所述发射线圈连接，用于通过所述发射线圈发射激励信号；

所述发射线圈，用于发射激励信号，激励LC谐振式传感器，使其感应产生衰减信号；

所述读取线圈与所述模数转换器连接，用于接收LC谐振式传感器产生的所述衰减信号，并将其送入模数转换器；

所述模数转换器与所述读取线圈及基于FPGA的SoPC系统连接，用于将所述读取线圈接收到的LC谐振式传感器的衰减信号转换为数字信号，并将其送入所述基于FPGA的SoPC系统。

根据本发明的另一方面，提供了一种LC谐振式传感器检测电路检测方法，其特征在于，包括：

基于FPGA的SoPC系统控制脉冲发生器经发射线圈产生激励信号；

LC谐振式传感器吸收激励信号的能量后感应产生衰减信号；

该衰减信号经读取线圈接收、模数转换器采样后，转换得到数字信号，并传送至基于FPGA的SoPC系统；

基于FPGA的SoPC系统对该数字信号经DFT计算得到LC谐振式传感器输出信号频谱，再通过峰值检测算法计算出频谱峰值所在频率，即为LC谐振式传感器的谐振频率。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明LC谐振式传感器的检测电路及检测方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)采用脉冲激励方式实现LC谐振式传感器的无线测量，降低了高谐振频率的LC谐振式传感器检测电路的实现难度，提高了检测速度；

(2)读取线圈采用双电感反相串联差分接收方式，降低了矩形脉冲激励信号及外界电磁噪声对LC谐振式传感器产生的有效信号造成的干扰，提高了读取线圈接收信号的信噪比；

(3)采用FPGA实现的嵌入式系统降低了系统成本，减小了系统体积，提高了系统的便携性。

附图说明

图1为现有技术中的LC谐振式传感器检测电路的结构示意图；

图2为本发明所采用的检测电路工作原理示意图；

图3为本发明所采用的发射线圈、LC谐振式传感器和读取线圈构成互感耦合电路及其等效电路图；

图4为本发明的LC谐振式传感器输出信号频谱图；

图5为本发明的LC谐振式传感器检测电路检测方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的具体实施例中，提供了一种LC谐振式传感器检测电路。图2为本发明的实施例中LC谐振式传感器检测电路的结构示意图。如图2所示，本发明LC谐振式传感器检测电路包括：基于FPGA的SoPC系统、脉冲发生器、发射线圈、读取线圈、模数转换器以及上位机，其中：

所述基于FPGA的SoPC系统与所述脉冲发生器、模数转换器及上位机连接，用于控制所述脉冲发生器，处理所述模数转换器得到的数字信号，运算得到LC谐振式传感器的谐振频率，并将其上传至所述上位机，以及执行所述上位机的控制命令；

所述基于FPGA的SoPC系统包括频谱计算模块(例如频谱计算IP)以及控制模块(例如MicroBlaze软核)。其中，所述频谱计算模块用于对LC谐振式传感器产生的衰减正弦信号经模数转换后得到的数字信号进行实时DFT(离散傅里叶变换)运算，计算得到LC谐振式传感器信号频谱；所述控制模块用于实现检测电路的控制功能和数据处理功能，通过对所述频谱计算模块得到的频谱进行峰值检测，找到频谱峰值对应的频率点，即为LC谐振式传感器的谐振频率，并与所述上位机进行控制命令和数字命令的通信；

所述脉冲发生器与所述基于FPGA的SoPC系统及发射线圈连接，用于接收所述基于FPGA的SoPC系统的控制命令，并通过所述发射线圈发射矩形脉冲激励信号；

所述发射线圈与所述脉冲发生器连接，用于发射矩形脉冲激励信号，激励LC谐振式传感器，使其感应产生衰减正弦信号；

所述读取线圈与所述模数转换器连接，用于接收LC谐振式传感器产生的衰减正弦信号，并将其送入模数转换器；

本发明的发射线圈、LC谐振式传感器和读取线圈构成如图3所示的互感耦合电路及其等效电路。所述读取线圈采用双电感反相串联差分接收方式，即将两个电感反相串联形成差分输入结构，用以降低矩形脉冲激励信号及外界电磁噪声对LC谐振式传感器产生的有效信号造成的干扰，提高读取线圈接收信号的信噪比。为实现这一目的，所述读取线圈的两个电感应保证除极性相反外其它参数完全相同，使得读取线圈两电感之间的互感代数和为零；所述发射线圈关于读取线圈的两个电感完全对称，使得发射线圈与读取线圈双电感间的互感量相等或近似相等，两互感的代数和为零；

在该电路中，U_I、U_O分别为该互感耦合电路的输入、输出电压，I_T、I_S、I_R分别为流经发射线圈、LC谐振式传感器及读取线圈的电流，L_T、R_T分别为发射线圈的电感及其串联等效电阻，C_S、L_S、R_S分别为LC谐振式传感器的敏感电容、固定电感及其等效串联电阻，L_R1、R_R1和L_R2、R_R2分别为读取线圈中两反相串联的电感及其串联等效电阻，M_TS、M_SR1、M_SR2分别为发射线圈与传感器的互感、传感器与读取线圈电感L_R1的互感及传感器与读取线圈电感L_R2的互感。

其中：流经发射线圈、LC谐振式传感器及读取线圈的电流分别为：

I_T(ω)＝H_T(ω)[U_I(ω)-k_T(ω)I_S(ω)] (1)

I_S(ω)＝H_S(ω)[k_T(ω)I_T(ω)+k_S(ω)I_R(ω)] (2)

I_R(ω)＝H_R(ω)k_S(ω)I_S(ω) (3)

(1)-(3)式中的H_T、H_S、H_R分别为发射线圈、LC谐振式传感器和读取线圈的传递函数，k_T、k_S、k_R均为比例系数，其表达式如下：

k_T(ω)＝jωM_TS (7)

k_S(ω)＝jω(M_SR1-M_SR2) (8)

k_R(ω)＝R_R1+R_R2 (9)

联立(1)-(3)式，并代入(4)-(9)式可得I_R表达式。

该互感耦合电路输出电压为：

U_O(ω)＝k_R(ω)I_R(ω) (10)

该互感耦合电路传递函数为：

该互感耦合电路的输入信号为矩形脉冲激励信号，其傅里叶变换为：

其中，E为矩形脉冲幅度，τ为矩形脉冲宽度，ω为角频率。

该互感耦合电路的输出电压信号的傅里叶变换为：

Y(ω)＝H(ω)X(ω) (13)

输出信号频谱如图4所示，频谱峰值|Y(ω)|_max对应的频率即为LC谐振式传感器的谐振频率f_res。

最后，待测值x可通过标定实验得到的待测值与谐振频率的函数关系式反推得到：

x＝k·f_res+b (14)

其中，k和b为标定实验得到的待测值与谐振频率的函数关系式中的拟合系数。

所述模数转换器与所述基于FPGA的SoPC系统及读取线圈连接，用于将所述读取线圈接收到的LC谐振式传感器的模拟信号转换为数字信号，并将其送入所述基于FPGA的SoPC系统；

所述上位机与所述基于FPGA的SoPC系统连接，用于控制所述基于FPGA的SoPC系统，接收所述基于FPGA的SoPC系统运算得到LC谐振式传感器的谐振频率，通过谐振频率与被测量间的函数关系推算出被测量值，并将被测量值实时显示于上位机。

如图5所示的LC谐振式传感器检测电路检测方法，其检测方法包括以下步骤：

步骤1：基于FPGA的SoPC系统接收到上位机的控制信号，开始对LC谐振式传感器进行检测；

步骤2：基于FPGA的SoPC系统控制脉冲发生器经发射线圈产生矩形脉冲激励信号；

步骤3：LC谐振式传感器吸收矩形脉冲激励信号的能量后感应产生衰减正弦信号；

步骤4：该衰减正弦信号经读取线圈接收、模数转换器采样后，转换得到数字信号，并送至基于FPGA的SoPC系统；

步骤5：基于FPGA的SoPC系统对该数字信号经DFT计算得到输出信号频谱，再通过峰值检测算法计算出频谱峰值所在频率，即为LC谐振式传感器的谐振频率；

所述检测方法还可进一步包括步骤6：将上述步骤5得到的谐振频率上传至上位机，上位机通过谐振频率与被测量间的函数关系，推算出被测量值，最终将被测量值实时显示于上位机。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明LC谐振式传感器检测电路及检测方法有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

当然，根据实际需要，本发明LC谐振式传感器的检测电路及检测方法还包含其他的结构和步骤，由于同本发明的创新之处无关，此处不再赘述。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。