一种远距离LC无源无线传感系统的制作方法

本发明涉及无线无源传感系统技术领域，特别涉及一种远距离lc无源无线传感系统。

背景技术：

在越来越多的领域内，lc无源无线传感器已经被广泛用于监测环境的物理、化学、生物参数。优势在于：其一，无需有线连接，适用于移动或旋转的物体、人体内部以及恶劣的环境；其二，无源特性，体积小、寿命长。但是，其自身的小尺寸特性造成采用传统方法的读出距离非常有限。现有技术中，无线传感有三种方式：一种是辐射式，传输距离较长，但全方向的天线传输效率特别低，而单方向的辐射需要不间断的视线和复杂的跟踪装置；另一种是电磁感应式，传输距离极小；最后一种是磁耦合谐振式，有效适用于中场传输，无论周围空间几何形状如何，对环境内物体产生的干扰和损耗都很小。因此，磁耦合谐振式应用最广泛，为了增强无源无线传感器信号传输距离，研究者们提出一种在传感器和读出电路中间增加频率可调式中继线圈的方法，使得每个电感线圈之间通过谐振式强磁耦合。但该技术，需要精确计算出强磁耦合的临界值，以避免出现频率分裂，同时，中继线圈使得整个传感系统结构变的复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术所存在的不足而提出一种远距离lc无源无线传感系统，该系统中探测电路与lc无源无线传感器电路通过电感磁谐振弱耦合无线连接，无需计算磁耦合的临界值，因此简化了整个传感系统的结构。通过设计使得探测电路与lc无源无线传感器电路的电容值、电感值均相等，因此探测电路与lc无源无线传感器电路的谐振频率相同；电阻值互为相反数，因此系统增益和损耗也相等，满足pt对称性。进一步，通过设计使得探测电路与lc无源无线传感器电路的电容值、电感值不必完全相等，但仍然保持探测电路与lc无源无线传感器电路的谐振频率相同、系统的增益和损耗也相等，满足ptx对称性。无论采用何种电路设计，本发明提出的lc无源无线传感系统均能避免发生频率分裂，实现了无源无线信号增强以及超长距离传输。

为了解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案：

一种远距离lc无源无线传感系统，包括：探测电路和lc无源无线传感器电路。探测电路与lc无源无线传感器电路通过电感磁谐振弱耦合无线连接。探测电路发送激励信号至lc无源无线传感器电路，lc无源无线传感器电路根据待测物理量的变化产生调制信号，调制信号通过电感磁谐振弱耦合方式传输到探测电路，进而由探测电路解析出待测物理量的变化。

探测电路包括：第一电感线圈、可调电阻、可调电容模块和矢量网络分析模块。第一电感线圈的一端连接可调电阻的一端，可调电阻的另一端连接矢量网络分析模块的一端，矢量网络分析模块的另一端连接可调电容模块的一端，可调电容模块的另一端连接第一电感线圈的另一端。

其中，可调电容模块包括：变容二极管、直流电压源、阻交电阻、第一隔直电容、第二隔直电容。第二隔直电容的一端与矢量网络分析模块相连，第二隔直电容的另一端与变容二极管的正极相连，变容二极管的负极与第一隔直电容的一端相连，第一隔直电容的另一端与第一电感线圈的一端相连；直流电压源的正极与变容二极管的正极相连，直流电压源的负极与阻交电阻的一端相连，阻交电阻的另一端与变容二极管的负极相连。矢量网络分析模块包括：交流信号源和源内阻，交流信号源的一端与可调电容模块相连，交流信号源的另一端与源内阻的一端相连，源内阻的另一端与可调电阻的一端相连，可调电阻的另一端与第一电感线圈的另一端连接。

lc无源无线传感器电路包括：第二电感线圈、负载或电路寄生电阻、敏感电容；第二电感线圈的一端连接负载或电路寄生电阻的一端，负载或电路寄生电阻的另一端连接敏感电容的一端，敏感电容的另一端连接第二电感线圈的另一端。

为避免探测电路与lc无源无线传感器电路发生频率分裂，影响无源无线信号的远距离传输，本发明提出对探测电路和lc无源无线传感器电路的电容值、电感值和电阻值进行优化设计，分为如下两种方案：

第一种设计方案：第一电感线圈的电感值和第二电感线圈的电感值相同；可调电容模块的电容值和敏感电容的电容值相等：探测电路的电阻值是负载或电路寄生电阻电阻值的相反数。

其中，矢量网络分析模块在一个闭合回路中，带有源内阻为r0的交流信号源，在计算探测电路的电阻值时，整个矢量网络分析仪模块采用负电阻-r0来表示，因此，探测电路的总电阻是负电阻-r0与可调电阻串联的结果。

此时，探测电路与lc无源无线传感器电路的谐振频率相同，探测电路的增益与lc无源无线传感器电路损耗也相等，整个lc无源无线传感系统满足pt对称性。

第二种设计方案：第一电感线圈的电感值是第二电感线圈的电感值的x倍；可调电容模块的电容值是敏感电容的电容值的1/x倍；探测电路电阻值是负载或电路寄生电阻电阻值的-x倍。

其中，矢量网络分析模块在一个闭合回路中，带有源内阻为r0的交流信号源，在计算探测电路的电阻值时，整个矢量网络分析仪模块采用负电阻-r0来表示，因此，探测电路的总电阻是负电阻-r0与可调电阻串联的结果。

此时，探测电路与lc无源无线传感器电路的谐振频率相同，探测电路的增益与lc无源无线传感器电路的损耗也相等，整个lc无源无线传感系统满足ptx对称性。

本发明提出的一种远距离lc无源无线传感系统，相比现有技术，具有以下效益：

1、探测电路中增加可调电容模块，利用电感谐振式弱耦合进行高效率的信号传输，相比传统的无源无线传感系统，极大提高了传输距离。

2、探测电路的电容值可调，使得探测电路固有频率可与传感器电路信号频率时刻保持一致，实现了全频信号的高效传输。

3、探测电路中增加可调电阻，极大提高了信号强度以及q值。

4、基于pt对称破缺区的远距离lc无源无线传感系统，相比传统的传感系统，无需设置中继线圈，从而简化了传感系统结构。

5、基于ptx对称破缺区的远距离lc无源无线传感系统，相比基于pt对称破缺区的远距离lc无源无线传感系统，电路结构设计对电感电容要求更灵活。

附图说明

图1是本发明提出的一种远距离lc无源无线传感系统的结构框图。

图2是本发明提出的一种远距离lc无源无线传感系统的等效电路图。

图3是采用本发明提出的一种基于pt对称破缺区的远距离lc无源无线传感系统的湿度探测图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施案例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

实施例1。本发明提出的一种远距离lc无源无线传感系统的结构框图如图1所示，远距离lc无源无线传感系统包括：探测电路1和lc无源无线传感器电路2；探测电路1与lc无源无线传感器电路2通过电感磁谐振式弱耦合无线连接。

本发明提出的一种远距离lc无源无线传感系统的等效电路如图2所示，探测电路1包括：第一电感线圈11、可调电阻12、可调电容模块13和矢量网络分析模块14。第一电感线圈11的一端连接可调电阻12的一端，可调电阻12的另一端连接矢量网络分析模块14的一端，矢量网络分析模块14的另一端连接可调电容模块13的一端，可调电容模块13的另一端连接第一电感线圈11的另一端。

其中，可调电容模块13包括：变容二极管131、直流电压源132、阻交电阻133、第一隔直电容134、第二隔直电容135。第二隔直电容135的一端与矢量网络分析模块14相连，第二隔直电容135的另一端与变容二极管131的正极相连，变容二极管131的负极与第一隔直电容134的一端相连，第一隔直电容134的另一端与第一电感线圈11的一端相连；直流电压源132的正极与变容二极管131的正极相连，直流电压源132的负极与阻交电阻133的一端相连，阻交电阻133的另一端与变容二极管131的负极相连。矢量网络分析模块14包括：交流信号源141和源内阻142，交流信号源141的一端与可调电容模块13相连，交流信号源141的另一端与源内阻142的一端相连，源内阻142的另一端与可调电阻12的一端相连，可调电阻12的另一端与第一电感线圈11的另一端相连。

根据图2所示，lc无源无线传感器电路2包括：第二电感线圈21、负载或电路寄生电阻22、敏感电容23；第二电感线圈21的一端连接负载或电路寄生电阻22的一端，负载或电路寄生电阻22的另一端连接敏感电容23的一端，敏感电容23的另一端连接第二电感线圈21的另一端。

优选实施例中，激励信号以载波信号的形式由矢量网络分析模块14发出，通过可调电容模块13传递给第一电感线圈11，该载波信号由第一电感线圈11通过电感磁谐振式弱耦合传输给第二电感线圈21。此时载波信号带来的能量在第二电感线圈21与敏感电容23之间来回震荡，同时负载或电路寄生电阻22产生能量损耗。当受环境影响的敏感电容23的电容值发生变化，敏感电容23的这一特性使得lc无源无线传感器电路2的阻抗z随着发生变化。因此，可以利用变化的阻抗z来调制lc无源无线传感器电路2中载波信号的能量幅度。因能量幅度变化而形成的调幅信号再由第二电感线圈21通过电感磁谐振式弱耦合到第一电感线圈11，根据调幅信号由矢量网络分析模块14进行能量幅度变化的分析。

实施例2。为避免探测电路与lc无源无线传感器电路发生频率分裂，影响无源无线信号的远距离传输，本发明提出对探测电路和lc无源无线传感器电路的电容值、电感值和电阻值进行优化设计。

第一种设计方案中，探测电路1与lc无源无线传感器2中各电路参数满足如下关系：

(1)第一电感线圈11的电感值和第二电感线圈21的电感值相同；

(2)可调电容模块13的电容值和敏感电容23的电容值相等：

(3)探测电路1的电阻值等于负载或电路寄生电阻23的电阻值相反数。

其中，矢量网络分析模块14在一个闭合回路中，带有源内阻142为r0的交流信号源，在计算探测电路1的电阻值时，整个矢量网络分析仪模块14采用负电阻-r0来表示，因此，探测电路的总电阻是负电阻-r0与可调电阻12串联的结果。

第二种设计方案，探测电路1与lc无源无线传感器2中各电路参数满足如下关系：

(1)第一电感线圈11的电感值是第二电感线圈21的电感值的x倍；

(2)可调电容模块13的电容值是敏感电容23的电容值的1/x倍；

(3)探测电路1电阻值是负载或电路寄生电阻22的电阻值的-x倍。

其中，矢量网络分析模块14在一个闭合回路中，带有源内阻142为r0的交流信号源，在计算探测电路1的电阻值时，整个矢量网络分析仪模块14采用负电阻-r0来表示，因此，探测电路的总电阻是负电阻-r0与可调电阻12串联的结果。

通过上述两种设计方案，都能使得探测电路1与lc无源无线传感器电路2的频率相同，使得探测电路1与lc无源无线传感器电路2处于谐振状态，因此能够获得更高的传输效率、更远的传输距离。在相同探测距离下，探测电路1中的可调电阻12产生的能量损耗与负载或电路寄生电阻22产生的能量损耗，共同抵消由矢量网络分析模块14带来的能量增益，从而使得信号强度增大。

在信号稳定的环境下，敏感电容23的电容值是固定不变的，因此lc无源无线传感器电路2的谐振频率也恒定不变。此时，调节探测电路1中的变容二极管131两端的电压，可以引起变容二极管131电容值以及探测电路1的谐振频率的变化。当探测电路1与lc无源无线传感器电路2的传输信号频率相等时，矢量网络分析模块14测得的反射系数信号最强，即可得到待测物理量的变化。

实施例3。本优选实施例中，基于pt对称破缺区的远距离lc无源无线传感系统，以一个lc型湿度传感器开展试验。随着环境湿度的变化，湿度传感器的谐振频率发生变化，采用本发明提出的探测电路，在探测距离d＝5cm处测试得到了5个不同湿度点下的一系列响应曲线s11，如图3所示。图3中，fs为待测的湿度传感器的谐振频率，fr为探测电路的谐振频率，调节fr进行循环扫描，得到了每个湿度点下5条s11曲线。当fr＝fs时，即传感系统发生共振，此时矢量网络分析模块14测得的s11信号最强，因此信号最强曲线对应的频率即为当前检测的lc型湿度传感器的谐振频率。探测距离d＝5cm，对于传统探测电路而言，已经无法读取到信号。而该lc型湿度传感器采用了本发明提出的远距离lc无源无线传感系统，因此信号强度在d＝5cm的探测距离下仍可以达到-43db。可见，本发明提出的远距离lc无源无线传感系统实现了无源无线信号增强以及超长距离传输。

以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种远距离lc无源无线传感系统技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。