本發(fā)明涉及傳感器檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種LC諧振式傳感器的檢測電路及檢測方法。

背景技術(shù)：

LC諧振式傳感器的核心組成部分為由電感、電容串聯(lián)組成的LC諧振回路，其中電感或電容作為敏感單元感受被測量(例如：壓力、溫度、化學(xué)量等)，將被測量轉(zhuǎn)化為LC諧振回路的諧振頻率。為獲取LC諧振式傳感器信號，還需要檢測電路與之匹配。圖1是現(xiàn)有技術(shù)中常用的LC諧振式傳感器檢測電路，其檢測原理主要基于阻抗變化法，即利用傳感器與讀取線圈的等效輸入阻抗的頻率特性(幅度-頻率、相位-頻率、實部-頻率、虛部-頻率)間接測量傳感器的諧振頻率。

由于LC諧振式傳感器的敏感單元采用電感和電容組成，使其具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、制造成本較低的優(yōu)點，同時由于其具有可無線測量特性，因而特別適用于封閉環(huán)境下物理量的非接觸式監(jiān)測，例如人體內(nèi)部壓力監(jiān)測、工業(yè)高溫環(huán)境以及密閉環(huán)境下信號的檢測等。

根據(jù)LC諧振式傳感器的工作原理，在實驗室常常使用高精度的網(wǎng)絡(luò)分析儀測量讀取線圈的阻抗相位譜，從阻抗相位譜中檢測出傳感器的諧振頻率，但網(wǎng)絡(luò)分析儀的體積大、設(shè)備笨重、成本高，由于網(wǎng)絡(luò)分析儀存在上述體積、成本等方面的限制使其很難應(yīng)用于實際檢測中。M.Nowak等人提出的閉環(huán)檢測電路是通過鎖定讀取線圈阻抗相位為零的位置測量傳感器的諧振頻率；J.Coosemans等人提出的基于壓控振蕩器(VCO)的檢測電路，其通過電壓控制VCO輸出掃頻信號測量讀取線圈輸入阻抗的頻率特性，從而實現(xiàn)傳感器諧振頻率的測量；然而，對于高諧振頻率的LC諧振式傳感器，采用閉環(huán)電路檢測方法，難以實現(xiàn)穩(wěn)定的閉環(huán)；而采用VCO的檢測方法產(chǎn)生的掃頻信號質(zhì)量(幅度一致性、頻率間隔等)較差，且檢測速度較慢。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種LC諧振式傳感器的檢測電路及檢測方法，降低了LC諧振式傳感器檢測電路復(fù)雜度和激勵信號對傳感器信號的干擾，提高了測量速度和便攜性。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種LC諧振式傳感器檢測電路，其特征在于，包括：基于FPGA的SoPC系統(tǒng)、脈沖發(fā)生器、發(fā)射線圈、讀取線圈、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中：

所述基于FPGA的SoPC系統(tǒng)與所述脈沖發(fā)生器連接，用于向所述脈沖發(fā)生器發(fā)送控制命令；

所述脈沖發(fā)生器與所述發(fā)射線圈連接，用于通過所述發(fā)射線圈發(fā)射激勵信號；

所述發(fā)射線圈，用于發(fā)射激勵信號，激勵LC諧振式傳感器，使其感應(yīng)產(chǎn)生衰減信號；

所述讀取線圈與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，用于接收LC諧振式傳感器產(chǎn)生的所述衰減信號，并將其送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與所述讀取線圈及基于FPGA的SoPC系統(tǒng)連接，用于將所述讀取線圈接收到的LC諧振式傳感器的衰減信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將其送入所述基于FPGA的SoPC系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種LC諧振式傳感器檢測電路檢測方法，其特征在于，包括：

基于FPGA的SoPC系統(tǒng)控制脈沖發(fā)生器經(jīng)發(fā)射線圈產(chǎn)生激勵信號；

LC諧振式傳感器吸收激勵信號的能量后感應(yīng)產(chǎn)生衰減信號；

該衰減信號經(jīng)讀取線圈接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣后，轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，并傳送至基于FPGA的SoPC系統(tǒng)；

基于FPGA的SoPC系統(tǒng)對該數(shù)字信號經(jīng)DFT計算得到LC諧振式傳感器輸出信號頻譜，再通過峰值檢測算法計算出頻譜峰值所在頻率，即為LC諧振式傳感器的諧振頻率。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明LC諧振式傳感器的檢測電路及檢測方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)采用脈沖激勵方式實現(xiàn)LC諧振式傳感器的無線測量，降低了高諧振頻率的LC諧振式傳感器檢測電路的實現(xiàn)難度，提高了檢測速度；

(2)讀取線圈采用雙電感反相串聯(lián)差分接收方式，降低了矩形脈沖激勵信號及外界電磁噪聲對LC諧振式傳感器產(chǎn)生的有效信號造成的干擾，提高了讀取線圈接收信號的信噪比；

(3)采用FPGA實現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)降低了系統(tǒng)成本，減小了系統(tǒng)體積，提高了系統(tǒng)的便攜性。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的LC諧振式傳感器檢測電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明所采用的檢測電路工作原理示意圖；

圖3為本發(fā)明所采用的發(fā)射線圈、LC諧振式傳感器和讀取線圈構(gòu)成互感耦合電路及其等效電路圖；

圖4為本發(fā)明的LC諧振式傳感器輸出信號頻譜圖；

圖5為本發(fā)明的LC諧振式傳感器檢測電路檢測方法流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

在本發(fā)明的具體實施例中，提供了一種LC諧振式傳感器檢測電路。圖2為本發(fā)明的實施例中LC諧振式傳感器檢測電路的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本發(fā)明LC諧振式傳感器檢測電路包括：基于FPGA的SoPC系統(tǒng)、脈沖發(fā)生器、發(fā)射線圈、讀取線圈、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及上位機，其中：

所述基于FPGA的SoPC系統(tǒng)與所述脈沖發(fā)生器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及上位機連接，用于控制所述脈沖發(fā)生器，處理所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)字信號，運算得到LC諧振式傳感器的諧振頻率，并將其上傳至所述上位機，以及執(zhí)行所述上位機的控制命令；

所述基于FPGA的SoPC系統(tǒng)包括頻譜計算模塊(例如頻譜計算IP)以及控制模塊(例如MicroBlaze軟核)。其中，所述頻譜計算模塊用于對LC諧振式傳感器產(chǎn)生的衰減正弦信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號進行實時DFT(離散傅里葉變換)運算，計算得到LC諧振式傳感器信號頻譜；所述控制模塊用于實現(xiàn)檢測電路的控制功能和數(shù)據(jù)處理功能，通過對所述頻譜計算模塊得到的頻譜進行峰值檢測，找到頻譜峰值對應(yīng)的頻率點，即為LC諧振式傳感器的諧振頻率，并與所述上位機進行控制命令和數(shù)字命令的通信；

所述脈沖發(fā)生器與所述基于FPGA的SoPC系統(tǒng)及發(fā)射線圈連接，用于接收所述基于FPGA的SoPC系統(tǒng)的控制命令，并通過所述發(fā)射線圈發(fā)射矩形脈沖激勵信號；

所述發(fā)射線圈與所述脈沖發(fā)生器連接，用于發(fā)射矩形脈沖激勵信號，激勵LC諧振式傳感器，使其感應(yīng)產(chǎn)生衰減正弦信號；

所述讀取線圈與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，用于接收LC諧振式傳感器產(chǎn)生的衰減正弦信號，并將其送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

本發(fā)明的發(fā)射線圈、LC諧振式傳感器和讀取線圈構(gòu)成如圖3所示的互感耦合電路及其等效電路。所述讀取線圈采用雙電感反相串聯(lián)差分接收方式，即將兩個電感反相串聯(lián)形成差分輸入結(jié)構(gòu)，用以降低矩形脈沖激勵信號及外界電磁噪聲對LC諧振式傳感器產(chǎn)生的有效信號造成的干擾，提高讀取線圈接收信號的信噪比。為實現(xiàn)這一目的，所述讀取線圈的兩個電感應(yīng)保證除極性相反外其它參數(shù)完全相同，使得讀取線圈兩電感之間的互感代數(shù)和為零；所述發(fā)射線圈關(guān)于讀取線圈的兩個電感完全對稱，使得發(fā)射線圈與讀取線圈雙電感間的互感量相等或近似相等，兩互感的代數(shù)和為零；

在該電路中，U_I、U_O分別為該互感耦合電路的輸入、輸出電壓，I_T、I_S、I_R分別為流經(jīng)發(fā)射線圈、LC諧振式傳感器及讀取線圈的電流，L_T、R_T分別為發(fā)射線圈的電感及其串聯(lián)等效電阻，C_S、L_S、R_S分別為LC諧振式傳感器的敏感電容、固定電感及其等效串聯(lián)電阻，L_R1、R_R1和L_R2、R_R2分別為讀取線圈中兩反相串聯(lián)的電感及其串聯(lián)等效電阻，M_TS、M_SR1、M_SR2分別為發(fā)射線圈與傳感器的互感、傳感器與讀取線圈電感L_R1的互感及傳感器與讀取線圈電感L_R2的互感。

其中：流經(jīng)發(fā)射線圈、LC諧振式傳感器及讀取線圈的電流分別為：

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分別為發(fā)射線圈、LC諧振式傳感器和讀取線圈的傳遞函數(shù)，k_T、k_S、k_R均為比例系數(shù)，其表達式如下：

k_T(ω)＝j(luò)ωM_TS (7)

k_S(ω)＝j(luò)ω(M_SR1-M_SR2) (8)

k_R(ω)＝R_R1+R_R2 (9)

聯(lián)立(1)-(3)式，并代入(4)-(9)式可得I_R表達式。

該互感耦合電路輸出電壓為：

U_O(ω)＝k_R(ω)I_R(ω) (10)

該互感耦合電路傳遞函數(shù)為：

該互感耦合電路的輸入信號為矩形脈沖激勵信號，其傅里葉變換為：

其中，E為矩形脈沖幅度，τ為矩形脈沖寬度，ω為角頻率。

該互感耦合電路的輸出電壓信號的傅里葉變換為：

Y(ω)＝H(ω)X(ω) (13)

輸出信號頻譜如圖4所示，頻譜峰值|Y(ω)|_max對應(yīng)的頻率即為LC諧振式傳感器的諧振頻率f_res。

最后，待測值x可通過標定實驗得到的待測值與諧振頻率的函數(shù)關(guān)系式反推得到：

x＝k·f_res+b (14)

其中，k和b為標定實驗得到的待測值與諧振頻率的函數(shù)關(guān)系式中的擬合系數(shù)。

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與所述基于FPGA的SoPC系統(tǒng)及讀取線圈連接，用于將所述讀取線圈接收到的LC諧振式傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將其送入所述基于FPGA的SoPC系統(tǒng)；

所述上位機與所述基于FPGA的SoPC系統(tǒng)連接，用于控制所述基于FPGA的SoPC系統(tǒng)，接收所述基于FPGA的SoPC系統(tǒng)運算得到LC諧振式傳感器的諧振頻率，通過諧振頻率與被測量間的函數(shù)關(guān)系推算出被測量值，并將被測量值實時顯示于上位機。

如圖5所示的LC諧振式傳感器檢測電路檢測方法，其檢測方法包括以下步驟：

步驟1：基于FPGA的SoPC系統(tǒng)接收到上位機的控制信號，開始對LC諧振式傳感器進行檢測；

步驟2：基于FPGA的SoPC系統(tǒng)控制脈沖發(fā)生器經(jīng)發(fā)射線圈產(chǎn)生矩形脈沖激勵信號；

步驟3：LC諧振式傳感器吸收矩形脈沖激勵信號的能量后感應(yīng)產(chǎn)生衰減正弦信號；

步驟4：該衰減正弦信號經(jīng)讀取線圈接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣后，轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，并送至基于FPGA的SoPC系統(tǒng)；

步驟5：基于FPGA的SoPC系統(tǒng)對該數(shù)字信號經(jīng)DFT計算得到輸出信號頻譜，再通過峰值檢測算法計算出頻譜峰值所在頻率，即為LC諧振式傳感器的諧振頻率；

所述檢測方法還可進一步包括步驟6：將上述步驟5得到的諧振頻率上傳至上位機，上位機通過諧振頻率與被測量間的函數(shù)關(guān)系，推算出被測量值，最終將被測量值實時顯示于上位機。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當對本發(fā)明LC諧振式傳感器檢測電路及檢測方法有了清楚的認識。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進行簡單地更改或替換。

當然，根據(jù)實際需要，本發(fā)明LC諧振式傳感器的檢測電路及檢測方法還包含其他的結(jié)構(gòu)和步驟，由于同本發(fā)明的創(chuàng)新之處無關(guān)，此處不再贅述。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。