LC諧振式傳感器的檢測電路及檢測方法與流程
本發明涉及傳感器檢測領域，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：
LC諧振式傳感器的核心組成部分為由電感、電容串聯組成的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、化學量等)，將被測量轉化為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是現有技術中常用的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，使其具有結構簡單、尺寸小、制造成本較低的優點，同時由于其具有可無線測量特性，因而特別適用于封閉環境下物理量的非接觸式監測，例如人體內部壓力監測、工業高溫環境以及密閉環境下信號的檢測等。
根據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絡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，但網絡分析儀的體積大、設備笨重、成本高，由于網絡分析儀存在上述體積、成本等方面的限制使其很難應用于實際檢測中。M.Nowak等人提出的閉環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，采用閉環電路檢測方法，難以實現穩定的閉環；而采用VCO的檢測方法產生的掃頻信號質量(幅度一致性、頻率間隔等)較差，且檢測速度較慢。
技術實現要素：
(一)要解決的技術問題
鑒于上述技術問題，本發明提供了一種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)技術方案
根據本發明的一個方面，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、脈沖發生器、發射線圈、讀取線圈、模數轉換器，其中：
所述基于FPGA的SoPC系統與所述脈沖發生器連接，用于向所述脈沖發生器發送控制命令；
所述脈沖發生器與所述發射線圈連接，用于通過所述發射線圈發射激勵信號；
所述發射線圈，用于發射激勵信號，激勵LC諧振式傳感器，使其感應產生衰減信號；
所述讀取線圈與所述模數轉換器連接，用于接收LC諧振式傳感器產生的所述衰減信號，并將其送入模數轉換器；
所述模數轉換器與所述讀取線圈及基于FPGA的SoPC系統連接，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換為數字信號，并將其送入所述基于FPGA的SoPC系統。
根據本發明的另一方面，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系統控制脈沖發生器經發射線圈產生激勵信號；
LC諧振式傳感器吸收激勵信號的能量后感應產生衰減信號；
該衰減信號經讀取線圈接收、模數轉換器采樣后，轉換得到數字信號，并傳送至基于FPGA的SoPC系統；
基于FPGA的SoPC系統對該數字信號經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
從上述技術方案可以看出，本發明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難度，提高了檢測速度；
(2)讀取線圈采用雙電感反相串聯差分接收方式，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實現的嵌入式系統降低了系統成本，減小了系統體積，提高了系統的便攜性。
附圖說明
圖1為現有技術中的LC諧振式傳感器檢測電路的結構示意圖；
圖2為本發明所采用的檢測電路工作原理示意圖；
圖3為本發明所采用的發射線圈、LC諧振式傳感器和讀取線圈構成互感耦合電路及其等效電路圖；
圖4為本發明的LC諧振式傳感器輸出信號頻譜圖；
圖5為本發明的LC諧振式傳感器檢測電路檢測方法流程圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
在本發明的具體實施例中，提供了一種LC諧振式傳感器檢測電路。圖2為本發明的實施例中LC諧振式傳感器檢測電路的結構示意圖。如圖2所示，本發明LC諧振式傳感器檢測電路包括：基于FPGA的SoPC系統、脈沖發生器、發射線圈、讀取線圈、模數轉換器以及上位機，其中：
所述基于FPGA的SoPC系統與所述脈沖發生器、模數轉換器及上位機連接，用于控制所述脈沖發生器，處理所述模數轉換器得到的數字信號，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，以及執行所述上位機的控制命令；
所述基于FPGA的SoPC系統包括頻譜計算模塊(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諧振式傳感器產生的衰減正弦信號經模數轉換后得到的數字信號進行實時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檢測電路的控制功能和數據處理功能，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字命令的通信；
所述脈沖發生器與所述基于FPGA的SoPC系統及發射線圈連接，用于接收所述基于FPGA的SoPC系統的控制命令，并通過所述發射線圈發射矩形脈沖激勵信號；
所述發射線圈與所述脈沖發生器連接，用于發射矩形脈沖激勵信號，激勵LC諧振式傳感器，使其感應產生衰減正弦信號；
所述讀取線圈與所述模數轉換器連接，用于接收LC諧振式傳感器產生的衰減正弦信號，并將其送入模數轉換器；
本發明的發射線圈、LC諧振式傳感器和讀取線圈構成如圖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差分接收方式，即將兩個電感反相串聯形成差分輸入結構，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。為實現這一目的，所述讀取線圈的兩個電感應保證除極性相反外其它參數完全相同，使得讀取線圈兩電感之間的互感代數和為零；所述發射線圈關于讀取線圈的兩個電感完全對稱，使得發射線圈與讀取線圈雙電感間的互感量相等或近似相等，兩互感的代數和為零；
在該電路中，UI、UO分別為該互感耦合電路的輸入、輸出電壓，IT、IS、IR分別為流經發射線圈、LC諧振式傳感器及讀取線圈的電流，LT、RT分別為發射線圈的電感及其串聯等效電阻，CS、LS、RS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電阻，LR1、RR1和LR2、RR2分別為讀取線圈中兩反相串聯的電感及其串聯等效電阻，MTS、MSR1、MSR2分別為發射線圈與傳感器的互感、傳感器與讀取線圈電感LR1的互感及傳感器與讀取線圈電感LR2的互感。
其中：流經發射線圈、LC諧振式傳感器及讀取線圈的電流分別為：
IT(ω)＝HT(ω)[UI(ω)-kT(ω)IS(ω)] (1)
IS(ω)＝HS(ω)[kT(ω)IT(ω)+kS(ω)IR(ω)] (2)
IR(ω)＝HR(ω)kS(ω)IS(ω) (3)
(1)-(3)式中的HT、HS、HR分別為發射線圈、LC諧振式傳感器和讀取線圈的傳遞函數，kT、kS、kR均為比例系數，其表達式如下：
kT(ω)＝jωMTS (7)
kS(ω)＝jω(MSR1-MSR2) (8)
kR(ω)＝RR1+RR2 (9)
聯立(1)-(3)式，并代入(4)-(9)式可得IR表達式。
該互感耦合電路輸出電壓為：
UO(ω)＝kR(ω)IR(ω) (10)
該互感耦合電路傳遞函數為：
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對應的頻率即為LC諧振式傳感器的諧振頻率fres。
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關系式反推得到：
x＝k·fres+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關系式中的擬合系數。
所述模數轉換器與所述基于FPGA的SoPC系統及讀取線圈連接，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換為數字信號，并將其送入所述基于FPGA的SoPC系統；
所述上位機與所述基于FPGA的SoPC系統連接，用于控制所述基于FPGA的SoPC系統，接收所述基于FPGA的SoPC系統運算得到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關系推算出被測量值，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系統控制脈沖發生器經發射線圈產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產生衰減正弦信號；
步驟4：該衰減正弦信號經讀取線圈接收、模數轉換器采樣后，轉換得到數字信號，并送至基于FPGA的SoPC系統；
步驟5：基于FPGA的SoPC系統對該數字信號經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關系，推算出被測量值，最終將被測量值實時顯示于上位機。
至此，已經結合附圖對本發明實施例進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員應當對本發明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方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，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構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換。
當然，根據實際需要，本發明LC諧振式傳感器的檢測電路及檢測方法還包含其他的結構和步驟，由于同本發明的創新之處無關，此處不再贅述。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
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