如何使用LC谐振实现无线无源温度传感器的研究

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上传日期: 2020-03-25

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  温度传感器广泛应用于如工业制造、航空航天、生物工程领域。然而传统的有线温度传感器却难以在旋转部件、高温恶劣环境等场合应用,无线无源温度传感器由于不需要物理连线,也不需要对传感器供电,这使得在这些特殊领域的温度测量成为可能,因此开展无线无源温度传感器的研究具有重要的意义。

  本文首先基于电感电容谐振电路理论以及电感耦合的无线测试方式,通过建立等效电路,推出了无线测试端口的阻抗,给出了端口阻抗和频率的变化关系。采用厚度为0.2mm,具有高介电常数的陶瓷基板,基于双层螺旋电感和平板电容结构设计了两种尺寸的LC谐振传感器,传感器1的基片直径为25mm,传感器的螺旋电感线宽和间距宽均为0.4mm,计算得出其谐振频率约为1.18MHz。传感器2的基片直径为13mm,螺旋电感的线宽为0.2mm,间距为0.4mm,计算得出其谐振频率约为5.49MHz。

  其次,使用光刻、金属薄膜蒸镀,电镀加厚等工艺在陶瓷基片两面制作了螺旋电感和平板电容电路,完成了传感器的制备。使用阻抗分析仪及矢量网络分析仪无线测试了器件的阻抗特性以及在不同温度下阻抗温度的变化特性。测试结果表明,室温下,传感器1和传感器2的谐振频率分别为1.05MHz和5.02MHz。随着温度从常温升高到130℃,两个传感器的谐振频率随着温度的升高而降低,呈线性变化,线性拟合结果表明传感器1的谐振频率随温度的变化率约为1.7kHz/℃,传感器2的谐振频率随温度的变化率约为9.44kHz/℃。

  基于对测试线圈两端电压变化的测试,本文设计并制作了基于MSP430F149单片机的传感器电路测试系统。系统通过单片机对AD9850信号发生模块的控制来产生信号,最高频率可达20MHz,扫频间隔可调,测试线圈端口的电压幅值通过一个二极管电阻电容整流电路得到,通过单片机自带的12位AD采样转换模块对该电压幅值采样,实验测试结果表明,该系统可以实现在频率范围内对线圈两端的电压进行采集,并通过比较得出传感器的谐振频率点。该电路测试得到的传感器谐振频率与使用阻抗分析仪测试得到的谐振频率点基本一致,表明设计与制作的测试电路能实现对传感器的无线测试功能。|

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