LC谐振式无线压力传感器信号拾取系统研究

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在高温、潮湿等恶劣的环境中以及眼内压测量、疤痕治疗等应用场合,不便利用有线有源的传感器进行压力监测,LC谐振式无线压力传感器采用无线无源方式实现对压力信号的提取,拓展了压力传感器的应用范围。目前,LC谐振式无线压力传感器的信号拾取主要使用网络分析仪或阻抗分析仪,不仅成本高,而且携带不便,极大限制了非实验室场合的应用。本文针对LC谐振式无线MEMS压力传感器的信号拾取现状,从理论分析、系统仿真、硬件设计、软件设计和实验验证等方面展开研究,设计了基于阻抗实部测量法的信号拾取系统。  基于电感耦合理论,从阅读天线和LC谐振式无线压力传感器耦合模型的等效阻抗出发,对相位测量法、阻抗实部测量法、S11测量法的拾取原理及相互参数影响关系进行了推导。结果表明阻抗实部测量法得到的谐振频率理论上几乎不随耦合系数的变化而变化,故本文采用该方法进行传感器谐振频率的提取。为了进行阻抗实部的测量,对比了向量分解法和乘法解调法两种硬件实现方案的区别,由于向量分解法测量电路的同步性要求较高,且电路设计复杂,故选用乘法解调法进行硬件电路设计,并利用ADS软件探究了耦合系数、传感器品质因数、阅读天线电感量和直流电阻对测量电路结果的影响。  为了缩短设计周期,传感器信号拾取系统设计前期,以PCB板上电感和贴片电容组合的LC谐振电路模拟LC谐振式无线压力传感器,并利用NI数据采集卡和LabVIEW工具取代DSP的数据采集和处理功能,搭建了测量系统,测试了利用乘法解调法搭建的电路对其谐振频率提取的可行性。利用LabVIEW数据采集系统探究了通过改变扫频时长和驱动电压增大乘法解调模块输出最大幅值来提高传感器耦合距离的方法。  以TMS320F28335为主控芯片进行硬件设计,信号拾取系统包括高精度线性扫频源、跨导放大、乘法解调、DSP数据采集和处理以及电源管理等模块。结合DSP数据采集与处理能力以及扫频源的工作模式和控制特征,并基于阻抗实部法的测量原理,提出了单频法和三角扫频法两种传感器谐振频率的提取算法。在搭建的阻抗实部信号拾取系统上进行了基于MEMS工艺制作的LC谐振式无线压力传感器性能的测量,测量得到的谐振频率值和待测压力之间的线性度较好,压力测量精度高于5%,并且当阅读天线和传感器之间的耦合位置发生微小偏移时,测量结果变化较小,同时比较了三角扫频法和单频法的测量结果,单频法测量误差较大,抗噪声能力较差,相反,三角扫频法具有较强的抗噪声能力。
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