利用中继线圈增强LC传感器读出距离的方法研究

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LC传感器广泛应用于工业制造,航空航天和生物医学工程领域。通常来说,LC传感器由电感与电容连接形成。LC无源无线传感器不需要物理连接和电源,使其能够胜任恶劣环境下的测量。凭借其小体积,无电池和长寿命等出色性能,无源无线传感器成为解决恶劣环境中测量问题的新兴技术,例如旋转部件,高温环境等的测量。  电感-电容(LC)无源无线传感系统由LC传感器和读出线圈组成。其工作原理是:待测参数引起LC传感器敏感部件的改变,从而改变传感器的谐振频率。LC传感器与读出线圈之间通过互感实现信号耦合,从而进行信号读出。一般而言,LC传感器的读出距离因其小尺寸而受到限制,通常与传感器的电感尺寸相当。其他影响读出距离的关键参数是衬底材料,寄生电容及其寄生电阻的大小。实现LC传感器长距离通讯的主要方法是增强空间磁场强度,加强读出线圈与LC传感器之间的互感耦合。目前,已有的方法是利用一个中继谐振线圈实现互感耦合的增强,以达到增加信号传输距离的方法。  本文基于前人的研究基础,提出一种利用两个中继线圈来实现LC传感器读出距离增加的方法。所提出的中继线圈由一个电感线圈与一个可变电容组成。当中继线圈的谐振频率与LC传感器的谐振频率一致时,产生强磁耦合,空间磁场强度达到最大,从而增加LC传感器的读出距离。相比于只使用一个中继线圈而言,利用两个中继线圈可以使得空间磁场强度更大,从而使得读出线圈与传感器之间产生更大的互感耦合。本文提出的双中继线圈的电路模型和版图结构利用ADS仿真软件进行验证。在实验部分,中继线圈由一个PCB制造的平面电感线圈与一个变容二极管组成。通过改变施加在变容二极管上的电压来改变其电容值。LC传感器由一个PCB平面电感与一个敏感电容组成。实验和仿真结果表明,采用两个谐振线圈可以提高无源无线传感器的读出距离。
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