無(wú)源無(wú)線(xiàn)多參數(shù)微型傳感器系統(tǒng)研發(fā).pdf

1、射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)在過(guò)去的幾十年滲透進(jìn)了社會(huì)生活的方方面面，包括門(mén)禁管理，物流追蹤，道路收費(fèi)，國(guó)防安全等。然而在許多場(chǎng)合，需要能夠檢測(cè)震動(dòng)、溫度、壓力、濕度等環(huán)境參數(shù)。例如，在密閉油漆噴涂房?jī)?nèi)，需要實(shí)時(shí)控制密閉空間內(nèi)的溫濕壓狀況，以使噴涂效果達(dá)到最佳;在旋轉(zhuǎn)的軸承上，置入溫度傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中存在的隱患。這些需求推動(dòng)了微傳感器技術(shù)與RFID技術(shù)的結(jié)合，形成了無(wú)線(xiàn)傳感監(jiān)控系統(tǒng)，也稱(chēng)為“RFID Sensor”。無(wú)線(xiàn)傳感系

2、統(tǒng)在可植入醫(yī)療器械、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)、密閉工業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)以及惡劣環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，它在改變傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的同時(shí)也改變?nèi)祟?lèi)的生活生產(chǎn)方式。
　　實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)的途徑既有有源遙測(cè)又有無(wú)源遙測(cè)。有源遙測(cè)系統(tǒng)提供了相對(duì)較長(zhǎng)距離的雙向數(shù)據(jù)傳輸能力，但尺寸比較大，而且受電池使用壽命的限制。無(wú)源遙測(cè)傳輸距離較短，但是由于內(nèi)部無(wú)源，器件理論上可以擁有無(wú)限壽命。目前實(shí)現(xiàn)無(wú)源遙測(cè)有兩種方式:一種是將電容式傳感器與微電感串聯(lián)形成LC傳感器

3、節(jié)點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)LC諧振頻率的變化完成環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控。另外一種是將微傳感器與傳感器檢測(cè)電路集成，通過(guò)電路實(shí)現(xiàn)背反射調(diào)制將測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞給外部。LC無(wú)源無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是需借助外部設(shè)備，且測(cè)量距離非常小。本論文設(shè)計(jì)出基于背反射調(diào)制的電感耦合式無(wú)源無(wú)線(xiàn)多傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，非常適用于密閉空間的環(huán)境監(jiān)測(cè)。主要的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新包括:
　　首先介紹了電感耦合系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，比較幾種無(wú)源無(wú)線(xiàn)傳感器遙測(cè)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)基于射頻反射調(diào)制的無(wú)源無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的

4、研究現(xiàn)狀作了分析，為后續(xù)設(shè)計(jì)打下理論基礎(chǔ)。然后對(duì)基于射頻反射調(diào)制的無(wú)源無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)做了理論分析，并利用軟件進(jìn)行電路仿真，尋找可行的系統(tǒng)電路實(shí)現(xiàn)方法。接著提出了適用于監(jiān)測(cè)密閉空間和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的多個(gè)環(huán)境參數(shù)的系統(tǒng)，即基于背反射調(diào)制的電感耦合式多參數(shù)傳感器環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括兩部分:主系統(tǒng)和次系統(tǒng)。主次系統(tǒng)間通過(guò)互耦電感進(jìn)行能量傳輸和數(shù)據(jù)接收。次系統(tǒng)集成了溫濕壓電容式傳感器，采用松弛振蕩器完成電容-頻率的轉(zhuǎn)換。利用時(shí)分復(fù)用電路實(shí)現(xiàn)多

5、傳感器的同步測(cè)量。將得到的頻率信號(hào)調(diào)制主次系統(tǒng)電感上的載波，再由主系統(tǒng)的檢波電路從已調(diào)載波中恢復(fù)頻率信號(hào)。從頻率信號(hào)中提取時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)異步通信。利用主次電感共振的方式實(shí)現(xiàn)最大耦合距離。在完成設(shè)計(jì)后，將系統(tǒng)置于密閉的實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行溫濕壓測(cè)試。測(cè)試得到的溫濕壓曲線(xiàn)線(xiàn)性度和可重復(fù)性均良好。由于本系統(tǒng)中的C-f轉(zhuǎn)換是非線(xiàn)性的，對(duì)于不同大小的電容式傳感器轉(zhuǎn)換精度不同。溫濕壓傳感器的測(cè)量精度分別為0.52kHz/℃，-0.132kHz/％RH和-0