LC諧振式高溫壓力傳感器高溫下信號(hào)衰減的研究*

魏坦勇,沈丹丹,譚秋林,3*,羅 濤,熊繼軍

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;3.清華大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

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LC諧振式高溫壓力傳感器高溫下信號(hào)衰減的研究*

魏坦勇1,2,沈丹丹1,2,譚秋林1,2,3*,羅 濤1,2,熊繼軍1,2

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;3.清華大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

基于LC諧振式傳感器在高溫下的測(cè)試隨溫度升高會(huì)發(fā)生信號(hào)衰減,頻帶變寬等現(xiàn)象,為了研究影響信號(hào)衰減的主要因素,借助于MATLAB軟件,在理論上分析各個(gè)因素對(duì)信號(hào)衰減的影響,初步得出傳感器寄生電阻是信號(hào)衰減的主要原因;最后,通過分別制作電感線圈和電容陶瓷片模型,并在500 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)電感線圈寄生電阻值增加了6.7 Ω,極板電容值增加了0.55 pF,因此得出寄生電阻是信號(hào)讀取衰減的主要原因。

LC諧振式傳感器;信號(hào)衰減;MATLAB;寄生電阻

惡劣環(huán)境,如高溫、高旋、高壓、腐蝕性,特別是高溫下壓力的測(cè)量在航空、航天中有著重要的作用。傳統(tǒng)的傳感器因?yàn)槠洳荒透邷?、制造工藝?fù)雜、成本高等缺點(diǎn)而應(yīng)用受到限制[1-4]?；贚C諧振式傳感器卻因?yàn)闊o需外加電源、非接觸式測(cè)量,制造工藝簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn),已廣泛的應(yīng)用在很多參數(shù)的測(cè)量,特別是溫度、壓力的測(cè)量,但LC諧振式傳感器在高溫下卻存在讀取信號(hào)變?nèi)?、頻帶變寬等問題[5-7]。

為了研究這一現(xiàn)象的原因,本文在基于MATLAB軟件的理論分析上,建立了LC諧振式高溫測(cè)量系統(tǒng),探討了天線和傳感器的品質(zhì)因數(shù)對(duì)讀取信號(hào)強(qiáng)弱的影響,理論和實(shí)驗(yàn)都說明,傳感器的寄生電阻是影響高溫下讀取信號(hào)衰弱的主要原因。

1 傳感器模型與測(cè)試

如圖1,LC傳感器是基于杜邦951材料,由5層陶瓷片層壓而成,第1層陶瓷片上表面絲網(wǎng)印刷上電容上極板與電感線圈,其中上極板與電感內(nèi)徑端連接;第2層在電容正對(duì)區(qū)為電容空腔;第3層上表面正對(duì)位置為電容下極板,并將下極板與電感外徑端通過過孔連接[8-9]。

圖1 高溫壓力傳感器示意圖和實(shí)物圖

對(duì)該高溫壓力傳感器在50 ℃到500 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試示意圖如2所示,天線線圈發(fā)出包含傳感器諧振頻率f0在內(nèi)的掃頻信號(hào),當(dāng)掃頻信號(hào)頻率與傳感器頻率相等時(shí),即耦合諧振時(shí),天線端的阻抗參數(shù)(阻抗、相位角)會(huì)發(fā)生突變。試驗(yàn)中,測(cè)量天線阻抗相位角與掃頻頻率的曲線,讀取相位角最低點(diǎn)頻率為fmin,通常fmin和f0之間的差距很小,可以默認(rèn)為二者相等[10]。

圖2 傳感器陶瓷高溫測(cè)試

對(duì)該溫度壓力傳感器的測(cè)試結(jié)果如圖3,可以發(fā)現(xiàn),在50 ℃到500 ℃范圍內(nèi),隨著溫度的升高,測(cè)試到的曲線波谷從28.58 MHz向左漂移到27.45 MHz,同時(shí)相位從-47.5°向上移動(dòng)到-11.8°,并且測(cè)試到的曲線頻帶越來越寬,信號(hào)越來越難以捕捉,高溫下信號(hào)的衰弱增加了讀取的難度,因此下面在理論上分析信號(hào)衰弱的原因。

圖3 讀取信號(hào)相位頻率曲線

2 MATLAB信號(hào)讀取理論分析

如圖4為天線傳感器測(cè)試示意圖,傳感器的電感為Ls,電感線圈的電阻記為Rs,因?yàn)殡姼芯€圈之間存在寄生電容,它與傳感器極板電容為并聯(lián)關(guān)系,兩者合計(jì)為Cs。天線的電感記為La,天線導(dǎo)線的寄生電阻記為Ra,天線線圈之間的寄生電容,記為Ca;可以推導(dǎo)得出天線輸入端阻抗表達(dá)式為[11]

(1)

其中zf為傳感器反射到天線的阻抗[12]

(2)

其中M為天線電感與傳感器電感之間耦合系數(shù),k為電感之間互感系數(shù)

(3)

下面利用MATLAB軟件,通過程序繪圖,分析式(1)中各變量對(duì)讀取信號(hào)的影響,為了找出主要影響讀取信號(hào)的因素,本文采用單一變量法,即每次變化一個(gè)量,而其他量保持不變,觀察其對(duì)讀取信號(hào)的影響。各變量的初值取值如表一所示,各變量取值考慮了通常實(shí)際應(yīng)用中的元器件取值。首先,研究天線的品質(zhì)因子,即每次改變天線的參數(shù),觀察它對(duì)結(jié)果的影響。

表1 天線傳感器取值初值

圖5 Ra變化對(duì)讀取信號(hào)影響

如圖5,單一改變表1中Ra,其他量保持表1不變,如表2所示。Ra從5 Ω變化到35 Ω,以步長5 Ω取值增加時(shí),測(cè)試曲線波谷相位從-48.7°向上漂移了1.5°到-47.2°,增加的幅度很小,同時(shí)帶寬基本無變化,但對(duì)趨于穩(wěn)定的相位值影響較大。

表2 Ra改變時(shí)各變量取值

同樣地,分別單一的改變表1中天線的電感和寄生電容值,分別如圖6和7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)電感從1.5 μH到2.1 μH變化范圍內(nèi),其他量保持表1不變時(shí),波谷相位向下發(fā)生了3°移動(dòng),同時(shí)頻率向左漂移了0.06 MHz;電容從2.5 pF變化到3.7 pF,波谷相位向下移動(dòng)了3.5°,頻率向左漂移了0.08 MHz。從上面天線參數(shù)的取值變化范圍可以看出,在MATLAB仿真中,天線各參數(shù)變化范圍取值較大,通常大于實(shí)際中天線各參數(shù)變化范圍的取值。但從仿真結(jié)果可以看出,在天線較大的取值變化范圍內(nèi),信號(hào)讀取結(jié)果變化很小;這說明,天線的參數(shù)變化對(duì)波谷的移動(dòng)和帶寬,即對(duì)讀取信號(hào)衰弱,和頻率漂移的影響并不明顯。

圖6 La變化對(duì)讀取信號(hào)影響

圖7 Ca變化對(duì)讀取信號(hào)影響

圖8 Rs變化對(duì)讀取信號(hào)影響

接著,本文分析傳感器各參數(shù)的變化對(duì)信號(hào)讀取的影響;類似的,分別單一改變表1中傳感器各參數(shù)取值。如圖8為傳感器寄生電阻Rs變化對(duì)讀取信號(hào)影響圖,此時(shí)各變量取值如表3所示。

表3 Rs改變時(shí)各變量取值

可以看出Rs從5 Ω以步長1 Ω增加到11 Ω過程中,波谷相位從-48.7°增加37.3°到-11.4°,同時(shí)曲線頻帶越來越寬。如圖9,Ls從1.2 μH增加到1.5 μH,波谷相位向下移動(dòng)了2.6°,頻率向左漂移了3.4 MHz,但頻帶寬度變化很小;Cs從17 pF減小到20 pF,相位波谷向上移動(dòng)4.2°,頻率向左移動(dòng)了2.8 MHz,頻帶寬度變化也很小,如圖10所示。

圖9 Ls變化對(duì)讀取信號(hào)影響

圖10 Cs變化對(duì)讀取信號(hào)影響

最后,分析互感系數(shù)k變化對(duì)讀取信號(hào)的影響,互感K變化時(shí)各變量取值,如表4所示。

表4 互感K改變時(shí)各變量取值

如圖11所示,k從0.3增加到0.6過程中,發(fā)現(xiàn)信號(hào)波谷相位、特別是頻帶,增加的很明顯,k為0.6時(shí),已經(jīng)很難捕捉到最低點(diǎn)相位。

圖11 K變化對(duì)讀取信號(hào)影響

從傳感器參數(shù)的變化范圍可以看出,傳感器各參數(shù)的變化范圍的取值很小,這通常接近或小于實(shí)際各變量取值變化。但從仿真結(jié)果看出,寄生電阻的少量變化,波谷相位漂移和頻帶寬度變化很明顯,這說明它對(duì)寄生電阻非常敏感;同時(shí)看出電感或電容值變化對(duì)頻率漂移有影響;最后,從圖11可以看出,互感系數(shù)對(duì)信號(hào)的衰減也有明顯的影響。但在通常的測(cè)試中,傳感器與天線相對(duì)位置一般保持不變,所以在分析中可以忽略k對(duì)讀取信號(hào)變化的影響[11]。因此,在圖3的測(cè)試中,初步得出寄生電阻是影響信號(hào)衰減的主要原因。

3 電感、電容陶瓷片高溫測(cè)試

為了驗(yàn)證寄生電阻是影響信號(hào)衰減的主要原因,本次實(shí)驗(yàn)利用相同的工藝步驟,分別制作了基于相同材料的電感線圈和電容陶瓷片,結(jié)構(gòu)示意圖如圖12所示。對(duì)電感、電容陶瓷片分別在高溫爐里面,從常溫加熱到500 ℃,電感陶瓷片測(cè)試示意圖,如圖13所示。

圖12

圖13 電感陶瓷片測(cè)試示意圖

得出電感陶瓷片的參數(shù)隨溫度變化的曲線,如圖14所示,可以發(fā)現(xiàn),在50 ℃到500 ℃的范圍內(nèi),電感值基本上無變化,而寄生電容值從1.5 pF增加到1.82 pF,電阻值從20.6 Ω增加了6.7 Ω到27.3 Ω。

圖14 電感陶瓷各參數(shù)隨溫度變化曲線

同樣,對(duì)電容陶瓷片在常溫到500 ℃范圍內(nèi)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖15所示,極板電容值從16.9 pF增加了0.55 pF到17.45 pF。

圖15 電容陶瓷電容值隨溫度變化曲線

對(duì)比上面MATLAB的仿真結(jié)果,即6 Ω的電阻變化引起37.3°相位的移動(dòng)和頻帶寬度明顯的變化;由此可以得出,高溫壓力傳感器在高溫下的測(cè)試,電感線圈電阻的增加是信號(hào)衰減與頻帶變寬的主要原因。同時(shí),試驗(yàn)測(cè)試中總電容值增加了0.87 pF,而電感值基本保持不變,分析可知是高溫下電容值的增加導(dǎo)致頻率的漂移[13-14]。

4 結(jié)論

高溫壓力傳感器在高溫下測(cè)試,隨著溫度的增加,信號(hào)衰減也隨著增加,本文通過MATLAB軟件,在理論上通過單一變量法,分析影響天線傳感器測(cè)試讀取結(jié)果的各個(gè)因素,初步得出寄生電阻是信號(hào)衰減的主要原因。通過分別制作電感線圈、電容陶瓷片模型,并在500 ℃內(nèi)進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)線圈電阻增加了6.7 Ω,這驗(yàn)證了本文的猜想;同時(shí)得出,高溫下電容值的增加是信號(hào)漂移的主要原因。

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Research on the Signal Degradation of LC Resonant High Temperature Pressure Sensor Under High Temperature*

WEITanyong1,2,SHENDandan1,2,TANQiulin1,2,3*,LUOTao1,2,XIONGJijun1,2

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement(North University of China,Ministry of Education,Taiyuan 030051,China;3.State Key Laboratory of Transducer Technology,Department of Precision Instruments and Mechanology,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

LC resonant sensor will show signal degradation and a widened frequency band,when tested on elevated temperature.In order to study the main factors influencing signal degradation,the MATLAB is used and various factors are analyzed in theoretically,and find that the parasitic resistance is the main reason to the signal degradation preliminarily.Finally,an inductor and a capacitor ceramic models are made respectively and tested in the range of 500 ℃,the results show that the value of parasitic resistance of the coil increases 6.7 Ω and the capacitance of the plate increases 0.55 pF,thus a conclusion is made that the parasitic resistance is the main reason to the signal degradation.

LC resonant sensor;signal degradation;MATLAB;parasitic resistanceEEACC:7230

魏坦勇(1989-),男,湖北武穴人,碩士,中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,研究方向?yàn)闊o線無源傳感器,2571268140@qq.com;

譚秋林(1979-),男,湖南衡南人,博士,教授,研究方向?yàn)楣鈱W(xué)氣體傳感器及檢測(cè)技術(shù)、無線無源微納傳感器及微系統(tǒng)集成技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及射頻技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)技術(shù),tanqiulin.99@163.com。

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.02.003

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金(61471324);高等學(xué)校優(yōu)秀青年學(xué)術(shù)帶頭人支持計(jì)劃資助項(xiàng)目;國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51425505);博士后科學(xué)基金特別項(xiàng)目(2014T70074)

2014-09-25 修改日期:2014-11-25

TP212

A

1004-1699(2015)02-0165-05