硬標(biāo)簽質(zhì)量參數(shù)檢測傳感器設(shè)計及測試

蔡曉霞,盛慶元,朱 丹

(紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000)

硬標(biāo)簽質(zhì)量參數(shù)檢測傳感器設(shè)計及測試

蔡曉霞,盛慶元,朱 丹

(紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000)

電子商品防盜系統(tǒng)(EAS)中使用的一類硬標(biāo)簽核心電路由磁棒線圈和電容串聯(lián)組成，LC諧振頻率F和品質(zhì)因數(shù)Q值是硬標(biāo)簽關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)。針對該類硬標(biāo)簽參數(shù)檢測的市場需求和傳統(tǒng)雙線圈檢測方法存在的不足，提出了一種基于互感耦合原理，以亥姆赫茲線圈磁場為激勵，采用差分和二級積分電路獲取硬標(biāo)簽幅頻特性信息的檢測方法，搭建了硬標(biāo)簽參數(shù)檢測傳感器電路分析傳感器檢測F、Q值的理論模型。通過對市售58 kHz硬標(biāo)簽試驗數(shù)據(jù)的分析表明：該傳感器F、Q值的絕對誤差分別小于0.025 kHz和1.3，其諧振頻率測試性能明顯優(yōu)于市售EAS頻率檢測儀(E-X5006AM)，性能滿足行業(yè)測試要求。該傳感器可為硬標(biāo)簽生產(chǎn)過程和質(zhì)量檢測提供F和Q值信息，具有行業(yè)實際應(yīng)用價值。

傳感器； 互感耦合； 諧振頻率； 磁棒線圈； 品質(zhì)因素； 幅頻特性

0 引言

電子商品防盜系統(tǒng)(electrionic article surveillance,EAS)的應(yīng)用越來越多，但是國內(nèi)生產(chǎn)廠家對EAS中的硬標(biāo)簽檢測停留在人工測試階段，暴露出檢測精度差、自動化水平低、無法對產(chǎn)品的質(zhì)量參數(shù)進行評估等缺點[1]。

目前，國際上ISO/IEC 18046-3-2007等標(biāo)準給出了EAS系統(tǒng)的標(biāo)簽以及防盜檢測系統(tǒng)的基本規(guī)范要求[2-4]。國內(nèi)一些學(xué)者對電子標(biāo)簽在線參數(shù)檢測技術(shù)進行研究，如：楊成忠等[5]提出了利用互感耦合原理對標(biāo)簽的質(zhì)量參數(shù)進行檢測的方法；宋小鋒、朱亞萍等研究了單線圈傳感器模型和雙線圈傳感器模型結(jié)構(gòu)特點[6-9]；李佳駿[10]利用磁場仿真軟件AnsoftHFSS，對多種檢測傳感器模型進行仿真建模，研究了傳感器形狀對測試性能的影響；牛元海[11-12]分析了標(biāo)簽信號特征，提出了一種標(biāo)簽信號的綜合判決流程，并設(shè)計了一種EAS掃頻信號源。從現(xiàn)有文獻來看，國內(nèi)外的研究對象均以軟標(biāo)簽為主，圍繞雙線圈結(jié)構(gòu)傳感器進行[10-13]。試驗表明：雙線圈式傳感器圈的面積、繞制匝數(shù)、標(biāo)簽放置位置及標(biāo)簽與傳感器相對位置都會影響硬標(biāo)簽質(zhì)量參數(shù)準確性[5,8-14]。這種結(jié)構(gòu)的缺陷在于發(fā)射與接收線圈間、標(biāo)簽與發(fā)射和接收線圈之間都會互相干擾；特別是標(biāo)簽對發(fā)射線圈的影響將改變原磁場的強度，而且由于不同標(biāo)簽對發(fā)射線圈的影響不同，使得數(shù)據(jù)修正不可能實現(xiàn)；同時，發(fā)射線圈對接收線圈的影響疊加于標(biāo)簽產(chǎn)生的磁場上，無法區(qū)分[14-15]。這些都會導(dǎo)致諧振頻率產(chǎn)生偏差，對品質(zhì)因數(shù)Q值判定誤差的影響將更為嚴重。

針對上述問題，本文提出一種以亥姆赫茲線圈磁場為激勵，基于互感耦合原理，采用差分電路提取測試信號并用二級積分電路進行信號處理，獲取硬標(biāo)簽的幅頻特性信號。該方法解決了傳統(tǒng)雙線圈結(jié)構(gòu)傳感器各部分間干擾導(dǎo)致諧振頻率測量誤差大和無法測試電子標(biāo)簽Q值的問題。

1 EAS標(biāo)簽檢測原理

1.1 標(biāo)簽?zāi)Ｐ?/p>

硬標(biāo)簽的實物電子元器件由一個多圈線圈和一個電容串聯(lián)而成，部分標(biāo)簽會在線圈中插入勵磁磁棒。對電子標(biāo)簽的電路結(jié)構(gòu)進行電路等效。硬標(biāo)簽電路等效圖如圖1所示。

圖1 硬標(biāo)簽電路等效圖

標(biāo)簽阻抗為：

(1)

式中：R為標(biāo)簽線圈內(nèi)阻值；L為標(biāo)簽線圈電感值；C為標(biāo)簽的電容值；w為角頻率。當(dāng)wL-1/wC=0時，|Z(jw)|最小，表現(xiàn)為純阻抗特性。

此時的角頻率為諧振角頻率：

(2)

圖1中的LC回路有選頻特性功能，Q值是反映選頻特性好壞的一個指標(biāo)。Q值越大，選頻特性越好，相應(yīng)的標(biāo)簽質(zhì)量就越高。

1.2 標(biāo)簽質(zhì)量參數(shù)檢測原理

現(xiàn)有文獻中雙線圈檢測方法都與ISO/IEC 18046-3-2007中給出的方法一致。硬標(biāo)簽常規(guī)測試方法示意圖如圖2所示。

圖2 硬標(biāo)簽常規(guī)測試方法示意圖

硬標(biāo)簽常規(guī)測試裝置測量原理與實際所使用的EAS系統(tǒng)相似。發(fā)射線圈用于發(fā)射檢測標(biāo)簽的掃頻信號。當(dāng)標(biāo)簽經(jīng)過檢測區(qū)域時，由于檢測區(qū)域含有隨頻率變化的磁場，標(biāo)簽內(nèi)部的電感會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，形成感應(yīng)電流。此感應(yīng)電流也會產(chǎn)生磁場，反過來干擾檢測區(qū)域的磁場分布，使檢測線圈產(chǎn)生一個明顯的擾動信號。這個信號能反映標(biāo)簽的質(zhì)量參數(shù)。朱亞萍[8]對這種雙線圈檢測方法的研究表明：標(biāo)簽線圈與發(fā)射和接收線圈間的互感系數(shù)增大，使諧振頻率偏差加大，甚至無法對標(biāo)簽進行檢測；標(biāo)簽線圈與發(fā)射和接收線圈間的互感系數(shù)增加，使諧振頻率偏差減小，但整體波形不再突出中心頻率處的帶寬，即影響標(biāo)簽Q值的精準度。此種檢測方法的不足本質(zhì)在于：發(fā)射與接收線圈之間，標(biāo)簽與發(fā)射和接收線圈之間都會互相干擾。

2 傳感器設(shè)計

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 傳感器工作原理分析

首先，當(dāng)亥姆赫茲線圈產(chǎn)生交變磁場激勵時，如發(fā)射線圈間距a等于發(fā)射線圈半徑R，則兩線圈合磁場在軸(兩線圈圓心連線)中心附近較大范圍內(nèi)磁場是均勻的。所以主輔接收線圈形成的閉合區(qū)域內(nèi)磁通量為零(主輔接收線圈旋向相反)，則接收線圈的感應(yīng)電動勢將完全取決于電子標(biāo)簽。

其次，當(dāng)硬標(biāo)簽置于主接收線圈附近的中心區(qū)域時，無論硬標(biāo)簽感應(yīng)磁場方向如何，對于由發(fā)射線圈1組成的閉合區(qū)域而言，磁通量均為零；發(fā)射線圈2和輔接收線圈離硬標(biāo)簽較遠，不受硬標(biāo)簽感應(yīng)磁場的影響，這就達到了發(fā)射線圈磁場作用于硬標(biāo)簽、但硬標(biāo)簽感應(yīng)磁場不會反作用于發(fā)射線圈的效果。但對于主接收線圈而言，因為直徑與硬標(biāo)簽磁棒線圈相近，且位于硬標(biāo)簽的感應(yīng)磁場區(qū)域內(nèi)，因而主接收線圈的磁通變化可以認為完全由硬標(biāo)簽感應(yīng)磁場決定。

最后，接收線圈輸出的感應(yīng)電壓信號接入后續(xù)的差分電路運放輸入端，由于運放的高輸入阻抗特性，此時接收線圈內(nèi)部電流幾乎為零，所以接收線圈內(nèi)無磁場產(chǎn)生，達到了硬標(biāo)簽作用于接收線圈，但接收線圈不會反作用于標(biāo)簽的效果。

2.3 傳感器等效工作電路模型分析

對傳感器電路模型進行分析時，將線圈互感的感應(yīng)電壓等效為電流控制的電壓源?；谏鲜鰝鞲衅鞴ぷ髟?，傳感器等效電路工作模型如圖4所示。

圖4 傳感器等效電路工作模型

圖4中，Rs為發(fā)射線圈1、2的內(nèi)阻;Lf1、Lf2為發(fā)射線圈1、2的等效電感；LZ為主接收線圈等效電感；Lf為輔助線圈等效電感。

圖4中，發(fā)射和標(biāo)簽部分電路的向量關(guān)系如下：

(3)

(4)

由式(3)、式(4)可得輸出接收線圈電壓為：

(5)

歸一化幅頻特性曲線公式：

(6)

對式(5)兩邊取模，并結(jié)合式(6),可得式(7)。

(7)

式(3)～式(7)中：M、M1分別為硬標(biāo)簽與發(fā)射線圈、接收射線圈的互感系數(shù)；Z、Z1分別為標(biāo)簽、發(fā)射線圈的阻抗。

由式(7)可知，對傳感器和某一檢測硬標(biāo)簽來說，參數(shù)M、M1、Z、R都是確定值，不影響式(7)輸出信號隨角頻率的變化曲線形狀。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)推導(dǎo)出：

(8)

式(8)中：T(jw)與U0轉(zhuǎn)換還需要處理w2。在本傳感器設(shè)計中，采用了差分電路提取接收線圈上的信號U0，并用二級積分電路處理U0。此部分電路屬信號處理的常規(guī)電路，本文不作詳細闡述。

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗方法

為了測試設(shè)計傳感器的性能，以市售58 kHz聲磁硬標(biāo)簽為測試對象，將硬標(biāo)簽線圈、電容分開后，把精密微調(diào)可變電容與線圈連接在一起，通過改變可變電容的大小，形成諧振頻率F和Q值的不同LC回路。試驗用測試設(shè)備為LCR測試儀(固緯LCR-8105G)、信號發(fā)生器(GFG-8020H)、示波器(泰克C012537)，EAS頻率檢測儀(E-X5006AM)，分以下三種方法測試。

①用LCR掃頻儀直接與磁棒線圈引腳相連測量F和Q值，作為標(biāo)簽質(zhì)量參數(shù)標(biāo)準參考值Fc、Qc。

②用EAS頻率檢測儀檢測得到的F值，作為對比值Fb(EAS頻率檢測儀無Q值檢測功能)。

③用本文的傳感器探頭和信號處理電路作為測試設(shè)備，發(fā)射線圈與信號發(fā)生器相連，二級積分電路輸出端信號U與示波器相連；通過信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號，調(diào)節(jié)正弦波信號頻率，找到Up-p最大時對應(yīng)的頻率，此頻率即為此方法測得的諧振頻率，記為Fm；通過測量上、下功率點f1、f2計算得到Q值，即調(diào)節(jié)正弦波信號頻率；記錄示波器顯示信號最大值Up-p的上、下頻率點，按式(9)計算得到Q值，記為Qm。在未放置硬標(biāo)簽前，對發(fā)射線圈的相對位置進行微調(diào)，使U輸出近似為0，消除系統(tǒng)誤差。

Qm=Fm/(f1-f2)

(9)

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

本次試驗的測試諧振頻率F、品質(zhì)因數(shù)Q的原始數(shù)據(jù)如表1所示。通過數(shù)據(jù)分析可知：方法三測試的諧振頻率F的絕對誤差要比市售E-X5006AM型小得多，其測試最大絕對誤差為0.025 kHz，小于E-X5006AM測試的最大絕對誤差0.112 kHz。方法三測試計算得到的Q值的絕對誤差值也較小，其最大絕對誤差為1.3。

表1 測試數(shù)據(jù)分析表

4 結(jié)束語

硬標(biāo)簽諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的非接觸快速測量傳感器，在硬標(biāo)簽生產(chǎn)過程(把磁棒插入到線圈的合適位置以滿足EAS系統(tǒng)對硬標(biāo)簽的要求)中有重要應(yīng)用。硬標(biāo)簽成品的質(zhì)量監(jiān)管需要獲得硬標(biāo)簽質(zhì)量參數(shù)感知信號。本文針對硬標(biāo)簽參數(shù)檢測的行業(yè)市場需求，采用亥姆赫茲線圈磁場為激勵，基于互感耦合原理，采用差分方法獲取硬標(biāo)簽幅頻特性信號，設(shè)計了一種硬標(biāo)簽參數(shù)檢測傳感器。以市售58 kHz聲磁硬標(biāo)簽為試驗對象，試驗數(shù)據(jù)分析表明：諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)的絕對誤差分別小于0.025 kHz和1.3，其諧振頻率測試性能明顯優(yōu)于市售EAS頻率檢測儀(E-X5006AM)，在硬標(biāo)簽行業(yè)具有實際應(yīng)用價值。

[1] 李佳駿.防盜電子標(biāo)簽檢測技術(shù)研究[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2013.

[2] ISO/IEC 18046-3-2007，信息技術(shù).射頻識別裝置性能試驗方法.第3部分:標(biāo)簽性能的試驗方法[S].

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[5] 楊成忠，陳高強.基于互感耦合原理的傳感器設(shè)計[J].機電工程，2011(5):590-593.

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Design and Test of the Sensor for Detecting Quality Parameters of Hard Tag

CAI Xiaoxia,SHENG Qingyuan,ZHU Dan

(Shaoxing Vocational Technical College，Shaoxing 312000,China)

The kernel circuit of hard tag used in electronic article surveillance (EAS) system is composed of magnet coil and capacitor in serial,and the LC resonant frequencyFand the quality factorQare the key quality parameters of hard tag.Aiming at the market demand for parameter detection of hard tag and the shortcomings of traditional double coil detection method,the detection method based on the principle of mutual inductance coupling is proposed.With Helmholtz coil magnetic field as excitation,and using differential and two stage integration circuit,the amplitude frequency characteristic information of the hard tag is obtained.The theoretical model is established.The analysis of the test data of the commercial available 58 kHz hard tag indicates that the measurement error of the sensor forFandQis respectively less than 0.025 kHz and 1.3,its test performance for resonant frequency is obviously better than the commercial available EAS frequency tester (E-X5006AM)，thus the performance meets the professional test requirements.The sensor can provide information ofFandQvalues for the production process and quality inspection of hard tags;and it has practical application values.

Sensor; Mutual coupling; Resonant frequency; Magnet coil; Quality factor; Amplitude-frequency characteristic

浙江省教育廳科研項目 (Y201534898)、紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目(SZK201629)

蔡曉霞(1978—)，女，碩士，副教授，主要從事設(shè)備遠程智能維護與智能控制方向的研究。E-mail:caixiaoxia@sxvtc.com。 盛慶元(通信作者)，男，碩士，助教，主要從事電磁傳感器設(shè)計、專機設(shè)備研發(fā)和農(nóng)業(yè)生物環(huán)境參數(shù)檢測技術(shù)的研究。 E-mail:shengqingyuan@sxvtc.com。

TH7;TP212

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703018

修改稿收到日期：2016-12-14