一种基于pt对称的lc无源无线双参数传感系统
阅读说明：本技术 一种基于pt对称的lc无源无线双参数传感系统 (PT symmetry-based LC passive wireless dual-parameter sensing system ) 是由 董蕾 戴鹏 王立峰 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于PT对称的LC无源无线双参数传感装置,该传感装置包括：LC双参数传感器(2)与读出电路(1)两部分,其中LC双参数传感器(2)与读出电路(1)通过电感耦合进行能量耦合和信号传输；控制电路(3)控制读出电路(1)。所述控制电路中单片机能够检测电压幅度和频率是否满足PT对称状态,即电压幅度是否达到最大,频率是否出现分频现象,并通过步进调节可调电容,直到系统达到PT对称状态,再通过检测系统频率值和负电阻值来检测被测参数。本发明结构简单,能检测双参数,从而节省空间,降低成本。(The invention provides a PT symmetry-based LC passive wireless dual-parameter sensing device, which comprises: the device comprises an LC double-parameter sensor (2) and a reading circuit (1), wherein the LC double-parameter sensor (2) and the reading circuit (1) are in energy coupling and signal transmission through inductive coupling; a control circuit (3) controls the readout circuit (1). The single chip microcomputer in the control circuit can detect whether the voltage amplitude and the frequency meet the PT symmetrical state, namely whether the voltage amplitude reaches the maximum or not and whether the frequency division phenomenon occurs or not, and the adjustable capacitor is adjusted in a stepping mode until the system reaches the PT symmetrical state, and then the detected parameters are detected by detecting the system frequency value and the negative resistance value. The invention has simple structure and can detect double parameters, thereby saving space and reducing cost.)
技术领域
本发明涉及LC传感器技术，特别涉及一种基于PT(空间反演变换-时间反演变换)对称的LC(电感-电容)无源无线双参数传感系统，属于测量、测试的技术领域。
背景技术
LC无源无线传感器自从1967年被首次提出以来，已经被广泛应用于各种场合，例如压力、温度、湿度、转速、气体等参数的检测。传统LC传感器通常由敏感电容和螺旋电感串联而成，其工作原理很简单：LC传感器的敏感电容随被测参数的变化而变化，从而导致LC谐振回路的谐振频率发生变化，在传感器外侧放置一个读出线圈，读出线圈与传感器电感产生耦合，通过对读出线圈进行输入阻抗分析或分析其输入回波损耗从而测出LC传感器的谐振频率，即可计算出被测参数的具体数值。
传统量子力学理论曾认为，某个量子系统有实解(可观测解)的条件是其系统哈密顿量H必须具有厄米性。而美国华盛顿大学的BenderC.M.教授于1998年提出了一种PT对称的哈密顿量，该哈密顿量不具有厄米性，但也同样有实解。现有的基于PT对称理论的LC系统着重研究提高传感器的传感距离、探测的信号强度以及传感器的灵敏度等方面；而基于PT对称的LC多参数传感器还未见报道。
在已有的多参数监测方案中，探测到的信号(频率、阻抗实部值)会受耦合距离影响，不同的探测距离会产生不一致的频率值和阻抗实部值，在实际应用中对精确探测带来问题。
此外，LC传感器在工作中其敏感元件的参数会随着待测环境改变而改变，因而读出电路的对应元件也要做出实时变化以保持PT对称。当涉及多个敏感参数同时变化时，需要一套简化的自动匹配系统来完成LC传感系统的实时PT对称匹配。
发明内容
技术问题：本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于PT对称的LC无源无线双参数传感系统，利用PT对称的原理实现了LC双参数的测量，实现了双参数探测的自动实时PT对称匹配，提高了LC双参数测量的读出距离和灵敏度，解决了传统无源无线LC传感器测量参数单一、读出系统复杂且信号受探测距离变化的问题。
技术方案：本发明的一种基于PT对称的LC无源无线双参数传感装置采用如下结构：
该传感装置包括：LC双参数传感器与读出电路两部分，其中LC双参数传感器与读出电路通过电感耦合进行能量耦合和信号传输；控制电路控制读出电路。
所述读出电路由信号分析仪、可调电容、一个电感线圈副方、负阻电路和控制电路并联所构成。
所述LC双参数传感器由一个电感线圈源方、一个敏感电容和一个敏感电阻并联所构成；敏感电容值随双参数传感装置中一个被测参数的变化而变化，敏感电阻值随双参数传感装置中另一个被测参数的变化而变化；所述的被测参数根据敏感电容和敏感电阻的种类而变化。
所述控制电路由运算放大器、包络检波电路、分频电路和单片机MCU所构成；其中，运算放大器的两个输入端分别接读出电路的两端，运算放大器的输出端分别接包络检波电路、分频电路的输入端，包络检波电路、分频电路的输出端分别接单片机MCU的输入端，单片机MCU的输出端接可调电容的控制端。
所述负阻电路由交叉耦合的第一NMOS管、第二NMOS管的发射极串联一个恒流源所构成。
所述单片机MCU通过包络检波电路和分频电路检测电压幅度和频率是否满足PT对称条件，并通过步进调节可调电容来使系统满足PT对称条件。
本发明的基于PT对称的LC无源无线双参数传感装置的双参数检测方法，通过PT对称的原理，当所述的双参数传感装置工作在PT对称区时，只需测量读出双参数传感装置的阻抗值和频率值，就能计算出所述双参数传感装置中敏感电阻和敏感电容的大小，再计算出两个被测参数大小，从而实现双参数检测。
具体的检测方法为：
步骤1，当两个被测参数发生变化时，传感装置的敏感电容和敏感电阻随被测参数的变化而变化，从而导致LC谐振回路的谐振频率发生变化；
步骤2，读出电路通过读出线圈和传感器线圈的电感耦合进行信号传输；
步骤3，控制电路将信号进行缓冲和单端转换后，分别进行包络检波和分频，实现电压幅度测量和频率测量。通过单片机检测电压幅度和频率是否满足PT对称状态，即电压幅度是否达到最大，频率是否出现分频现象；若不满足，则步进调节电容值，直到系统达到PT对称状态；
步骤4，测量双参数传感装置的两个频率，即可得到敏感电容的变化情况，从而得到与敏感电容有关的待测参数；
步骤5，在双参数传感装置PT对称时，工作在非线性区的负电阻与传感装置敏感电阻自动匹配，通过测量非线性电阻的大小，从而得到与敏感电阻有关的待测参数。
有益效果：本发明采用上述技术方案，具有以下优点：
(1)本发明提供的基于PT对称的LC无源无线双参数传感系统，在传统LC无源无线传感器的基础上增加了双参数的测量。
(2)利用PT对称原理简化了读出系统，实现了实时测量，提高了测量精度。
(3)通过交叉耦合MOS管构成的负电阻，可以实现自动匹配PT对称，使得阻抗实部值与耦合系数k无关，实现待测参数的精准测量。
(4)通过检测电压幅度和频率来判断系统是否满足PT对称状态，并利用单片机步进调节可调电容，使系统工作在PT对称区。
(5)利用无源无线技术可以实现读出电路与待测物体零接触的监测方式，避免引线等有线连接带来的不便。
附图说明
图1为本发明基于PT对称的LC无源无线双参数传感系统的等效电路图。
图2为图1所示读出电路中负阻电路的等效电路图。
图中有：
读出系统1、信号分析仪11、可调电容12、电感线圈副方13；
LC双参数传感器2、电感线圈源方21、敏感电容22、敏感电阻23；
控制电路3、运算放大器31、包络检波电路32、分频电路33、MCU34；
负阻电路4、第一NMOS管41、第二NMOS管42、恒流源43。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
如图1、图2所示，本发明公开的一种基于负阻电路的LC传感器，包括读出系统1、LC双参数传感器2、控制电路3和负阻电路4；读出系统1由信号分析仪11、负阻电路4、控制电路3、可调电容12和电感线圈副方13并联而成；LC双参数传感器2由电感线圈源方21、敏感电容22和敏感电阻23并联而成；控制电路由运算放大器31、包络检波电路32、分频电路33和MCU34所构成；负阻电路由第一NMOS管41和第二NMOS管42交叉耦合，再串联一个恒流源43所构成。
读出线圈与传感器线圈之间通过电感耦合进行信号传输。所述控制电路中单片机能够检测电压幅度和频率是否满足PT对称状态(即电压幅度是否达到最大，频率是否出现分频现象等)，并通过步进调节可调电容，直到系统达到PT对称状态，再通过检测读出电路频率值和阻抗值来检测被测参数。
为了形成PT对称结构，需满足Lr＝Ls、Cr＝Cs、Rr＝-Rs的条件，同时保证(1)ωr＝ωs；(2)gr＝γs。
系统的哈密顿量可以写成满足[PT,H]＝0的条件，因此系统处于PT对称状态。
其中Lr、Ls分别为读出电路和LC传感器中线圈的电感值；Cr、Cs分别为读出电路和LC传感器的电容值；Rr、Rs分别为读出电路和LC传感器的阻抗值；为LC传感器的谐振频率；分别为读出电路的增益系数、LC传感器的损耗系数；k为读出线圈与传感器线圈的电感耦合系数。H为系统的哈密顿量。
其具体工作过程为：
(1)当两个被测参数发生变化时，传感器的敏感电容和敏感电阻随被测参数的变化而变化，从而导致LC谐振回路的谐振频率发生变化；
(2)读出电路通过读出线圈和传感器线圈的电感耦合进行信号传输；
(3)控制电路将信号进行缓冲和单端转换后，分别进行包络检波和分频，实现电压幅度测量和频率测量。通过单片机检测电压幅度和频率是否满足PT对称状态(即电压幅度是否达到最大，频率是否出现分频现象等)，若不满足，则步进调节电容值，直到系统达到PT对称状态；
(4)测量系统的两个频率，根据公式
即可得到敏感电容的变化情况，从而测量出与敏感电容有关的待测参数；
(5)在系统PT对称时，工作在非线性区的负电阻与传感器敏感电阻自动匹配，通过测量非线性电阻的大小，从而测量出与敏感电阻有关的待测参数。
当被测参数改变时，敏感电容22电容值和敏感电阻23电阻值发生改变，从而引起LC双参数传感器的谐振频率发生改变，读出系统1通过电感线圈副方13和电感线圈源方21之间的互感耦合进行信号传输，信号经过运算放大器31处理后，分别经过包络检测电路32和分频电路33，实现电压幅度测量和频率测量。通过MCU34检测电压幅度和频率是否满足PT对称状态(即电压幅度是否达到最大，频率是否出现分频现象等)，若不满足，则步进调节可调电容12的电容值，直到系统达到PT对称状态。
通过信号分析仪11测量系统的最大最小两个频率，即可得到敏感电容22的变化情况，从而测量出与敏感电容有关的待测参数；
工作在非线性区的负阻电路4与传感器敏感电阻23自动匹配，通过信号分析仪测量该电路阻抗实部的阻值Rreal的大小，由于Rreal＝RS，从而测量出与敏感电阻23有关的待测参数。
这里的被测参数可以根据敏感电容和敏感电阻的种类而变化。例如湿度用敏感电容测量，温度用敏感电阻测量。