LC型多参数无源无线传感器的研究

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随着物联网与传感器网络技术的迅猛发展,应用场景的复杂性与多样性对于传感器节点的设计提出越来越多新的要求。LC型无源无线传感器基于磁场耦合原理,能够将待测参量转换为传感器的谐振频率,并通过一个探测线圈无线读出,具有结构简单、无需电源、适应性强等优势,引起了国内外研究者的广泛关注。传统的LC型传感器通常只能实现一个参数探测,难以满足不同应用下的多样化需求。本文致力于对LC型无源无线传感器的底层技术研究,特别是利用双谐振技术实现多参数测量,主要研究内容与创新包括:(1)全面深入地介绍了LC型无源无线传感器的理论基础,并着重对多个LC型传感器共同工作时的耦合失真进行了深入探讨。研究表明,当多个LC型传感器相互靠近时,其电感之间的磁场耦合会使得谐振频率发生偏移,读出信号之间形成串扰,导致探测结果失真。(2)提出并实现了两种柔性LC型单参数传感器,分别利用氧化石墨烯和PDMS表面微结构实现湿度和压力的无线探测,并对其在食品药品智能包装与伤口监测中的潜在应用进行了研究,着重分析了衬底弯曲效应与皮肤介电环境对传感器性能的影响。实验表明湿度传感器在20%RH到95%RH的湿度范围内的平均灵敏度为-136.1 k Hz/%RH,压力传感器在0mm Hg到200mm Hg范围内的灵敏度为-284.9 k Hz/mm Hg。(3)提出了一种对称型双谐振电路,理论与仿真分析表明该电路具有两个彼此独立的工作模态,不同谐振频率分别只受单个可变电容的调控,因而能够有效避免电感耦合失真带来的影响。基于该电路设计并制作了一种LC型双参数传感器,利用两个不同频率实现湿度与压力两个参数的同时测量,其湿度与压力灵敏度分别为-67.7k Hz/%RH和-48.5k Hz/mm Hg。本文着重研究传统LC型传感器难以实现多参数同时探测的问题,提出了对称型双谐振电路作为解决方案,其相互独立的两个频率可以分别用于表征两个待测参数。此外,通过频率-Q值复用的方法,该电路还将能进一步实现最多四个参数的同时测量,为更多应用场景下LC型多参数传感器的设计提供了理论支撑与可行方案。
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