LC谐振式高温压力传感器高温下信号衰减的研究*

魏坦勇,沈丹丹,谭秋林,3*,罗 涛,熊继军

(1.中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;3.清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,北京 100084)



LC谐振式高温压力传感器高温下信号衰减的研究*

魏坦勇1,2,沈丹丹1,2,谭秋林1,2,3*,罗 涛1,2,熊继军1,2

(1.中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;3.清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,北京 100084)

基于LC谐振式传感器在高温下的测试随温度升高会发生信号衰减,频带变宽等现象,为了研究影响信号衰减的主要因素,借助于MATLAB软件,在理论上分析各个因素对信号衰减的影响,初步得出传感器寄生电阻是信号衰减的主要原因;最后,通过分别制作电感线圈和电容陶瓷片模型,并在500 ℃范围内进行测试,发现电感线圈寄生电阻值增加了6.7 Ω,极板电容值增加了0.55 pF,因此得出寄生电阻是信号读取衰减的主要原因。

LC谐振式传感器;信号衰减;MATLAB;寄生电阻

恶劣环境,如高温、高旋、高压、腐蚀性,特别是高温下压力的测量在航空、航天中有着重要的作用。传统的传感器因为其不耐高温、制造工艺复杂、成本高等缺点而应用受到限制[1-4]。基于LC谐振式传感器却因为无需外加电源、非接触式测量,制造工艺简单、对环境要求低等优点,已广泛的应用在很多参数的测量,特别是温度、压力的测量,但LC谐振式传感器在高温下却存在读取信号变弱、频带变宽等问题[5-7]。

为了研究这一现象的原因,本文在基于MATLAB软件的理论分析上,建立了LC谐振式高温测量系统,探讨了天线和传感器的品质因数对读取信号强弱的影响,理论和实验都说明,传感器的寄生电阻是影响高温下读取信号衰弱的主要原因。

1 传感器模型与测试

如图1,LC传感器是基于杜邦951材料,由5层陶瓷片层压而成,第1层陶瓷片上表面丝网印刷上电容上极板与电感线圈,其中上极板与电感内径端连接;第2层在电容正对区为电容空腔;第3层上表面正对位置为电容下极板,并将下极板与电感外径端通过过孔连接[8-9]。

图1 高温压力传感器示意图和实物图

对该高温压力传感器在50 ℃到500 ℃范围内进行测试,测试示意图如2所示,天线线圈发出包含传感器谐振频率f0在内的扫频信号,当扫频信号频率与传感器频率相等时,即耦合谐振时,天线端的阻抗参数(阻抗、相位角)会发生突变。试验中,测量天线阻抗相位角与扫频频率的曲线,读取相位角最低点频率为fmin,通常fmin和f0之间的差距很小,可以默认为二者相等[10]。

图2 传感器陶瓷高温测试

对该温度压力传感器的测试结果如图3,可以发现,在50 ℃到500 ℃范围内,随着温度的升高,测试到的曲线波谷从28.58 MHz向左漂移到27.45 MHz,同时相位从-47.5°向上移动到-11.8°,并且测试到的曲线频带越来越宽,信号越来越难以捕捉,高温下信号的衰弱增加了读取的难度,因此下面在理论上分析信号衰弱的原因。

图3 读取信号相位频率曲线

2 MATLAB信号读取理论分析

如图4为天线传感器测试示意图,传感器的电感为Ls,电感线圈的电阻记为Rs,因为电感线圈之间存在寄生电容,它与传感器极板电容为并联关系,两者合计为Cs。天线的电感记为La,天线导线的寄生电阻记为Ra,天线线圈之间的寄生电容,记为Ca;可以推导得出天线输入端阻抗表达式为[11]

(1)

其中zf为传感器反射到天线的阻抗[12]

(2)

其中M为天线电感与传感器电感之间耦合系数,k为电感之间互感系数

(3)

下面利用MATLAB软件,通过程序绘图,分析式(1)中各变量对读取信号的影响,为了找出主要影响读取信号的因素,本文采用单一变量法,即每次变化一个量,而其他量保持不变,观察其对读取信号的影响。各变量的初值取值如表一所示,各变量取值考虑了通常实际应用中的元器件取值。首先,研究天线的品质因子,即每次改变天线的参数,观察它对结果的影响。

表1 天线传感器取值初值

图5 Ra变化对读取信号影响

如图5,单一改变表1中Ra,其他量保持表1不变,如表2所示。Ra从5 Ω变化到35 Ω,以步长5 Ω取值增加时,测试曲线波谷相位从-48.7°向上漂移了1.5°到-47.2°,增加的幅度很小,同时带宽基本无变化,但对趋于稳定的相位值影响较大。

表2 Ra改变时各变量取值

同样地,分别单一的改变表1中天线的电感和寄生电容值,分别如图6和7所示。可以发现电感从1.5 μH到2.1 μH变化范围内,其他量保持表1不变时,波谷相位向下发生了3°移动,同时频率向左漂移了0.06 MHz;电容从2.5 pF变化到3.7 pF,波谷相位向下移动了3.5°,频率向左漂移了0.08 MHz。从上面天线参数的取值变化范围可以看出,在MATLAB仿真中,天线各参数变化范围取值较大,通常大于实际中天线各参数变化范围的取值。但从仿真结果可以看出,在天线较大的取值变化范围内,信号读取结果变化很小;这说明,天线的参数变化对波谷的移动和带宽,即对读取信号衰弱,和频率漂移的影响并不明显。

图6 La变化对读取信号影响

图7 Ca变化对读取信号影响

图8 Rs变化对读取信号影响

接着,本文分析传感器各参数的变化对信号读取的影响;类似的,分别单一改变表1中传感器各参数取值。如图8为传感器寄生电阻Rs变化对读取信号影响图,此时各变量取值如表3所示。

表3 Rs改变时各变量取值

可以看出Rs从5 Ω以步长1 Ω增加到11 Ω过程中,波谷相位从-48.7°增加37.3°到-11.4°,同时曲线频带越来越宽。如图9,Ls从1.2 μH增加到1.5 μH,波谷相位向下移动了2.6°,频率向左漂移了3.4 MHz,但频带宽度变化很小;Cs从17 pF减小到20 pF,相位波谷向上移动4.2°,频率向左移动了2.8 MHz,频带宽度变化也很小,如图10所示。

图9 Ls变化对读取信号影响

图10 Cs变化对读取信号影响

最后,分析互感系数k变化对读取信号的影响,互感K变化时各变量取值,如表4所示。

表4 互感K改变时各变量取值

如图11所示,k从0.3增加到0.6过程中,发现信号波谷相位、特别是频带,增加的很明显,k为0.6时,已经很难捕捉到最低点相位。

图11 K变化对读取信号影响

从传感器参数的变化范围可以看出,传感器各参数的变化范围的取值很小,这通常接近或小于实际各变量取值变化。但从仿真结果看出,寄生电阻的少量变化,波谷相位漂移和频带宽度变化很明显,这说明它对寄生电阻非常敏感;同时看出电感或电容值变化对频率漂移有影响;最后,从图11可以看出,互感系数对信号的衰减也有明显的影响。但在通常的测试中,传感器与天线相对位置一般保持不变,所以在分析中可以忽略k对读取信号变化的影响[11]。因此,在图3的测试中,初步得出寄生电阻是影响信号衰减的主要原因。

3 电感、电容陶瓷片高温测试

为了验证寄生电阻是影响信号衰减的主要原因,本次实验利用相同的工艺步骤,分别制作了基于相同材料的电感线圈和电容陶瓷片,结构示意图如图12所示。对电感、电容陶瓷片分别在高温炉里面,从常温加热到500 ℃,电感陶瓷片测试示意图,如图13所示。

图12

图13 电感陶瓷片测试示意图

得出电感陶瓷片的参数随温度变化的曲线,如图14所示,可以发现,在50 ℃到500 ℃的范围内,电感值基本上无变化,而寄生电容值从1.5 pF增加到1.82 pF,电阻值从20.6 Ω增加了6.7 Ω到27.3 Ω。

图14 电感陶瓷各参数随温度变化曲线

同样,对电容陶瓷片在常温到500 ℃范围内测试,测试结果如图15所示,极板电容值从16.9 pF增加了0.55 pF到17.45 pF。

图15 电容陶瓷电容值随温度变化曲线

对比上面MATLAB的仿真结果,即6 Ω的电阻变化引起37.3°相位的移动和频带宽度明显的变化;由此可以得出,高温压力传感器在高温下的测试,电感线圈电阻的增加是信号衰减与频带变宽的主要原因。同时,试验测试中总电容值增加了0.87 pF,而电感值基本保持不变,分析可知是高温下电容值的增加导致频率的漂移[13-14]。

4 结论

高温压力传感器在高温下测试,随着温度的增加,信号衰减也随着增加,本文通过MATLAB软件,在理论上通过单一变量法,分析影响天线传感器测试读取结果的各个因素,初步得出寄生电阻是信号衰减的主要原因。通过分别制作电感线圈、电容陶瓷片模型,并在500 ℃内进行测试,发现线圈电阻增加了6.7 Ω,这验证了本文的猜想;同时得出,高温下电容值的增加是信号漂移的主要原因。

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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,硕士,中北大学仪器与电子学院,研究方向为无线无源传感器,2571268140@qq.com;

谭秋林(1979-),男,湖南衡南人,博士,教授,研究方向为光学气体传感器及检测技术、无线无源微纳传感器及微系统集成技术、无线传感器网络及射频技术、数据采集及存储技术,tanqiulin.99@163.com。

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.02.003

项目来源:国家自然科学基金(61471324);高等学校优秀青年学术带头人支持计划资助项目;国家杰出青年科学基金项目(51425505);博士后科学基金特别项目(2014T70074)

2014-09-25 修改日期:2014-11-25

TP212

A

1004-1699(2015)02-0165-05