基于无线供能负阻的中性LC传感器研究.pdfVIP

摘要

LC(电感电容)传感器是由以电容和电感所组成的简单谐振回路组成，采用电感线圈

互耦的方式对能量和信息进行传输，从而实现无线检测。这种特性使得LC传感器具有

使用寿命长、功耗低、泛用性强等优势，在无线传感领域中具有相当广泛的应用空间。

目前研究的LC传感器，受限于基本结构，在不改变电感电容元件参数的前提下难以对

读出精度进行提高。

本文以提高LC传感器的品质因数为着手点，利用基于无线供能的负电阻实现无损

耗并具有超高品质因数的LC传感器。依据无线能量耦合理论与LC无源无线传感原理，

构建了无线负电阻的LC传感器模型，并对负电阻的等效电路模型及工作条件进行研究，

分析了敏感参数影响及读出方法。通过ADS及Multisim软件仿真，设计基于无线供能

负阻的中性LC传感器系统并优化参数。该系统由交流电源通过发射线圈向LC传感器

电感线圈发射能量，经由LC传感器谐振回路、整流电路及稳压电路向运算放大器提供

能量，使其工作在饱和区内构成负电阻。同时利用阻抗分析仪通过读出线圈对LC传感

器电感线圈进行近场耦合，测量传感器的阻抗实部实现敏感参数的无线测量。在实际应

用中，负阻抗变换器选用TH4304运算放大器进行实现，整流电路选用肖特基二极管组

成全波整流桥式电路，稳压电路基于LM1117低压差线性稳压器(LDO)实现，无线能量

传输线圈和LC传感器的耦合线圈均以平面电感线圈实现。测试结果表明此中性传感器

系统通过抵消内阻实现对品质因数超过10倍的提升，并且在无线供能的条件下可以稳

定的进行工作，可以在保证LC传感器无线特性的前提下实现对传感器灵敏度和读出精

度的提升。

关键词:LC传感器，负阻抗变换器，无线能量传输

Abstract

LC(inductive-capacitive)sensorsconsistofacapacitorandaninductor,anduseinductive

coilstotransmitenergyandsignalsinthemutuallycoupledmanner,thusenablingwireless

detection.ThisfeaturemakesLCsensorshavetheadvantagesoflongmaintenancecycle,low

powerconsumptionandhighversatility,andtheyhaveconsiderablescopeforapplicationin

thefieldofwirelesssensing.TheLCsensorscurrentlystudiedarelimitedbytheirbasic

structure,makingitdifficulttoimprovethereadoutaccuracywithoutchangingtheparameters

oftheinductiveandcapacitivecomponents.

WefocusedontheimprovementofthequalityfactorofLCsensors,andusedthenegative

resistancebasedonwirelessenergysupplytoachievealoss-freeLCsensorwithultra-high

qualityfactor.BasedonthetheoryofwirelessenergycouplingandtheprincipleofLCpassive

wirelesssensing,awirelessnegativeresistanceLCsensormodelwasconstructed,the

equivalentcircuitmodelandoperatingconditionsofthenegativeresistancewerestudied,and

theinfluenceofs