《三线圈式无源电子标签质量参数检测技术研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三线圈式无源电子标签质量参数检测技术研究（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、三线圈式无源电子标签质量参数检测技术研究 盛庆元 蔡晓霞 朱丹 绍兴职业技术学院 摘 要： 电子商品防盗系统 (EAS) 中的无源电子标签工作原理可等效为 LCR 串联电路, 其谐振频率 FX 和品质因素 Q 是无源电子标签关键质量参数。针对目前二线圈式检测方法检测此类标签参数存在的不足, 设计一种差分式三线圈传感探头, 分析了三线圈传感探头的工作原理, 并采用 Proteus 软件对此传感探头的等效电路模型仿真, 验证测量方法的可行性。同时设计了以 MSP430F149 处理器为核心的检测硬件电路, 并基于二分法设计了快速寻找 FX 和 Q 值的跳频程序。以 58 k Hz 声磁无源电子硬标
2、签为测试对象, 试验表明:此检测技术的 FX、Q 值测量的绝对误差分别小于 9.1 k Hz 和 1.0, 其性能优于市售 EAS 频率检测仪 (E-X5006AM) 。关键词： 电气工程; 电子标签; Proteus; 谐振频率; 品质因素; 作者简介：盛庆元 (1988-) , 男, 2013 年毕业于江苏大学农业生物环境与能源工程专业, 获硕士学位, 现为绍兴职业技术学院机电一体化技术专业专任教师;主要从事电磁传感器设计、专机设备研发和农业生物环境参数检测技术研究, ;作者简介：蔡晓霞 (1978-) , 女, 2001 年毕业于浙江工业大学机械工程领域工程专业, 获硕士学位, 现为绍兴
3、职业技术学院副教授, 主要从事研究方向为设备远程智能维护与智能控制的研究, 。收稿日期：2017-05-08基金：浙江省教育厅科研项目 (Y201738724) Research on Quality Parameters Detection of Passive Electronic Label Using Three-CoilSHENG Qingyuan CAI Xiaoxia ZHU Dan Shaoxing Vocational and Technical College; Abstract： The principle of passive electronic tags in el
4、ectronic goods anti-theft systems ( EAS) can be equivalent to LCR series circuits whose resonant frequency FXand quality factor Q are the key quality parameters of passive electronic tags. Aiming at the shortcomings of the current two-coil detection method to detect such tag parameters, a three-coil
5、 sensor probe structure is designed. The working principle of the three-coil sensing probe is analyzed, and the equivalent circuit of the sensor is adopted by Proteus software Model simulation, verify the feasibility of the measurement method. At the same time, the detection hardware circuit with MS
6、P430 F149 processor is designed, and the hopping-frequency program of FXand Q is designed based on dichotomy. The experimental results show that the absolute error of FXand Q value measurement is less than 9.1 kHz and 1.0, respectively. The performance is better than that of commercial EAS frequency
7、 detector ( E-X5006 AM) .Keyword： electrical engineering; electronic tags; proteus; resonant frequency; quality factor; Received： 2017-05-08无源电子标签的谐振频率 FX和品质因素 Q 是其关键质量参数1。ISO/IEC 18046-3-2007 等3-4标准给出了 EAS 系统的电子标签以及防盗检测系统的基本规范要求。依据上述规范, 目前无源电子标签的传感探头一般分为单线圈、双线圈两种结构模型。赵万年5、宋小锋6研究表明单线圈探头检测方法可以检测电子标签的
8、谐振频率, 但无法对其 Q 值和其他参数进行分析和计算。李佳骏1,7利用磁场仿真软件 Ansoft HFSS, 对多种检测传感器模型进行仿真建模, 研究了传感器形状对测试性能的影响;牛元海8-9分析了标签信号特征, 提出了一种标签信号的综合判决流程, 并设计出一种 EAS 扫频信号源。杨成忠、朱亚萍等人10-12利用互感耦合原理建立了双线圈探头检测模型, 通过此模型可以检测电子标签的 FX、Q 值和有效容积等参数, 而此方法也存在一些不足: (1) 发射线圈和无源电子标签耦合系数值增大, 测试的中心频率发生很大的偏移; (2) 发射线圈和接收线圈耦合系数值逐渐增大, 系统偏差减小, 但整体波形
9、的带宽发生了变化, 即影响到无源电子标签 Q 值。为克服上述问题, 专利 CN 102735943A13提供一种消除上述发射与接收线圈间, 无源电子标签与发射和接收线圈间互相干扰问题。但是此专利传感器结构复杂, 其实质需要 6 个线圈;本团队专利 CN106443826A14对上述专利进行改进, 提出了一种四线圈探头结构, 并给出了传感器检测模型, 此专利的不足在于使用的线圈数还是较多, 用二阶积分电路进行前期信号处理。另外, 现有无源电子标签质量参数检测都是通过扫频方法, 获取无源电子标签幅频特性曲线, 进而得到谐振频率 FX和品质因素 Q 值, 这种方法扫描时间长;在无源电子标签生产过程中
10、, 此方法提供的反馈信号无法满足快速定位磁棒插入深度要求, 影响生产效率。针对上述问题, 本文提出了三线圈传感探头结构, 对此传感探头的等效电路模型用 Proteus 软件仿真, 验证测量方法的可行性;同时以 MSP430 处理器为核心, 设计检测技术的硬件电路和程序。解决了传统双线圈结构传感器存在各部分间干扰导致测试 FX值误差大和无法测试 Q 值的等问题。1 无源电子标签工作原理电子商品防盗系统简称 EAS, 又称电子商品防窃 (盗) 系统, 是目前大型零售行业广泛采用的商品安全措施之一。EAS 主要由检测器、解码器和无源电子标签三部分组成;无源电子标签又可分为软标签和硬标签。如图 1 所
11、示, 常规无源电子标签 FX和 Q 值检测装置与实际中所使用的 EAS 系统相似。在监视区, 发射线圈以一定的频率向接收器发射信号。发射线圈与接受器一般安装在零售店等的出入口, 形成一定的监视空间。当无源电子标签经过检测区域时, 检测区域含有随频率变化的磁场, 无源电子标签内部的电感会产生感应电压, 形成感应电流, 此感应电流也会产生磁场, 反过来干扰检测区域的磁场分布, 使检测线圈产生一个明显的扰动信号, 这种干扰信号会被接收器接收, 再经过微处理器的分析判断, 就会控制警报器的鸣响。接收线圈接收到的感应信号含有无源电子标签的质量参数信息。显然当无源电子标签发生谐振时产生的扰动信号最强, 无
12、源电子标签的品质因数 Q 值越大, 无源电子标签的选频特性越好, 相应接收器越容易识别无源电子标签的存在。朱亚萍11对图1 中的双线圈检测方法研究表明:无源电子标签线圈与发射和接收线圈间的互感系数增大, 谐振频率偏差加剧, 甚至无法对无源电子标签进行检测。图 1 常规无源电子标签测试方法示意图 下载原图2 传感探头设计2.1 传感探头结构设计的三线圈式传感探头结构如图 2 所示。传感探头包括发射线圈、左接收线圈、右接收线圈。结构特点在于: (1) 发射线圈位于左、右接收线圈正中间; (2) 左、右接收线圈结构完全相同; (3) 左、右接收线圈通过导线串联, 当左、右接收线圈有电流时, 电流在左
13、、右接收线圈内的流转旋向相反; (4) 发射线圈的直径是接收线圈直径的 1.52.5 倍, 接收线圈的直径是无源电子标签直径的 1.21.5 倍, 发射线圈与左、右接收线圈之间的间距为接收线圈直径的1.31.8 倍。图 2 传感器结构示意图 下载原图2.2 传感探头工作原理分析无源电子标签未进入探头检测区域时, 发射线圈施加交流信号激励, 在发射线圈附近较大范围内产生磁场, 由于左、右接收线圈旋向相反, 所以左、右接收线圈形成的闭合区域内磁通量为零, 感应电动势之和为零。当被测硬标签置于右接收线圈 (以被测硬标签置于右接收线圈为例说明) 附近的中心区域, 无源电子标签受发射线圈磁场的影响, 产
14、生感应电动势, 在无源电子硬标签内形成感应电流, 此感应电流也会产生磁场。左、右接收线圈感应无源电子标签产生的磁场, 形成感应电动势;其中, 右接收线圈位于无源电子硬标签附近, 受无源电子硬标签产生的磁场的影响明显, 而左接收线圈远离无源电子硬标签, 受无源电子硬标签感应磁场的影响很弱。所以, 发射线圈施加不同频率的交流信号激励时, 左接收线圈、右接收线圈的感应电动势之和包含了无源电子硬标签的谐振频率 FX和 Q 值信息。2.3 传感探头电路等效模型分析与仿真2.3.1 传感探头等效电路模型分析传感探头工作状态的等效电路模型时, 采用互感耦合原理, 将线圈感应电压等效为电流控制的电压源。由上述
15、传感探头工作原理, 探头工作时对应的电路模型如图 3 所示。图 3 传感探头工作等效电路模型 下载原图图 3 中, 无源电子标签被等效为线圈、电容的 LCR 串联电路, 其中, R 为线圈内阻, L 为电子硬标签线圈电感值, C 为电子硬标签的电容值, 此 RLC 串联电路的谐振频率 FX:图 3 中 M、M 1分别为无源电子标签与发射线圈、右接收射线圈的互感系数, L1、L 2、L 3分别是发射线圈、左接收线圈、右接收线圈的等效电感, 图 3 中发射线圈和无源电子标签部分电路的向量关系如下:由式 (2) 、式 (3) 可得接收线圈输出信号:对式 (4) 两边取模, 即求信号 的有效值, 并结
16、合无源电子标签LCR 串联电路归一化幅频特性曲线式 (5) , 可推导出式 (6) 。式 (2) 式 (6) 中:Z、Z 1分别为无源电子标签, 发射线圈同信号源内阻的阻抗。对传感探头和某一被检测无源电子标签来说, 参数 M、M 1、R 是确定值, 施加给定的激励源时|Z 1|也是确定值。因此, 由 U0可反推无源电子标签 T (jw) 参数信息。2.3.2 探头工作电路仿真探头工作电路时采用的仿真电路如图 4 (a) 所示, 对式 (6) 中的 w 在图 4 (a) 中采用了二级积分电路处理, 使用 Proteus 的频率分析功能, 图 4 (a) 中的 C3 (1) 处的输出信号以图 4 (a) 中激励 U1为参考, 仿真得到 C3 (1) 处的归一化幅频特性曲线如图 4 (b) 所示。依图 4 (b) 仿真结果曲线与标签 LCR 幅频特性曲线一致, 可由图 4 (b) 的曲线获取无源电子标签
