国家自然科学基金项目结题成果科普性介绍——无源无线传感系统

     本项目来源于国家自然科学基金项目“无源传感器的非线性无线查询技术及其测量网络仪器系统（No. 61527813）”,起止时间 2016.1-2020.12。 本项目工作概括如下。

一、主要研究内容

    本项目结合传感技术、无线通讯技术、微能源技术和雷达技术的无源无线传感系统利用电磁波作为数据和能量的载体，“数能同传”将分布的无源无线传感节点连接起来，实现不受环境限制的实时传感信息获取，从根本上解决了物联网信息获取的供电和数据接入第一米瓶颈，可以在各种环境条件下建立起客观信息获取的物理层。无源无线传感系统中的传感标签可以接入各种通用的阻抗型、谐振型传感器，通过专门设计的电磁波供电电源管理和传感电路设计实现高分辨率传感，保证各种传感量的测量精度，可充分发挥各种传感器的应有的性能。无源无线传感系统拓展了传感器的应用极限，在各种环境中均能方便地建立起分布式泛在的信息获取网络，可为各种智能技术提供集群感知支撑。

主要研究包括：

1、通用的无源无线传感器系统

2、无源无线传感标签

3、无源无线传感查询器

4、阻抗型磁场传感器

5、谐振型磁场传感器

6、谐振型电场传感器

7、用无源无线传感网络监测电流/电压

二、研究方法及研究结果。

2.1通用的无源无线传感器系统

    本项目建立的无源无线传感系统的结构如图 1 示。无源无线传感系统由五部分组成，分别为：(i)人机交互终端、(ii)阅读器、(iii)通用传感标签、(iv)4G 路由器和(v)云服务器，如图 1 所示。其中，人机交互终端以计算机为基础，用于与阅读器通讯、处理传感数据和提供图形用户界面；阅读器及其天线用于向通用无源无 线传感标签发射能量和操作指令；通用传感标签收集来自阅读器天线的射频能量， 将其转换为直流能量为传感标签供电，传感标签的传感数据通过反向散射调制的 方式传输至阅读器；4G 路由器用于为阅读器提供互联网连接，便于其与人机交互终端通信；传感数据经人机交互终端处理后通过互联网上传至云服务器保存，便于随时随地调取各通用无源无线传感标签的传感数据。

图 1  无源无线传感系统示意图

2.2无源无线传感标签

    通用无源无线传感标签的结构如图 2 所示。传感标签包含天线、能量收集及管理单元、传感单元和通信单元四个部分。通用无源无线标签采用增益为2.15dBi、工作频率为 920MHz 的半波偶极子天线，用于接收来自阅读器载有能量的射频电磁波和发送传感数据。通用无源无线传感标签的能量收集及管理单元包括匹配电路、RF-DC 整流电路、储能电容和 DC-DC 变换器四个部分。其中，匹配电路用于天线阻抗和能量收集及管理单元的阻抗匹配，以使得从标签天线到能量收集及管理单元的最大功率传输成为可能。高效率 RF-DC 整流电路将 RF 能量转换为DC 能量，并对储能电容充电。由于储能电容的输出电压随标签功耗的变化而变化，标签采用 DC-DC 变换器为传感和通信单元提供稳定的电压。

图 2  无源无线传感标签

    本项目设计了针对阻抗型和谐振器型两种传感器的射频传感标签，分别可以搭载阻抗型传感器和谐振器型传感器。谐振器型传感器的传感标签电路原理如图3。

图 3  谐振型传感器无源射频传感电路原理框图

2.3无源无线传感查询器

    无源传感器查询器是构建无源无线传感器应用系统的一个重要组成部分，它完成无源无线系统中关键的信息的采集功能。查询器对其覆盖范围内的传感标签进行识别，完成对标签的清点、读等操作，并解析出标签返回的传感器的频率信息。

本项目设计的超高频无线无源固定式查询器（以下称查询器）ZXRIS6700 是作为无源无线传感器系统的信息采集执行实体。它一方面对其覆盖范围内的传感标签进行识别，另一方面需要将识别的信息传递给后台 RFID 中间件。查询器与标签通信满足通用 RFID 查询器与标签空中接口协议标准。查询器系统示意图如图 4 所示。

图 4  查询器系统示意图

2.4阻抗型磁场传感器

    本项目针对无源无线传感应用，研发了微平面线圈磁传感器，通过设计平面非晶薄膜的结构以及器件的敏感结构，得到高灵敏、低噪声的阻抗型磁场器，传感器体积微小，功耗极低。微平面线圈磁传感器结构如图 5 示。

图 5. (a)微平面互感磁传感器的示意图。(b)微平面互感磁传感器的测量电路，红色虚线框表示传感器的等效电路。

2.5谐振型磁场传感器

    本项目提出将磁致伸缩材料与高 Q 值的石英谐振器复合构成一种新型谐振式微型磁传感器，其中磁致伸缩材料为一次敏感元件、高 Q 值石英谐振器作为二次谐振敏感元件，当磁场作用下产生的磁致伸缩力作用到二次谐振敏感元件时产生频率偏移。通过优选石英音叉振动模式和优化传感器结构设计，使复合磁传感器具备高Q 值（≥104），以及实现磁致伸缩力到二次谐振敏感元件的高效传递，增加磁-频率变化的灵敏度。该谐振式磁传感器的输出量为数字频率信号，具有强噪声免疫能力、高精度、高分辨率、高 Q 值、稳定好、低功耗和微型化等优势，在军民领域都具有广阔的应用前景。具体来说，谐振式磁传感器由双端固定石英音叉谐振器、石英垫片以及磁致伸缩材料三部分组成，如图 6所示。音叉为双梁对称结构，具有两个两端固定的振动梁，两梁的尺寸相同、电极布置形状对称。音叉通过石英垫片支座固定在磁致伸缩材料的两端。在磁场作用下，磁致伸缩材料产生形变，应力通过石英垫片传递至音叉，使振动梁受到纵向拉伸作用， 石英音叉振梁弯曲振动的谐振频率因而偏移。可设计振荡电路使谐振器产生振荡输出，而输出信号的频率可通过频率计数器测量，通过测量频率变化来测量磁场。

图 6 谐振式磁场/电场传感器的结构示意图

2.6谐振型电场/电压传感器

    本项目提出将压电陶瓷材料与高 Q 值的石英谐振器复合，开发一种新型超低功耗的差分谐振式电场/电压传感器。设计基于压电双晶片的高电压差分敏感-力驱动、纵-弯转换弹性结构以及悬臂梁弹性的差分力敏感-频率转换结构，实现高电压-力-频率高效转换以及强弱电隔离，双差分对称结构设计提高宽温度范围内灵敏度一致性和稳定性。并联复合结构谐振式电场/电压传感器的结构示意图如图 7所示，由一个 PZT-8 压电陶瓷片，一个 DETF 谐振器，两个石英垫片组成。

图 7 并联复合结构谐振式电压传感器结构示意图

2.7用无源无线传感网络监测电流/电压

    对于电网中的无源无线电缆电流检测，采用平面线圈和软磁薄膜的磁传感器与采用其他传感原理的传感器相比具有明显的优势。尽管巨磁阻抗（GMI）传感器受到了广泛的关注，但它们仍需要数兆赫兹的激励。这种对高频激励电流的需求大大增加了激励源设计的复杂性，对于能量和体积有限的无源无线传感是一个重大挑战。当 GMI 传感器被相对低频的电流激励时，传感器中的电阻变化，特别是阻抗的变化很微弱，其输出信号的变化难以观察，从而导致传感器的灵敏度下降。平面线圈结构的磁传感器利用线圈间的互感来检测磁场，能够在较低的激励频率（几百 kHz）下工作。其较高的灵敏度大大降低了激励源的复杂程度，适合于无源无线传感应用。

    图 8 显示了用无源无线磁场传感器检测电缆电流的系统，包含了一个商用阅读器（ZXRIS 6700，高新兴智联科技有限公司），其最大射频输出功率为 36dBm， 工作频率为 920MHz。阅读器天线的极化方式为线级化，增益为 12dBi。为了最大程度降低极化失配，无源无线传感标签的天线和阅读器天线均与地面平行放置。无源无线传感标签放置于距离阅读器 2.5m 处，且正对阅读器天线阵面。磁场传感器放置于离电缆中心 4.7mm 处，充电时间设置为 5s。传感标签的储能电容容值为 220μF，在上述系统配置中可被充电至 5.5V，其储存的能量足够使传感标签执行全部功能。