天津工业大学计算机科学与技术学院，天津

收稿日期：2021年3月3日；录用日期：2021年4月7日；发布日期：2021年4月16日

摘要

基于无线供能和无线通信的压力传感器具有便携式的特点，可以摆脱蓄电池或充电的困扰。而且由于是无线的，体积也会比有线的小。根据电磁耦合和谐振的原理设计了一款无线供能和无线通信压力传感器，通过电磁耦合的方式实现能量的传输，通过谐振实现能量传输过程中能量最大化。该标签电路是由一个3匝环形天线、一个二极管、一个电容和一个薄膜压力传感器组成。先通过对天线的HFSS仿真，获取天线的等效参数。然后，通过谐振求得电容的型号，通过二极管的特性选取二极管的型号。最后通过实验得出阅读器天线两端的电压信号和薄膜压力传感器两端的压力信号的关系。基于无线供能和无线通信的传感器可以精确地感知压力的变化，并通过阅读器的天线捕获这种变化，具有低成本、高灵敏度、高机械可逆性、耐久性和稳定性等诸多优点。

关键词

无线供能，无线通信，压力传感器

A Pressure Sensor Based on Wireless Energy Supply and Wireless Communication

Shengnan Liu, Xin Ma

Computer Science and Technology Institution, Tian Gong University, Tianjin

Received: Mar. 3^rd, 2021; accepted: Apr. 7^th, 2021; published: Apr. 16^th, 2021

ABSTRACT

The pressure sensor based on wireless power supply and wireless communication has the characteristics of portable, which can get rid of the trouble of battery or charging. And the volume will be smaller than the wired because of wireless. According to the principle of electromagnetic coupling and resonance, a wireless energy supply and wireless communication pressure sensor is designed. The energy transmission is realized by electromagnetic coupling, and the energy maximization in the process of energy transmission is realized by resonance. The circuit of the tag is composed of a 3-turn loop antenna, a diode, a capacitor and a thin film pressure sensor. Firstly, the equivalent parameters of the antenna are obtained by HFSS simulation. Then, the type of capacitor is obtained by resonance, and the type of diode is selected by the characteristics of diode. Finally, the relationship between the voltage signal at both ends of the Reader antenna and the pressure signal at both ends of the thin film pressure sensor is obtained through experiments. The sensor based on wireless power supply and wireless communication can accurately sense the change of pressure and capture the change through the antenna of the Reader. It has many advantages, such as low cost, high sensitivity, high mechanical reversibility, durability and stability.

Keywords:Wireless Power Supply, Wireless Communication, Pressure Sensor

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1. 引言

传感器是将一种形式的能量信号转换为另一种形式的能量信号的一种电气设备，经常用于测量、控制系统和自动化 [1]。压力传感器又分为3大类：电阻式压力传感器、电容式压力传感器和谐振压力传感器 [2]。其中，电阻式压力传感器是使用率最多的一类传感器。但是大多数电阻式压力传感器都是有源的，即需要外部蓄电池或电源。随着社会经济的日益发展，我国居民的生活水平在不断提高，人们对于电子设备的无线供能和无线通信的特性期待越来越高 [3]。利用射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)可以解决无线供能和无线通信的问题。混凝土氯离子浓度的测量 [4]，与有机光电探测器集成的喷墨打印无源RFID标签 [5]，用于定位监测的无电池智能标签 [6]，用于无源RFID应用的湿度传感器 [7]，以及室内定位系统 [8] [9] 等都是基于RFID传感器应用的例子。本实验通过射频识别技术实现一款具有无线供能和无线通信性质的压力传感器。在一个完整的射频系统中包括3部分，分别为阅读器、天线和标签。本实验中使用的阅读器为RC522，可以发射13.56 MHz的高频电磁波。本实验设计的是一个标签，而标签中包含天线和电路。

2. 天线

天线是标签电路中重要的一环，具有给整个标签电路供能和回送信号的作用。本实验研究的天线对象是铜线半径为0.25 mm，天线间距为0.1 mm，天线的内半径为10 mm，线圈匝数N为3，PCB厚度h为1 mm的环形天线线圈。通过HFSS电磁场仿真软件仿真出具有这些参数的天线，然后求出该天线的等效电感和等效电容。

2.1. 天线的设计

利用HFSS仿真软件进行天线模型的创建和分析。模型的创建是通过如图1所示的新建HFSS设计工程、设置求解类型和创建设计模型得到，其中创建设计模型又包括指定模型材料属性、分配边界条件和分配端口激励。分析天线的等效电感和等效电容则可以通过如图1所示的设置求解频率和扫频项、运行仿真分析和数据后处理得到。

图1. HFSS天线设计流程

创建成功后的天线模型如图2所示，其中绿色为PCB板。天线由2部分构成，分别为外侧的平面螺旋天线和内侧的金属化孔。天线最终需要和电子元器件连接在一起，所以需要通过金属化孔将外侧的天线末端引入到天线内部。金属化孔是由8个矩形构成，编号分别是1，2，3，4，5，6，7，8。天线的求解类型为Driven Terminal (终端驱动)，材料属性设置为copper，边界条件设置为Perfect E (理想导体边界条件)，端口激励方式设置为Lumped Ports (集总端口激励)。

图2. 天线HFSS仿真模型

2.2. 天线的等效参数

为了后续标签电路的设计和开发以及使整个标签电路在13.56 MHz的频率下发生谐振，需要求出射频天线的等效电感和等效电容。

天线的等效电感还可以通过HFSS仿真的形式求出。在HFSS中设置输出变量L，表示天线线圈产生的电感值，如公式(1)所示。

$L=\text{im}\left(\text{Zt}\left(\text{Rec}4\_\text{T}1,\text{Rec}4\_\text{T}1\right)\right)\ast {10}^6/\left(2\ast \text{PI}\ast \text{Freq}\right)$ (1)

函数Zt(Rec4_T1, Rec4_T1)表示求天线的阻抗，等于电阻、感抗、容抗三者之和。函数im()表示求激励端口Rec4_T1阻抗的虚部，即感抗和容抗之和。函数im()的默认单位是亨H，需要乘以10⁶转换成微亨μH。在HFSS中，PI和Freq都是变量，PI表示π，Freq表示在设置扫频分析输入的频率范围。设置扫频分析项为5 MHz至20 MHz，点击运行仿真分析。通过New Report即可得到电感值L和5 MHz至20 MHz频率之间的关系，如图3所示。在图3中横坐标表示频率，纵坐标表示天线线圈产生的电感值L。在图中使用工具栏中的Add marker标记13.56 MHz为m1处，在XYPlot6曲线图左上角出有一个表格，从表格中可以得到天线在13.56 MHz出的等效电感值为0.3868 μH。

图3. 在5 MHz至20 MHz下的天线等效电感曲线图

同样通过HFSS仿真的形式求出天线的等效电容。扫频类型设置为Fast(快速扫频)，频率范围设置为0.1 MHz至500 MHz，步进频率为0.1 MHz，运行仿真分析。仿真分析运行完成后，选择Terminal Z Parameter、函数im()和函数re()。Terminal Z Parameter表示端口的阻抗，函数im()表示阻抗的虚部，函数re()表示阻抗的实部。设置完成后，选择New Report即可得到在0.1 MHz至500 MHz区间内天线阻抗随着频率的变化曲线图，如图4所示。图4中有两条曲线，红色曲线代表在0.1 MHz至500 MHz频率区间内阻抗实部的变化曲线图，紫色曲线代表在0.1 MHz至500 MHz频率区间内阻抗虚部的变化曲线图。选中阻抗实部变化曲线图，用工具栏中的Add maximum marker标记出阻抗实部变化曲线图的最大值m1。在阻抗实部变化曲线图的左上角显示出m1点对应的频率为208.1 MHz，对应的电阻为45.185 kΩ。通过观察阻抗虚部变化曲线图，可以发现在m1点对应的208.1 MHz处，阻抗的虚部为0，即感抗ωL = 容抗1/ωC，表明在208.1 MHz处，天线发生了自谐振。因此，208.1 MHz即为天线的自谐振频率。在公式(2)中，f表示自谐振频率且f = 208.1 MHz，L表示等效电感值且L约为0.3868 μH。通过计算得出等效电容值C约为1.539 pF。

$C=\frac{1}{{\left(2\times \text{π}\times f\right)}^{2}L}$ (2)

通过HFSS电磁仿真软件，建立天线模型后计算得出天线等效电感值为0.3868 μH和等效电容值为1.539 pF。

图4. 天线的阻抗曲线

3. 标签电路的设计和实现

由于导线的趋肤效应，天线具有电感特性；由于多匝天线之间存在杂散电容，天线具有电容特性；由于天线的材料是铜，天线具有电阻特性。因此，天线就可以等效为电阻、电容和电感相连接的电路。环形天线的等效电路是由损耗电阻Rant和等效电感Lant串联，串联后的整体和等效电容Cant并联，如图5所示。

图5. 天线等效电路图

本实验所设计的无线供能和无线通信压力传感器电路就是一个标签，标签电路是由天线、二极管、电容和薄膜压力传感器Rx组成，连接电路图如图6所示。在图6中左侧部分的R1、L2和C1则为天线的等效电路。

图6. 标签电路连接图

二极管起到整流的作用，在该电路中是作为整流器存在的。根据二极管的这些特性，用二极管和天线连接，达到整流的目的。由于线圈产生的电压是交流电压，而压力传感器需要的是直流电压，所以需要将交流电压转换为直流电压。

电路中添加电容C2有两个作用，其一是给通过积累电荷，给右侧压力传感器R提供稳定的电压，其二是为了构造一个谐振电路，需要额外的一个电容使整个标签电路达到谐振的状态。

焊接完成后的标签电路实物图如图7所示，1N5817二极管和天线是串联的，Ca1、Ca2和薄膜压力传感器它们三者和1N5817二极管是并联的。该薄膜压力传感器输出电阻随压力增加而减小。

图7. 标签电路实物图

如图6所示，在设计的电路中，只存在一个天线产生的等效电感L2，天线的等效电感L2为0.3868 μH。在图6中，天线产生的等效电容C1和电容C2是并联的。又由于并联后的电容C为各个并联分支电容的和，所以图6整个电路的总电容C为C1 + C2。由谐振的计算公式(2)可知，谐振电容C为356 pF。天线的等效电容C1为1.539 pF，因此电容C2的值应为354.461 pF。在电路设计中将电容C2的值约等于354 pF。市面上并无电容值正好为354 pF的电容，所以可以使用两个电容进行并联，使其并联后的电容值为354 pF。在这里，使用一个300 pF的电容Ca1和一个最大值为100 pF的可调电容Ca2进行并联。

由于二极管在该电路中的作用是整流的作用，即经过二极管后天线两端产生的交流信号转换为直流信号。天线两端产生的电压必定是很低的，考虑到要使二极管必须能够正向导通，所以在实验中尽可能选择导通电压低的二极管。经过多方面查找资料后，确定了实验中使用的二极管是1N5817型号的。经过万用表测量，得知1N5817型号的二极管导通电压为0.136 V，符合本实验的要求。

4. 实验与结果分析

4.1. 设备配置

硬件：

1) Arduino uno × 1

2) RC522 × 1

3) 标签电路板× 1

4) 电脑 × 1

5) 示波器 × 1

6) 杜邦线7根

软件：

1) Arduino IDE

4.2. Arduino和Reader的连接

Arduino和Reader的连接线图如图8所示。具体的Arduino引脚和Reader的引脚具体对应关系，参照表1所示。SDA表示该设备可以被主设备选中使用。SCK代表着同步时钟。MOSI为主输出从输入，MISO为主输入从输出。RST在电路中起到复位、初始化的作用。

表1. Reader引脚和Arduino UNO开发板引脚的对应关系

图8. Arduino和Reader的连接图

4.3. Arduino代码

在Arduino IDE软件中，将开发板选为Arduino Uno，端口号设置为Arduino连接电脑的端口。设置完成后，就可以将如图9所示的代码点击上传。在没有语法错误的情况下，会编译源代码，然后烧录到Arduino uno芯片中。在信息栏提示上传成功后，就可以打开串口监视器。此时，RC522就可以发射出13.56 MHz的电磁波，我们就利用该电磁波产生的能量进行后续的实验。

图9. RC522产生13.56 MHz电磁波的Arduino代码

4.4. 实验与结果

在Arduino分别和电脑与Reader连接后，将标签电路放置在Reader天线的正上方，距离为0.2 cm，如图10所示。为了更加直观的观察到外力对阅读器的影响，需要借助于DS1102Z-E示波器的两个通道，一个通道连接薄膜压力传感器，另一个通道连接RC522阅读器天线。在探头连接到RC522天线之前，需要在RC522阅读器的C10和C11处分别焊接一根导线，然后再将探头的两端连接到引出的两根导线上。

示波器按下AUTO键自动获取的波形如图11所示，施加在薄膜压力传感器上的作用力依次从1N变化到6N，步进值为1N。其中，黄色正弦曲线代表RC522天线两端的电压，单位为V；青色正弦曲线代表薄膜压力传感器两端的电压，单位为mV。从图11中的F为1N和2N，可以明显的观察到，随着对薄膜压力传感器外力的增加，其本身两端的波形峰值是减小的，而RC522天线两端的变化不明显。为了更加清新的表示它们数值的变化，将RC522天线两端和薄膜压力传感器两端波形图的最大值和最小值整理成表格的形式，如表2所示。max (V)和min (V)分别表示RC522天线两端电压的最大值和最小值，max (mV)和min (mV)表示薄膜压力传感器两端电压的最大值和最小值。

从表2可以观察到作用在薄膜压力传感器两端的力对RC522天线两端的波形是有影响的，且有较明显的影响。这是由于所以在13.56 MHz的频率下，由于RC522阅读器和标签电路距离很近，所以它们之

图10. 标签电路通信示意图

图11. 不同压力下的阅读器天线两端和薄膜压力传感器两端的波形图

间产生电磁耦合。由于这种相互耦合，设计的标签线圈两端会感应出电压。如果在薄膜压力传感器上施加外界作用力，就会改变这个薄膜压力传感器的电阻，那么流经这个传感器的电流也会改变。这种电流切换或电流变化率也会在射频识别阅读器中产生电压。因此，RC522天线两端的电压也发生了变化，达到了信号回传的目的。

表2. RC522天线两端和薄膜压力传感器两端的电压最值

利用MATLAB的曲线拟合功能将表2中的6组数据进行拟合，每组数据对应力F(N)和RC522天线两端的最大值，得到拟合曲线函数如公式(3)所示。

$U=a_0+a_1\times \cos \left(F\times w\right)+b_1\times \sin \left(F\times w\right)$ (3)

其中a₀ = 2.908，a₁ = 0.3466，b₁ = −0.005643，w = 0.5338。因此，我们最终获得了薄膜压力传感器两端的作用力和RC522阅读器天线两端电压的数量关系。这是一个单调可导函数，即可以求出公式(3)的反函数。因此，可以通过示波器观察阅读器两端的电压值得到作用在薄膜压力传感器上的作用力大小。通过实验，最终证明了基于射频天线技术的便携式压力传感器是可行的。

5. 总结

目前不仅要求传感器的精确度和稳定性，还要具有重量轻，成本低、可便携等特点。为了达到便携式和重量轻的目的，优先考虑RFID技术，这样可以解决供能的问题。相对于传统天线而言，射频天线具有小型、便携的特点。而且该天线还能将薄膜压力传感器中的压力信号回传给阅读器Reader的天线。经过天线的仿真、等效参数计算、电路的设计和实现、电路的连接和示波器的测量，得到阅读器两端的电压和薄膜压力传感器上的作用力大小的关系，实现一款具有快速响应、高灵敏度、高机械可逆性、耐久性和稳定性等诸多优点的无线供能和无线通信压力传感器。

文章引用

刘胜男,马 欣. 一种基于无线供能和无线通信的压力传感器
A Pressure Sensor Based on Wireless Energy Supply and Wireless Communication[J]. 传感器技术与应用, 2021, 09(02): 63-73. https://doi.org/10.12677/JSTA.2021.92009

参考文献