无线无源磁电声表面波传感器的测试技术研究

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磁传感器广泛应用于工业生产、生物医疗、国防军事等领域。新兴的磁电声表面波(MSAW)传感器不仅具有微型化、灵敏度高等优点,而且天生继承了声表面波传感器的优势,具有无源、无线读取、测量范围广、维护方便等特点,是目前唯一的无源无线磁场传感技术。因此,研究磁电声表面波传感器及其无线测试技术具有重要的意义。本论文的主要工作如下:首先,通过在SAW谐振器上依次沉积了 SiO2绝缘层、[FeCoSiB/SiO2]n磁致伸缩多层膜,制作了一种单端口谐振型磁电声表面波传感器。为了探究磁各向异性对磁声响应的影响,采用不同方向的诱导磁场制作了三类MSAW传感器,获得了“蝴蝶型”和“迴线型”fR-H曲线,讨论了诱导各向异性、形状各向异性和垂直各向异性的相互竞争关系及对磁传感特性的影响。其次,设计了一种与MSAW传感器相匹配的无线问询系统。该系统发射端采用DDS驱动锁相环倍频技术,倍频信号由末端功率放大器进行放大,输出窄带脉冲信号。接收端采用下变频解调结构,包括低噪声放大器(LNA)、混频器、锁相环本振电路和ADC采样电路。ADC采样数据由基于FPGA设计的FFT算法模块进行处理,提取差频信号的频率值。通过ADS和Multisim软件对收发电路的各个模块进行了设计与功能仿真。基于FPGA设计了 SPI串行接口和射频开关控制模块,并围绕FFT IP设计了信号处理模块。通过Verilog HDL语言搭建了仿真环境,验证了 FPGA各个模块的功能。最后,对系统各个硬件模块进行调试,搭建完整的无线测试系统。通过调试,发射端功率放大器可实现14 dB的增益,最大输出15 dBm激励信号,并测试了不同距离下信号的功率衰减。无线系统采用的射频开关在工作频带内隔离度可以达到-40 dB。所设计的接收端LNA可以为回波信号提供15 dB的增益;本振电路能够稳定输出无杂波的驱动信号。混频器联合低通滤波器较好的实现了下变频功能。通过对声表面波谐振器的测试,验证了该无线问询系统的功能完整性。
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