1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
{title}文 献 综 述1.引言LC无源无线压力传感器因其无需电池供电，体积小等优势常用于密闭空间内的压力测量，常见的密闭参数测量有人体内部健康检测、食品药品质量检测、机械建筑内部结构检测等，传感器置入检测环境后将很难被再次取出，因此需要读出系统通过电感金昌耦合的形式实现信号的独取。
其测试系统常由矢量网络分析仪（VNA）[1]、阻抗分析仪等构成，常见的VNA等器件往往低级大功耗高且成本高，不便于携带且无法直接显示LC无源无线压力传感器的压力信息。
本文拟设计一个LC无源无线压力传感器测试系统。
该系统能够对LC无源无线压力传感器的特征频率进行检测，待测的特征频率范围应大于100MHz。
系统还需要在STM32的控制下将检测到的特征频率通过LCD液晶屏进行输出显示。
本文拟研究LC无源无线压力传感器的结构以及其等效电路，并在此基础上探究常用的谐振频率读出方法，并利用功率分配器[2][3]、定向耦合器、混频器等器件设计并制备低成本的矢量网络分析仪，通过对S参数的测量得到传感器的特征频率并通过LCD显示屏进行显示输出[4]。
随着物联网器件的快速发展，作为进场感应的无源谐振式传感器，LC无源无线压力传感器一直以来都是传感器领域研究的热点，早在19世纪60年代，学者们就尝试利用电感线圈以及薄壁玻璃制备无源无线传感器，用于眼内压里的测量。
后来随着MEMS技术的发展，化学刻蚀、光刻、金线键合等工艺的进步为传感器的微型化提供了基础，在此基础上一大批硅-硅键合工艺的压力传感器被制备出来。
近年来，学者们采用聚乙烯醇( P V A ) 、聚酯 ( P E T ) 、聚酰亚胺 ( P I )等柔性材料实现结构的多样化。
不拘泥于电子器件普遍的硅基刚性结构，柔性化带来的折叠性、柔韧性和延展性能够实现对生物组织的良好的力学匹配，为基于人体感官方面的设备研究提供了便利，如便携可穿戴式传感器、机器人电子仿生皮肤和VR动态神经感知等。
除此之外，柔性化设计的便携式传感器将取代许多传统的传感器设备，解放更多领域的可能性。
但是仅在传感器的材料和结构的做出改善无法从根本上满足如今互联网社会发展的需求，无源无线化已经成为优化传感器的主流研究方向之一[5][6][7]。
因此设计并制备一款便携、低成本的LC无源无线传感器测试系统具有很高的研究意义。
2.研究现状及发展趋势在探究传感器测试电路前，需要对LC无源无线压力传感器进行建模分析，近年来随着MEMS技术的发展，常见的LC无源无线压力传感器其本质上就是一个LC谐振回路，其自身无需供电，完全由无源器件（电容、电阻、电感）构成[8] [9]，常用的为压敏电容，平面电感以及本身所带的寄生电阻[10]。
当压力发生变化时，压敏电容随之变化，从而引起传感器整体的谐振频率的变化。
本文所设计的外部读出系统就是要非接触的提取这个谐振频率，从而计算出压敏电容的电容值，进而获得压力传感器当前的受压数据。
传感器与测试电路之间的信号耦合通过测试电路的电感线圈与传感器的平面螺旋电感之间的弱耦合实现。
本章将介绍目前主流的测试方案以及相关的参数。
2.1谐振频率的无线独取 目前利用电感近场耦合的方式读取谐振频率的计算方法主要分为时域分析法以及频域分析法[11]。
其区别主要在于信号测量，时域分析法又称为脉冲式检测方法，通常读出线圈会利用脉冲信号给LC谐振传感器一个激励，LC谐振传感器在此激励下受迫振动，通过测量其反馈回来的信号的频率即可得到LC谐振传感器的谐振频率，其原理是在读出线圈取消激励后，LC谐振传感器将以自身的谐振频率做阻尼震荡。
但是鉴于LC谐振传感器阻尼运动所产生的回波信号功率小、持续时间短，通过常用的器件很难对其进行精确的捕捉，因此实现起来难度大，其示意图如图2-1所示。
图2-1 时域测量原理图因此目前主流的测试方案大多采用频域测量法，利用大型商用阻抗分析仪[12] [13]或矢量网络分析仪测量传感器读出线圈的Z参数或S参数，得到其频谱特性后，判断分析得出谐振频率。
鉴于专业的分析仪价格高、不便携等缺点，无法满足无源无线压力传感器的测试要求，本文拟设计专用的便携式手持读出设备。
频域测量法又称为扫频法，通过分析读出电感两端的输入阻抗Zm的特性来得到LC谐振传感器的谐振频率信息。
其主要原理是相互耦合的电感线圈的等效变压器模型，LC谐振传感器通过互感耦合的方式等效为测试线圈的反射阻抗ZR，输入阻抗的频率特性曲线将在LC谐振传感器的谐振频率处取得峰值。
同样的读出线圈的S参数也在谐振频率处取得峰值，通过测量Z参数或S参数都能或者传感器的谐振频率。
其等效电路如图2-2所示。
图2-2 读出线圈等效阻抗图2.2常用测试电路 目前常用的测试电路主要有阻抗分析仪以及矢量网络分析仪，分别用来测量读出线圈的Z参数以及S参数。
现阶段绝大多数研究都偏向于传感器节点的性能优化，然而传感器的读出电路很大程度上制约了传感器的实际应用。
图2-3为常见复阻抗分析电路的基本架构，主要由处理器、扫频模块、检测电路以及输入输出单元构成。
图2-3 复阻抗分析电路架构3.系统构成及其参数本文逆设计一个基于VNA的无源无线压力传感器测试电路，通过VNA获得传感器的谐振频率，并将其对应为传感器的受力情况，并显示在LCD显示屏上。
矢量网络分析仪是一个复杂的测试系统，由测试信号源、功率分配器、定向耦合器、驻波比桥、测试接收机、检测器、处理器及显示等部分构成。
主要用来测试高频器件、电路及系统的性能参数，如线性参数、非线性参数、变频参数、混合S参数等 3.1阻抗匹配阻抗匹配作为传输线理论的核心理论，对传感器谐振频率的测量有极大的影响。
由于谐振频率约为110MHz左右，在电气连接时我们选择高频传输线，波长与高频电路中导体的长度相当或者更小，而可以认为功率是以行波方式传输的。
当传输线以其特性阻抗端接时，传送至负载的功率最大。
若端接负载与特性阻抗不相等，则未被负载吸收的那部分信号将被反射回信号源。
若传输线的端接负载等于其特性阻抗，则所传输的功率均被负载所吸收，不会产生任何反射信号。
可以通过定向耦合器将反射波与入射波分离，分别送入相应的接收机，进而测量并计算相关的S参数。
其匹配模型如图3-1所示。
虽然射频和微波信号的波长不同，但原理是相同的。
矢量网络分析仪可以精确地测量入射、反射和传输的能量，例如发射到传输线上的能量、由于阻抗失配而沿着传输线反射回 信号源的能量，以及成功传输到最终设备（例如天线）的能量[14]。
图3-1 阻抗匹配模型3.2常用参数 我们常通过VNA的三个通道采集并计算读出线圈的特性，在矢量网络分析仪的术语中，一般用参考通道 (R) 表示入射波的测量结果。
A通道负责测量反射波，B通道 负责测量传输波（图3-2）。
在知道了这些波的幅度和相位信息之后，便能定量描述被测器件 (DUT) 的反射特性和传输特性。
反射特性和传输特性可以用矢量（幅度和相位）、标量（只有幅度）或纯相位表示。
例如，回波损耗是反射的标量测量结果，而阻抗则是反射的矢量测量结果。
我们也可以使用比值测量法进行反射和传输测量，这样可以避免受到绝对功率以及源功率随频率变化产生的影响[15] [16]。
反射量的比值通常用 A/R 表示，而传输量的 比值为 B/R，它们与仪器中的测量通道有关[17]。
图3-2 常用参数关系图3.3 S参数的测量方案传统的检测方案通过峰值检波器测量复电压信号的幅度，并利用触发器以及计数器测量复电压的相位信息。
其原理为，在参考信号大于触发器门限时，时间窗打开。
当测量信号大于门限时，时间窗关闭，通过计算时间窗内计数器的工作次数，就可以得到参考信号与测量信号之间的相位差[18]。
目前随着混频器的发展，业界常用正交的数字本振对中频信号进行混频，将其降频为零频数字信号，分别得到复电压的实部与虚部，运算即可获得S参数。
4.结论随着MEMS技术的发展，微型LC谐振式传感器逐渐进入物联网市场，其小型化、自供电等特点在环境信息检测领域有着广泛的应用前景，设计一款便携、小型的低功耗测试系统对LC谐振式传感器的应用具有极高的价值。
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其引脚图如图2-6所示，电路配置图如图2-7所示。
图2-6 ILI9341芯片引脚图 图2-7 ILI9341电路链接图
