基于NFC的无源无线旋转式减阻率测量_王文廉.pdf

第 36 卷 第 2 期2023 年 2 月传 感 技 术 学 报CHINESE JOUNAL OF SENSOS AND ACTUATOSVol.36No.2Feb 2023项目来源:山西省自然科学基金面上项目(201801D121162)收稿日期:20220302修改日期:20220530Passive Wireless otary Drag eduction ate Measurement Based on NFC*WANG Wenlian1，2，ZHAO Yongfeng1，2，WANG Yu1*(1 Key Laboratory of Instrumentation Science Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan Shanxi 030051，China;2National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan Shanxi 030051，China)Abstract:NFC is suitable for stable data acquisition and wireless interaction in the rotating state，and its passive feature makes the de-sign of the acquisition terminal more compact and flexible，which can avoid the line binding of the measurement system in the rotatingprocess and the serious errors caused by off-axis data A passive wireless measurement system based on NFC(ISO15693 protocol)is de-signed to measure the drag reduction rate of a special spray material by using rotating method The control group is set and repeated formany times during the measurement process，and the relationship between the drag reduction rate and the thickness of the drag reductioncoating is obtained under the condition of constant speed，and the relationship between the drag reduction rate and the speed is obtainedunder the condition of constant thickness of the drag reduction coating Through the analysis of the experimental data，it is shown thatthe system can accurately measure the drag reduction rate of the drag reduction material in the rotating stateKey words:NFC;Passive wireless;control group;torqueEEACC:7230doi:103969/jissn10041699202302003基于 NFC 的无源无线旋转式减阻率测量*王文廉1，2，赵永峰1，2，王玉1*(1中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051;2中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051)摘要:NFC 适用于旋转状态下稳定的数据采集与无线交互，且其无源的特点使得采集端的设计更为小巧灵活，可避免旋转过程中测量系统的线路束缚和因偏轴对数据造成的严重误差。据此设计了一种基于 NFC(ISO15693 协议)的无源无线测量系统，采用旋转法对一种特制喷涂减阻材料的减阻率进行测量。测量过程中设置对照组并重复多次实验，分别得到恒定转速条件下减阻率随减阻涂层厚度的变化关系、恒定减阻涂层厚度条件下减阻率随转速的变化关系。通过对实验数据分析，表明本系统能够准确测量旋转状态下减阻材料的减阻率。关键词:NFC;无源无线;对照组;减阻率中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:10041699(2023)02018206减阻材料在航海、航空、车辆制造等学科和领域有广泛且重要应用，因此准确测量减阻材料的减阻率十分重要12。减阻率的测量方法有很多，其中旋转法实验简单且测量准确3。旋转法的原理是通过测量稳定转速条件下的转矩大小来间接完成对减阻率的测量45。目前，测量转矩从通信方式上大致分为有线和无线测量6。由于是旋转状态下，使用无线测量的方式更灵活;目前常用的无线测量方式有些可以达到高集成和微型化，但均采用有源供能7。由于旋转法是将采集端同轴嵌套在弹性圆柱上，有源类型中合适的电池体积会使高转速下的弹性圆柱发生偏轴而严重抖动。无源无线的测量方式更适合旋转环境下的测量8。近场通信(Near Field Communication，NFC)技术作为一种新兴的无源无线技术，受环境影响小、建立时间短、通信稳定、可靠性高9。设计基于 NFC的无源无线减阻率测量系统，可使测量系统实现微型化和低功耗，解决旋转环境下测量系统的线路束缚以及因采集端体积过大导致的偏轴问题1011。1系统设计11系统工作原理基于 NFC 的无源无线减阻率测量系统的组成如图 1 所示。一共分为三个部分，包括 PC 端、数据第 2 期王文廉，赵永峰等:基于 NFC 的无源无线旋转式减阻率测量采集端、读写控制端。读写控制端通过天线激发出周围感应磁场，形成射频区域;采集端处于射频区域并通过天线电磁耦合，产生能量激活自身，两者迅速建立连接。读写控制端通过空中编程的方式开启采集端片上 14 位 ADC(SD14)，以及用于存储数据的FAM。当转台以恒定转速带动喷涂了减阻材料的弹性圆柱旋转时，容器内的流体作为弹性轴的负载，在转动稳定之后会施加一个与弹性圆柱转动方向时刻相切的阻力，该阻力大小与弹性圆柱受到的转矩大小近似相等;采集端通过全桥应变电路实时采集因弹性轴受扭产生的电位差，并储存在 FAM 中;读写控制端通过指令访问采集端 FAM 中的数据，完成对数据的转化和处理，并将数据发送给 PC 端上位机，进行数据转化及实时显示。图 1NFC 无源无线减阻率测量系统示意图图 2采集端系统框图12采集端系统设计采集端系统主要包括采集端电路及天线。图 2是采集端系统框图，NFC 芯片(F430FL152H)、C 低通滤波器和仪表放大器(INA333)构成基本的小信号滤波放大和转化模块，实时处理桥路输出的模拟小信号量;完成谐振匹配的天线实现能量的无线供应和数据的无线传输。其中仪表放大器的两个输入端均连接相同标称值的 C 低通滤波器，并与一个差动电容构成 FI 滤波器，滤除射频干扰。13采集端天线设计根据实际测量环境预设一块螺形环状天线，直径为 5 cm、匝数为5 圈、线宽为05 mm、线距为05 mm，基板是外径为 5 cm、内径为 2 cm 的 ABS 材质圆柱。为了便于天线的谐振匹配，其等效电感值应该在05 H30 H 之间。在 HFSS 软件中建模并仿真，得到预设天线的阻抗值为:Z=(1103 6+j196300 8)，计算其等效电感值为2304 H，符合设计要求。据此尺寸利用带绝缘皮的铜线绕制一个实际天线，并使用SolidWorks 为天线 3D 支撑结构建模。通过矢量网络分析仪实测天线的等效电感值和寄生电容值。如图 3 所示，失量网各分析仪显示界面中光标 1 对应在 NFC 的工作频率 1356 MHz，此时天线的实际等效电感值 Lreal=256 H，符合设计要求;光标 2 处对应天线的自谐振频率为 33619 8 MHz，计算出天线的实际寄生电容 Ccoil=875 pF。图 3矢量网络分析仪实测采集端天线的阻抗图查阅芯片手册可知 F430FL152H 芯片的输入电容 Cchip=35 pF，谐振总电容 C 可表示为:C=1(21356)2Lreal(1)C=Ccoil+Cchip+CPara(2)图 4采集端系统实物图由式(1)、式(2)计算出需要匹配的谐振电容Cpara=1006 pF，使用 8 pF 和 2 pF 的精密电容并联来构建谐振匹配网络。图 4 为采集端系统实物图。381传感技术学报chinatransducersseueducn第 36 卷14读写控制端系统设计读写控制端系统框图如图 5 所示，主控 MCU(MSP430F2370)一边通过接口芯片(CP2102)与 PC交互数据，一边与 NFC 芯片(TF7962A)通过并口通信交互数据;NFC 芯片作为射频源，通过阻抗匹配网络匹配到50 的阻抗，天线同样通过阻抗匹配网络匹配到 50 的阻抗，使用标准 50 阻抗馈线将两者连接起来组成读写控制端;电源管理模块其实包含在 TF7962A 芯片中，该芯片的 VDD_X 引脚可编程输出 27 V34 V 电压和高达 20 mA 的电流，可以为读写控制端系统的外围电路供电。图 5读写控制端系统框图图 6矢量网络分析仪实测读写控制端天线的阻抗图15读写控制端天线设计与设计采集端天线类似，根据实际测量环境预设一块螺形环状天线，直径 7 cm、匝数 4 圈、线宽1 mm、紧密排布。基板是外径为 7 cm、内径为 6 cm的 ABS 材质圆盘。为了便于天线的阻抗匹配，其等效电感值同采集端天线一样应该在 05 H30 H之间。在 HFSS 软件中进行建模并仿真，得到预设天线的阻抗值:Z=(1972 5+j218112 0)，计算其等效电感值为 256 H，符合设计要求。据此尺寸利 用 漆 包 铜 线 绕 制 一 个 实 际 天 线，并 使 用SolidWorks 为天线 3D 支撑结构建模。通过矢量网络分析仪测量实际天线的等效电感值和寄生电容值。如图 6 所示，在光标1 处观察天线的实际等效电感值 Lreal=275 H，在光标2 处计算天线的寄生电容 Ccoil=952 pF。读写控制端天线采用三元素阻抗匹配法，可以设定带宽和 Q 值。支持 ISO15693 协议的 NFC 工作带宽为 0914 MHz，所以天线带宽至少在 1 MHz 或以上，在带宽满足标准的前提下尽量提高 Q 值，Q值越高，表示损耗越小，天线的辐射效率越高。根据式(1)求得天线谐振在工作频率 1356 MHz 时，需要的总电容 C=5009 pF。带宽、总电容及需要并联的电阻可用关系式表示为:B=12paraC(3)预设带宽 B=1 MHz，根据式(3)求得需要并联的电阻 para=31242 k，选择 para=30 k，借助Smith 圆图工具进行阻抗匹配网络设计。通过计算可知，完成阻抗匹配后的读写控制端天线的带宽为106 MHz，Q 值约为 13。使用矢量网络分析仪对完成阻抗匹配之后的读写控制端天线进行一些重要参数测量。图 7 为读写控制端天线的 Smith 圆图、图 8为回波损耗(S(1，1)图;图 9 为采集端、读写控制端两天线组成二端口网络的插入损耗(S(2，1)图。图 7Smith 圆图图 8回波损耗 S(1，1)图由图 7、图 8 可知读写控制端天线的阻抗值和回波损耗值在 1356 MHz 时分别为 50 40 和418