電子防盜標簽檢測電路的參數優(yōu)化

宋小鋒，楊成忠

(杭州電子科技大學自動化學院，浙江杭州310018)

0 引言

隨著市場經濟的繁榮，超市成了大家購物的首選去處，但是接踵而來的商品失竊率也成了擺在銷售商面前的難題，所以電子防盜系統(tǒng)(Electronic Article Surveillance，EAS)應運而生。而電子防盜標簽是EAS中很重要的一個組成部分，對于它的參數進行檢測，就成了保證商品安全性的一個重要環(huán)節(jié)［1］。目前，國內電子標簽的生產廠商對標簽的檢測，還是依靠工人的經驗來保證質量;也有一些廠家引入了EAS進行檢測，但是只能用來鑒別標簽的好壞，沒有對標簽的參數進行定量的檢測［2］。本文的分析是基于互感耦合原理的標簽檢測方法，對檢測電路的參數選取進行了詳細分析。

1 互感耦合原理

一對相耦合的電感，若流過其中一個電感的電流隨時間改變，則在另一個電感兩端會出現感應電壓，這就是電磁學中的互感現象［3］?；ジ旭詈系牡刃щ娐啡鐖D1所示。

電子防盜標簽其內部是由LC串聯(lián)回路構成的，圖1中L2、R2、C2構成的電路即為標簽的等效電路。電路圖1中L1和L2分別為發(fā)射線圈和電子標簽線圈的電感，之間的互感系數為M。R1和R2分別為線圈的內阻，信號源Us為檢測系統(tǒng)掃頻信號發(fā)生器，Rs為信號源內阻。由于發(fā)射線圈所產生的寄生電容，其值小于10－12數量級，而對于耦合電路來說，主要關心其頻率在106Hz數量級的性質，因此，可以忽略其對總回路阻抗的影響。

M為兩線圈間的互感系數(簡稱互感)，它表征兩線圈間互感耦合的強弱。互感M和對應的自感系數L1和L2在數量上有如下關系:

耦合系數k，定義為實際互感系數和互感的最大值之間的比，即:

K=1，稱為全耦合;k≈1稱為緊耦合;k在0～1范圍內時稱為松耦合;k=0時無耦合。耦合系數反映了兩線圈相互影響的程度，是互感元件的重要參數。將初級線圈用圖2所示的電路進行等效，Zref為次級線圈在初級線圈上的產生的阻抗，ZAB為從AB端向右看所計算的阻抗值。

AB端的電壓為［4］:

圖1 典型互感耦合等效電路

圖2 初級線圈等效電路

對式3兩端取模，求得AB兩端的電壓為:

2 檢測電路參數選取

由于無法直接獲得頻率響應曲線的最大值或者最小值和標簽諧振頻率值之間的函數關系式，將采用數值仿真分析的方式來確定檢測電路各參量的最優(yōu)取值范圍［5］。

取C2=120pF，L2=10.4μH，R2=0.8Ω;L1=5μH，R1=1Ω;US=1V，RS=51Ω，k=0.1，互感系數M由式2求得。對A點電壓幅值在4.3MHz～4.7MHz的范圍內進行仿真［6］，結果如圖3所示。圖3中點劃線代表耦合系數k=0時電路A點的電壓幅值頻響曲線。

2.1 激勵信號源參數Us、RS的取值范圍

提高Us電壓幅值，可以降低噪聲對測量精度的影響，但不影響A點電壓幅頻響應曲線振蕩的顯著程度。因此選擇Us輸出為±1V。為了方便下文分析計算，設定Us=1V。假設UAMAX=F1(Rs)，UAMIN=F2(Rs)，則建立信號源內阻RS和A點電壓振蕩幅度的函數關系為:

將Rs的取值范圍定為0～100Ω，采用MATLAB進行仿真，結果如圖4所示。內阻Rs和A點電壓振蕩幅值在分析范圍內呈現單調遞增的特性。以振蕩幅度激勵信號電壓值的20%為參考界限，因此將Rs的選值確定在30～70Ω的范圍，工程中一般使用50Ω。

2.2 確定L1和R1的取值范圍

由式5可以建立如下函數關系式:

圖3 檢測電路等效電路圖仿真結果

圖4 RS影響UA的仿真圖

參考實際線圈的電感值，將L1的取值范圍限定在10－8～10－4H，線圈內阻則限定在10－1～102Ω，對表達式6采用MATLAB進行仿真，仿真結果如圖5所示。

電壓差值越大，對應的R1和L1值越理想。以振蕩幅度為激勵信號電壓值的20%為參考界限，從圖5中可以看出，電阻的阻值10～20Ω時，對應的電壓幅值振蕩幅度較為理想，而電容值則體現為單調特性，值越小越好，但考慮到電容值太小，電磁場的發(fā)射能力就會減弱，因此將電容值選定在10－6數量級。

2.3 k值分析

兩個線圈平面平行的、在x軸上同芯的線圈回路的耦合系數為:

式中，r1標簽內線圈半徑，r2為檢測線圈的半徑，x表示兩個線圈回路之間的距離，單位為m。取r1=0.045m，r2=0.1m，x取值范圍為0～0.2m，可以確定k的取值范圍約為0.03～0.3，在此范圍內，對A點電壓振蕩幅值進行仿真，仿真結果如圖6所示。

圖5 L1、R1影響UA的仿真圖

圖6 k影響UA的仿真圖

從圖6中可以看出，值較小的部分，對應的A點電壓振蕩幅度較小，不利于檢測。以振蕩幅度為激勵信號電壓值的20%為參考界限，k值的取值范圍縮小為0.05～0.3，當x=10cm時，k≈0.1067，取k=0.1作為仿真的默認值。

2.4 結論

通過上述仿真分析，以獲得A點電壓幅值振蕩幅度的最大值為目標，檢測電路中檢測線圈的電感值L1和線圈內阻R1、激勵信號源的電壓值US和內阻RS、耦合系數K的取值范圍均已初步確定。整理如表1所示。

表1 參數取值范圍

3 結束語

對電磁耦合檢測裝置的各個器件參數進行了分析，最終確定了其取值范圍。在電路設計的時候，可以用來對器件的選取作為參考。在實際應用中，要根據實際需要，調整器件參數，使其誤差最小，電路達到最優(yōu)。

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