一種EAS電子標籤質量參數檢測儀及其檢測方法與流程
2023-06-04 06:36:06
技術領域：
本發明屬於商品防盜系統技術領域，具體是涉及一種eas電子標籤質量參數-諧振頻率f和品質因素q值檢測儀，涉及一種敏感探頭結構和諧振頻率f、品質因素q值的檢測方法。
背景技術：
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電子商品防盜系統簡稱eas，又稱電子商品防竊(盜)系統，是目前大型零售行業廣泛採用的商品安全措施之一。eas主要由檢測器、解碼器和電子標籤三部分組成。電子標籤分為軟標籤和硬標籤，軟標籤成本較低，直接粘附在較「硬」的商品上，軟標籤不可重複使用；硬標籤一次性成本較軟標籤高，但可以重複使用。
電子標籤的諧振頻率f和品質因素q是其關鍵質量參數。查閱現有文獻，iso/iec18046-3-2007給出了eas系統的標籤以及防盜檢測系統的基本規範要求。依據上述規範，目前電子標籤的傳感探頭一般分為單線圈、雙線圈兩種結構模型。趙萬年、宋小鋒研究表面單線圈探頭檢測方法可以檢測電子標籤的諧振頻率，但無法對其q值和其它參數進行分析和計算。楊成忠、朱亞萍等人利用互感耦合原理建立了雙線圈探頭檢測模型，通過此模型可以檢測標籤的諧振頻率、q值和有效容積等參數，而此方法也存在一些不足：1)發射線圈和電子標籤耦合係數值增大，測試的中心頻率發生很大的偏移；2)發射線圈和接收線圈耦合係數值逐漸增大，系統偏差減小，但整體波形的帶寬發生了變化，即影響到標籤q值。為克服上述問題，公開號為cn102735943b的發明專利無源電子標籤f及q值檢測傳感器提供一種消除上述發射與接收線圈間，標籤與發射和接收線圈間互相干擾問題。但是此專利傳感器結構複雜，包括兩個發射線圈和一個接收線圈，其發射線圈又由主發射線圈和輔發射線圈組成，接收線圈也由主發射線圈和輔發射線圈組成，其實質需要6個線圈組成一個傳感器，線圈數多，製造成本高；另外，此傳感器對發射、接收線圈的一致性要求高，製作工藝要求高；再則，此傳感器結構沒法消除地磁場的影響。申請號為201610878253.8的實用新型專利對上述專利進行改進，提出了一種四線圈探頭結構，並給出了傳感器檢測模型，此專利的不足在於使用的線圈數還是較多，通過二階積分電路進行前期信號處理，且此專利沒有涉及後續信號處理的電路設計。另外，現有電子標籤質量參數檢測都是通過掃頻方法，獲取標籤幅頻特性曲線，進而得到諧振頻率f和品質因素q值，這種方法掃描時間長；在硬標籤生產過程中，此方法提供的反饋信號無法滿足快速定位磁棒插入深度，影響生產效率。
技術實現要素：
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本發明的目的是針對現有技術之不足，而提出一種eas電子標籤質量參數檢測儀及其檢測方法，並涉及檢測儀配套的傳感器敏感探頭結構。本檢測儀結構簡單，測試速度快，運行穩定，能夠準確測定eas電子標籤質量參數。
為達到上述目的，本發明的技術方案如下：
一種eas電子標籤質量參數檢測儀，包括敏感探頭、信號處理模塊、控制單元、人機互動接口、電源模塊；
所述敏感探頭包括發射線圈、左接收線圈、右接收線圈，所述發射線圈、所述左接收線圈、所述右接收線圈的中心位於同一軸線上，所述發射線圈位於所述左接收線圈和所述右接收線圈的中間，所述左接收線圈和所述右接收線圈的結構相同，所述左接收線圈和所述右接收線圈通過導線串聯連接，當所述左接收線圈和所述右接收線圈有電流時，電流在所述左接收線圈和所述右接收線圈內的流轉旋向相反；
所述信號處理模塊包括激勵信號源單元、差分單元、真有效值檢測單元、a/d轉換單元，所述激勵信號源單元的輸出端與所述發射線圈相連，所述差分單元的兩個輸入端分別與所述左接收線圈、所述右接收線圈相連，所述真有效值檢測單元的輸入端與所述差分單元的輸出端相連，所述a/d轉換單元的輸入端與所述真有效值的輸出端相連，所述a/d轉換單元的輸出端與所述控制單元相連；
所述人機互動接口、所述電源模塊分別與所述控制單元相連。
作為上述技術方案的優選，所述發射線圈的直徑是所述左接收線圈直徑的1.5～2.5倍，所述左接收線圈的直徑是電子硬標籤直徑的1.2～1.5倍，所述發射線圈與所述左接收線圈、所述右接收線圈之間的間距為所述左接收線圈直徑的1.3～1.8倍。
作為上述技術方案的優選，所述發射線圈、所述左接收線圈、所述右接收線圈均採用矩形平面螺旋線圈，所述發射線圈內圈的長寬是所述左接收線圈內圈的長寬的1.5～2.5倍，所述左接收線圈內圈的長寬是電子軟標籤長寬的1.2～1.5倍，所述發射線圈與所述左接收線圈、所述右接收線圈之間的間距為所述發射線圈內圈寬度的1.3～1.8倍。
作為上述技術方案的優選，所述人機互動接口採用觸控螢幕。
作為上述技術方案的優選，所述電源模塊採用dc-dc模塊。
一種eas電子標籤的諧振頻率f的檢測方法，包括如下步驟：
s1：確定電子標籤諧振頻率f的測試範圍[fa，fb]；
s2：確定激勵信號源的最小解析度ε，賦值f0＝fa，f2＝fb；
s3：計算△f＝(f2-f0)/4；
s4：控制單元發送命令，使激勵信號源單元依次產生幅值相等，頻率為f0、f0+△f、f0+2△f、f0+3△f、f2的正弦波激勵信號；
s5：控制單元依次獲取經過信號處理模塊處理的左接收線圈、右接收線圈感應差分信號對應的數字量響應信號u0(f0)、u0(f0+△f)、u0(f0+2△f)、u0(f0+3△f)、u0(f2)，對u0(f0)、u0(f0+△f)、u0(f0+2△f)、u0(f0+3△f)、u0(f2)分別按1、(f0/(f0+△f))2、(f0/(f0+2△f))2、(f0/(f0+3△f))2、(f0/f2)2倍進行修正，修正後這5個值中最大值對應的頻率記為fmax。
s6：若△f≤ε，fmax即為作為電子標籤的諧振頻率f值，程序結束，否則進入步驟s7；
s7：設定f0＝fmax-△f，f2＝fmax+△f，並返回步驟s3。
一種eas電子標籤的品質因素q值的檢測方法，包括如下步驟：
t1：獲取fd值；
t2：獲取fu值；
t3：根據所述fd值和所述fu值以及諧振頻率f值，計算獲取品質因素q值，q＝f/(fu-fd)。
所述步驟t1具體包括如下步驟：
t11：激勵信號源頻率為f值時，經過信號處理模塊處理的左接收線圈、右接收線圈感應差分信號對應的數字量響應信號記為u0(f)，fd尋找範圍[fa，f]；
t12：賦值f0＝f，f1＝fa；
t13：計算△f＝(f0-f1)/2；
t14：控制單元發送命令，使激勵信號源單元產生頻率為f1+△f正弦波激勵信號；
t15：控制單元獲取經過信號處理模塊處理的左接收線圈、右接收線圈感應差分信號對應的數字量響應信號u0(f1+△f)，對u0(f1+△f)按(f/(f1+△f))2倍進行修正後記為ux，修正後的值與0.707u0(f)比較；
t16：若ux>0.707u0(f)，進入步驟t17，否則進入步驟t18；
t17：賦值f0＝f0-△f，進入步驟t19；
t18：賦值f1＝f1+△f；
t19：若△f≤ε，f1即作為fd值，程序結束，否則返回步驟t13。
所述步驟t2具體包括如下步驟：
t21：激勵信號源頻率為f值時，經過信號處理模塊處理的左接收線圈、右接收線圈感應差分信號對應的數字量響應信號記為u0(f)，fu尋找範圍[f，fb]；
t22：賦值f0＝f，f2＝fb；
t23：計算△f＝(f2-f0)/2；
t24：控制單元發送命令，使激勵信號源單元產生頻率為f2-△f正弦波激勵信號；
t25：控制單元獲取經過信號處理模塊處理的左接收線圈、右接收線圈感應差分信號對應的數字量響應信號u0(f2-△f)，對u0(f2-△f)別按(f/(f2-△f))2倍進行修正後記為ux，修正後的值與0.707u0(f)比較；
t26：若ux>0.707u0(f)，進入步驟t27，否則進入步驟t28；
t27：賦值f0＝f0+△f，進入步驟t29；
t28：賦值f2＝f2-△f；
t29：若△f≤ε，f2即作為fu值，程序結束，否則返回步驟t23。
本發明的有益效果在於：本檢測儀的敏感探頭結構簡單，電子標籤質量參數檢測模型簡單，通過一種基於二分法的跳頻方法快速、準確地測定電子標籤質量參數——諧振頻率f和品質因素q值，滿足現有電子標籤生產過程在線快速監測，提供反饋控制信號的需求。
附圖說明：
以下附圖僅旨在於對本發明做示意性說明和解釋，並不限定本發明的範圍。其中：
圖1為本發明一個實施例的一種eas電子標籤質量參數檢測儀結構組成框圖；
圖2為本發明一個實施例的針對硬標籤檢測的一種優選的敏感探頭結構示意圖；
圖3為本發明一個實施例的針對軟標籤檢測的一種優選的敏感探頭結構示意圖；
圖4為本發明一個實施例的電子標籤電路原理圖；
圖5為本發明一個實施例的敏感探頭工作時對應的電路模型圖；
圖6為本發明一個實施例的一種激勵信號源單元電路原理圖；
圖7為本發明一個實施例的一種差分單元電路原理圖；
圖8為本發明一個實施例的一種真有效值檢測單元電路原理圖。
圖中符號說明：
1-右接收線圈、2-左接收線圈、3-發射線圈、4-硬標籤，5-軟標籤。
具體實施方式：
如圖1所示，本發明的一種eas電子標籤質量參數檢測儀，包括敏感探頭、信號處理模塊、控制單元、人機互動接口、電源模塊。
所述敏感探頭包括發射線圈、左接收線圈、右接收線圈，所述發射線圈、所述左接收線圈、所述右接收線圈的中心位於同一軸線上，所述發射線圈位於所述左接收線圈和所述右接收線圈的中間，所述左接收線圈和所述右接收線圈的結構相同，所述左接收線圈和所述右接收線圈通過導線串聯連接，當所述左接收線圈和所述右接收線圈有電流時，電流在所述左接收線圈和所述右接收線圈內的流轉旋向相反。
圖2為針對硬標籤4檢測的一種優選的敏感探頭結構，為保證敏感探頭正常獲取硬標籤4質量參數信號，當檢測硬標籤4時，所述發射線圈3的直徑是所述左接收線圈2直徑的1.5～2.5倍較為合適，所述左接收線圈2的直徑是硬標籤4直徑的1.2～1.5倍較為合適，所述發射線圈3與所述左接收線圈2、所述右接收線圈1之間的間距為所述左接收線圈2直徑的1.3～1.8倍較為合適。
圖3為針對軟標籤5檢測的一種優選的敏感探頭結構，所述發射線圈3、所述左接收線圈2、所述右接收線圈1均採用矩形平面螺旋線圈，螺旋線圈可採用pcb技術製作而成，所述發射線圈3內圈的長寬是所述左接收線圈2內圈的長寬的1.5～2.5倍，所述左接收線圈2內圈的長寬是軟標籤5長寬的1.2～1.5倍，所述發射線圈3與所述左接收線圈2、所述右接收線圈1之間的間距為所述發射線圈3內圈寬度的1.3～1.8倍較為合適。
敏感探頭工作原理，以圖2實施例進行說明。首先，硬標籤4未進入探頭檢測區域時，發射線圈3施加交流信號激勵，在發射線圈3附近較大範圍內產生磁場，由於左接收線圈2、右接收線圈1旋向相反，所以左接收線圈2、右接收線圈1形成的閉合區域內磁通量為零，無感應電動勢產生。
其次，當被測硬標籤4置於右接收線圈1(以被測硬標籤4置於右接收線圈1為例說明)附近的中心區域，硬標籤4受發射線圈3磁場的影響，產生感應電動勢，在硬標籤4內形成感應電流，此感應電流也會產生磁場。左接收線圈2、右接收線圈1感應硬標籤4產生的磁場，形成感應電動勢；其中，右接收線圈1位於硬標籤4附近，受硬標籤4產生的磁場的影響明顯，而左接收線圈2遠離電子標籤4，可認為不受硬標籤4感應磁場的影響。所以，發射線圈3施加不同頻率的交流信號激勵時，左接收線圈2、右接收線圈1的感應電動勢之和包含了硬標籤4的質量信息。
如圖4-5所示，從電路的角度進一步說明敏感探頭獲取電子標籤幅頻特性信息的工作原理。
無源電子標籤是由一個線圈和一個電容串聯而成，部分硬標籤為了提高品質因素q值，會在線圈中插入磁棒。電子標籤電路原理圖如圖4所示。其中，r為線圈內阻，l為電子標籤線圈電感值，c為電子標籤的電容值，此rlc串聯電路的諧振角頻率fx：
分析敏感探頭工作狀態的等效電路模型時，採用互感耦合原理，將線圈感應電壓等效為電流控制的電壓源。由上述敏感探頭工作原理，探頭工作時對應的電路模型如圖5所示。以被測標籤置於右接收線圈端為例，圖5中的m、m1分別為電子標籤與發射線圈、右接收射線圈的互感係數，l1、l2、l3分別是發射線圈、左接收線圈、右接收線圈的等效電感，圖5中發射線圈和標籤部分電路的向量關係如下：
由式(2-3)可得接收線圈輸出信號：
對式(4)兩邊取模，並將標籤歸一化幅頻特性曲線公式(5)，可得公式(6)。
歸一化幅頻特性曲線公式：
上述式(2-6)中，z，z1為標籤、發射線圈的阻抗，θ為電流與標籤導納(1/z)之間的的向量角。由式(6)可知，對傳感器和某一被檢測硬標籤來說，參數m、m1、r都是確定值，對於給定的激勵源時，電流的模，及其與1/z的向量角也是確定的。因此，由可以得到硬標籤t(jw)的信息。
所述信號處理模塊包括激勵信號源單元、差分單元、真有效值檢測單元、a/d轉換單元。圖6-8是本發明信號處理模塊部分單元的一種優選實施例電路原理圖。
所述激勵信號源單元的輸出端與所述發射線圈相連。本實施例中，激勵信號源單元採用dds(directdigitalfrequencysynthesis)電路。圖6中採用了ad9833晶片，它是可編程波形發生器,能夠產生正弦波、三角波、方波輸出。ad9833無需外接元件，輸出頻率和相位都可通過軟體編程，易於調節，頻率寄存器是28位的，主頻時鐘為25mhz時，精度為0.1hz。ad9833有3根串行接口線，易於與dsp和各種主流微控制器兼容。圖6中的信號sma、gnd端分別與發射線圈兩端相連。
所述差分單元的兩個輸入端分別與所述左接收線圈、所述右接收線圈相連。本實施例中，差分單元可以用差分運放實現。圖7中差分單元可採用了ad8129差分放大器，ad8129為差分至單端放大器，在高頻時具有極高的共模抑制比(cmrr)。它可以有效地用作高速儀表放大器，或用於將差分信號轉換為單端信號。圖7中的信號smb、smc端分貝與左接收線圈、左接收線圈未相連端連接。若左接收線圈、右接收線圈兩端感應電動勢過小，差分單元宜採用了ad8130差分放大器，它自帶增益放大功能。
所述真有效值檢測單元的輸入端與所述差分單元的輸出端相連，所述真有效值檢測單元的功能是將交流信號轉化為有效值電壓作為輸出。真有效值檢測單元的功能是獲取交流信號有效值的直流信號，圖8真有效值檢測單元採用了ad637晶片，ad637可計算任何複雜交流(或交流加直流)輸入波形的真均方根值、均方值或絕對值，並提供等效直流輸出電壓。圖7中的smd輸出端與圖8中的sme端連接。
所述a/d轉換單元的輸入端與所述真有效值的輸出端相連，所述a/d轉換單元的輸出端與所述控制單元相連。
所述人機互動接口、所述電源模塊分別與所述控制單元相連。本實施例中，所述人機互動接口採用觸控螢幕，作為人機互動界面。
所述電源模塊採用dc-dc模塊，為其它模塊、單元提供合適的工作電壓和能量。
所述控制單元用於接收a/d轉換單元的數字量值，控制激勵信號源單元產生不同頻率的信號激勵，與人機互動接口進行數據交換。
上述的a/d轉換單元、控制單元、指觸控螢幕、電源模塊在電子工程師行業是常識，在此不在具體說明實施例。
一種eas電子標籤的諧振頻率f的檢測方法，包括如下步驟：
s1：確定電子標籤諧振頻率f的測試範圍[fa，fb]；
s2：確定激勵信號源的最小解析度ε，賦值f0＝fa，f2＝fb；
s3：計算△f＝(f2-f0)/4；
s4：控制單元發送命令，使激勵信號源單元依次產生幅值相等，頻率為f0、f0+△f、f0+2△f、f0+3△f、f2的正弦波激勵信號；
s5：控制單元依次獲取經過信號處理模塊處理的左接收線圈、右接收線圈感應差分信號對應的數字量響應信號u0(f0)、u0(f0+△f)、u0(f0+2△f)、u0(f0+3△f)、u0(f2)，對u0(f0)、u0(f0+△f)、u0(f0+2△f)、u0(f0+3△f)、u0(f2)分別按1、(f0/(f0+△f))2、(f0/(f0+2△f))2、(f0/(f0+3△f))2、(f0/f2)2倍進行修正，修正後這5個值中最大值對應的頻率記為fmax。
s6：若△f≤ε，fmax即為作為電子標籤的諧振頻率f值，程序結束，否則進入步驟s7；
s7：設定f0＝fmax-△f，f2＝fmax+△f，並返回步驟s3。
其中，頻率範圍[fa，fb]，可由電子標籤的工作範圍確定，如58khz的聲磁標籤合格的工作範圍一般為(57.8～58.2)khz；ε可由信號激勵單元確定，如上述ad9833晶片，主頻時鐘為25mhz時，精度為0.1hz，既最小頻率解析度ε為0.1hz。
一種eas電子標籤的品質因素q值的檢測方法，所述檢測方法是指一種基於二分法尋找真有效值檢測單元輸出最大值umax、0.707umax時對應頻率的跳頻方法。q值檢測方法是通過獲取t(jw)為0.707時，對應的上下頻率點fu和fd，按公式(8)計算得到。包括如下步驟：
t1：獲取fd值；
t2：獲取fu值；
t3：根據所述fd值和所述fu值以及諧振頻率f值，計算獲取品質因素q值：
q＝f/(fu-fd)(8)
所述步驟t1，即尋找fd值的方法具體包括如下步驟：
t11：激勵信號源頻率為f值時，經過信號處理模塊處理的左接收線圈、右接收線圈感應差分信號對應的數字量響應信號記為u0(f)，fd尋找範圍[fa，f]；
t12：賦值f0＝f，f1＝fa；
t13：計算△f＝(f0-f1)/2；
t14：控制單元發送命令，使激勵信號源單元產生頻率為f1+△f正弦波激勵信號；
t15：控制單元獲取經過信號處理模塊處理的左接收線圈、右接收線圈感應差分信號對應的數字量響應信號u0(f1+△f)，對u0(f1+△f)按(f/(f1+△f))2倍進行修正後記為ux，修正後的值與0.707u0(f)比較；
t16：若ux>0.707u0(f)，進入步驟t17，否則進入步驟t18；
t17：賦值f0＝f0-△f，進入步驟t19；
t18：賦值f1＝f1+△f；
t19：若△f≤ε，f1即作為fd值，程序結束，否則返回步驟t13。
所述步驟t2，即尋找fu值的方法具體包括如下步驟：
t21：激勵信號源頻率為f值時，經過信號處理模塊處理的左接收線圈、右接收線圈感應差分信號對應的數字量響應信號記為u0(f)，fu尋找範圍[f，fb]；
t22：賦值f0＝f，f2＝fb；
t23：計算△f＝(f2-f0)/2；
t24：控制單元發送命令，使激勵信號源單元產生頻率為f2-△f正弦波激勵信號；
t25：控制單元獲取經過信號處理模塊處理的左接收線圈、右接收線圈感應差分信號對應的數字量響應信號u0(f2-△f)，對u0(f2-△f)別按(f/(f2-△f))2倍進行修正後記為ux，修正後的值與0.707u0(f)比較；
t26：若ux>0.707u0(f)，進入步驟t27，否則進入步驟t28；
t27：賦值f0＝f0+△f，進入步驟t29；
t28：賦值f2＝f2-△f；
t29：若△f≤ε，f2即作為fu值，程序結束，否則返回步驟t23。
本實施例所述的一種eas電子標籤質量參數檢測儀及其檢測方法，包括：敏感探頭、信號處理模塊、控制單元、人機互動接口、電源模塊，所述敏感探頭包括發射線圈、左接收線圈、右接收線圈，所述信號處理模塊包括激勵信號源單元、差分單元、真有效值檢測單元、a/d轉換單元。本檢測儀的敏感探頭結構簡單，電子標籤質量參數檢測模型簡單，通過一種基於二分法的跳頻方法快速、準確地測定電子標籤質量參數——諧振頻率f和品質因素q值，滿足現有電子標籤生產過程在線快速監測，提供反饋控制信號的需求。
顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明創造的保護範圍之中。