無源無線溫度傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

于本成　許小媛

摘要：在完善無線測溫系統(tǒng)方面，測溫采集單位的電源需要一種能夠長期使用、節(jié)能高效的方式，需要從有源到無源的轉(zhuǎn)變。針對這個(gè)問題提出一種無源無線的解決方案。通過分析聲表面波諧振器的傳感原理和傳統(tǒng)傳感系統(tǒng)的構(gòu)成，采用一次變頻的構(gòu)成方式，在聲表面波諧振器的原理基礎(chǔ)上建立無源無線溫度傳感系統(tǒng)，并引入了計(jì)算機(jī)控制和數(shù)字信號處理技術(shù)。

關(guān)鍵詞：無線測溫；聲表面波；諧振器；傳感器

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）02-0253-03

Abstract： In perfecting the wireless temperature measuring system， the power of the temperature acquisition unit needs a long-term use， energy saving and efficient way， and it should be transferred from active to passive. Aimed at this problem， we put forward a kind of passive wireless solutions. Through the analysis of the sensing principle of surface acoustic wave resonator and composition of traditional sensing system， a passive wireless temperature sensing system is constructed based on surface acoustic wave resonator. The system adopts the opposition of a frequency conversion method， and introduces the computer control and digital signal processing technology.

Key words： wireless temperature measure； surface acoustic wave； resonator； sensor

無線測溫系統(tǒng)的進(jìn)一步完善，需要解決的主要問題就是測溫采集單元的電源問題。測溫采集單位的電源需要一種長期使用，節(jié)能高效的方式，需要從有源到無源的轉(zhuǎn)變。針對這個(gè)問題，我們提出了一種無源無線的解決方案。通過分析聲表面波諧振器的傳感原理和傳統(tǒng)傳感系統(tǒng)的構(gòu)成，采用一次變頻的構(gòu)成方式，在聲表面波諧振器的原理基礎(chǔ)上建立無源無線溫度傳感系統(tǒng)，，并引入了計(jì)算機(jī)控制和數(shù)字信號處理技術(shù)。

1 SAW傳感器的選擇

聲表面波（Surface Acoustic Wave，簡稱SAW）與傳統(tǒng)傳感器，如陶瓷、半導(dǎo)體、光纖等相比，其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)了無線無源傳感，適用于難以接觸的特定環(huán)境下的參數(shù)檢測，如：快速移動物體（火車輪子的盤剎等）的溫度，應(yīng)力監(jiān)測的溫度和扭矩監(jiān)測以及密封物體內(nèi)部（礦汽車輪胎等）的各種物理化學(xué)參數(shù)監(jiān)測[1]。

1.1聲表面波傳感器的特點(diǎn)及優(yōu)越性

聲表面波傳感器充分發(fā)揮聲表面波技術(shù)本身的特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用在幾乎所有的信息技術(shù)領(lǐng)域，具備以下的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：

1）高靈敏度、高精度。聲表面波傳感器的靈敏度高，它可以檢測到常規(guī)傳感器難以檢測的微小變化，能在-50°C至200°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行精確測量[2]。

2）準(zhǔn)數(shù)字輸出，聲表面濾波器直接把被測量的變化轉(zhuǎn)換為頻率的變化，這便于處理器處理[3]。

3）重量輕、體積小、功耗低。聲表面波具有極低的傳播速度，比電磁波小十萬倍，傳感器的功耗很低，原因是外圍電路簡單，而且聲表面波90%以上的能量都是集中在距表面一個(gè)波長左右的深度內(nèi)，敏感器件損耗低[4]。

4）抗干擾能力強(qiáng)。因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)聲表面波傳感器的無源化[5]。

5）多參數(shù)敏感性，聲表面波可以選擇合適的材料及切向，做成多種類型的傳感器[6]。

1.2聲表面波傳感器的分類及工作原理

按傳感器的工作類型和相應(yīng)的監(jiān)測機(jī)理，聲表面波傳感器大體上可以分為兩類：基于聲表面波延遲線的傳感器和基于聲表面波諧振器的傳感器。

1）延遲型聲表面波傳感器的工作原理

發(fā)射接收器發(fā)射問詢脈沖，叉指換能器將天線接收到的問詢電磁波信號轉(zhuǎn)換為聲表面波，聲表面波的傳播遇到反射器反射回來的聲表面波傳播到叉指換能器后，叉指換能器把聲表面波轉(zhuǎn)換為電磁波信號，經(jīng)天線發(fā)射出去；利用激勵(lì)信號通過傳感器時(shí)，產(chǎn)生時(shí)間上的延遲或相變進(jìn)行測量的，當(dāng)外界被測量發(fā)生變化時(shí)，時(shí)延或相位將發(fā)生變化，通過檢測可以確定被測量大小[7]。

當(dāng)發(fā)射接收器與聲表面波延遲線之間的距離L不變時(shí)，當(dāng)外界被測量作用在壓電基片表面時(shí)，壓電基片的長度和聲表面波在壓電基片上的傳播速度會發(fā)生變化，因此傳播時(shí)間會發(fā)生變化，根據(jù)它們之間的關(guān)系可以獲得被測量，當(dāng)發(fā)射接收器與聲表面波延遲線之間的距離L發(fā)生變化時(shí)，L的變化也會引起t的變化，為了解決這個(gè)問題，在壓電基片上設(shè)置多個(gè)反射器，則反射器之間的時(shí)延至反應(yīng)器件本身的狀態(tài)，而不受L變化的影響，設(shè)發(fā)射器1與反射器3之間的距離為2l12，則它們之間的時(shí)延為t12。

當(dāng)壓電基片收到外界環(huán)境量的作用時(shí)，l12與v將發(fā)生變化，因此t12發(fā)生變化，根據(jù)t12的變化就可以得到被測量，在實(shí)際測量中，一般t12的變化非常微小，那么時(shí)延的測量經(jīng)常被測量相位替代。

2）諧振型聲表面波傳感器的工作原理

諧振型聲表面波傳感器系統(tǒng)由無線發(fā)射接收裝置、信號處理裝置和聲表面波諧振器組成。高速處理器調(diào)節(jié)一個(gè)可調(diào)的本振信號與固定高頻振蕩信號混頻，產(chǎn)生一個(gè)射頻信號，該射頻信號經(jīng)過帶通濾波和功率放大后，通過天線發(fā)射出去，該電磁波信號被聲表面波諧振器接收后，在聲表面波諧振器發(fā)生諧振，聲表面波諧振器的謝振頻率與叉指換能器的周期長度和聲表面波速度有關(guān)，當(dāng)壓電基片收到外界被測量的影響時(shí)，壓電基片的長度和聲表面波在其上的傳播速度會發(fā)生變化，引起諧振器的頻率變化，進(jìn)而振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，無線發(fā)射與接收裝置在發(fā)射后，過一定時(shí)間后進(jìn)入接收階段，此時(shí)返回脈沖以聲表面波諧振器諧振頻率反射回接收裝置，接收裝置對接收到的信號進(jìn)行射頻放大，然后與固定本振信號混頻，得到低頻信號，再經(jīng)過低頻濾波和A/D轉(zhuǎn)換，送入高速處理器進(jìn)行處理，得到聲表面波諧振器的謝振頻率，根據(jù)諧振頻率的變化就可以獲得被測量。

通過比較，并參照變電站無線測溫系統(tǒng)的要求，本次測溫系統(tǒng)采用諧振型saw諧振器。

2 SAW諧振器的結(jié)構(gòu)和溫度傳感原理

系統(tǒng)的敏感元件采用的是單端口的saw諧振器，結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由壓電基片、左右反射柵和叉指換能器（IDT}組成。（4）表示諧振器的諧振頻率， L為反射陣列周期，Vsaw是基片表面激發(fā)的聲表面波的波速。

T0是一個(gè)1階、2階溫度系數(shù)。我們一般忽略3階以上的項(xiàng)。對參數(shù)的測量，我們主要是先測量頻率變化量。當(dāng)激勵(lì)信號為x（t）=ejwtu（-t）時(shí)，輸入的定義基于作用于SAW諧振器的輸入端口的電壓，輸出的定義基于輸出端口的短路電流。諧振器的諧振頻率是在激勵(lì)結(jié)束后的瞬態(tài)輸出的振蕩頻率，獲得該信號就可獲取相關(guān)傳感信息，當(dāng)激勵(lì)信號的頻率與諧振頻率相等時(shí)，傳感輸出最強(qiáng)，即諧振器發(fā)生諧振。

3 傳感系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

無源無線傳感系統(tǒng)是基于saw諧振器來設(shè)計(jì)的，其傳感信息的獲取主要是檢測回波信號的諧振頻率的相位變化。高頻信號的發(fā)送和接收電路中有兩種構(gòu)成方式，分別是2次變頻和1次變頻。2次變頻式采用的是兩個(gè)中頻，1個(gè)較低中頻（第2中頻）來提高大的放大量，而另1個(gè)較高的中頻（第1中頻）用來提高抗干擾性能。所以說高增益和高穩(wěn)定性都可以得到保證。但是缺點(diǎn)就是組合頻率干擾嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)也過于復(fù)雜。

1次變頻方式就是用1個(gè)本振，電路相對簡單，抗干擾性也很好，并且頻率穩(wěn)定度高。工作過程，我們力求實(shí)現(xiàn)高增益和高穩(wěn)定性，所以與2次變頻方式相比，1次變頻方式使用的元可減少了，集成化的成本降低、程度更高。另外，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中引入了數(shù)字信號處理和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，通過進(jìn)一步簡化系統(tǒng)硬件構(gòu)成，降低了硬件成本，提高了系統(tǒng)的靈活性和可操作性。

經(jīng)過綜合比較，無線測溫系統(tǒng)采用一次變頻構(gòu)成方式的無源無線溫度傳感系統(tǒng)。

4 實(shí)驗(yàn)及分析

構(gòu)成溫度傳感系統(tǒng)的敏感元件采用常溫（20°C）下諧振頻率為144.25 4MHz， Q值為5000的聲表面波諧振器。將其與天線進(jìn)行良好的匹配，功放輸出的平均功率為1W，控制信號的頻率為1 kHz，占空比為5000，傳感距離為0. lm。將聲表面波諧振器置于溫度可調(diào)的烤箱中，當(dāng)測量距離3m，溫度變化范圍為25-150℃時(shí)，測得SAW諧振器的諧振頻率隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

因?yàn)椴捎昧苏颐}沖串作激勵(lì)信號，激勵(lì)信號的能量更集中，提高了系統(tǒng)效率，在同樣的發(fā)射條件下，發(fā)射距離明顯比沖擊信號遠(yuǎn)，這一點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)中也得到了驗(yàn)證。

5 小結(jié)

綜上所述，鑒于聲表面波技術(shù)的種種優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合變電站開關(guān)柜的特殊環(huán)節(jié)，選用一次變頻構(gòu)成方式構(gòu)成的聲表面波諧振器型無源無線溫度傳感系統(tǒng)。由一次變頻構(gòu)成方式構(gòu)成的聲表面波諧振器型無源無線溫度傳感系統(tǒng)在非接觸方式的各種溫度條件下進(jìn)行有效的測量，反映了本系統(tǒng)構(gòu)成方式具備很強(qiáng)的可操作性。本系統(tǒng)采用的電路結(jié)構(gòu)更簡潔，硬件成本更低，操作也更靈活，可實(shí)現(xiàn)對在l0kV開關(guān)柜的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測溫。

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