無源無線溫度感測系統的研究及最佳化論文
無源無線溫度感測系統的研究及最佳化論文
摘要：在完善無線測溫系統方面，測溫採集單位的電源需要一種能夠長期使用、節能高效的方式，需要從有源到無源的轉變。針對這個問題提出一種無源無線的解決方案。透過分析聲表面波諧振器的感測原理和傳統感測系統的構成，採用一次變頻的構成方式，在聲表面波諧振器的原理基礎上建立無源無線溫度感測系統，並引入了計算機控制和數字訊號處理技術。
關鍵詞：無線測溫；聲表面波；諧振器；感測器
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
無線測溫系統的進一步完善，需要解決的主要問題就是測溫採集單元的電源問題。測溫採集單位的電源需要一種長期使用，節能高效的方式，需要從有源到無源的轉變。針對這個問題，我們提出了一種無源無線的解決方案。透過分析聲表面波諧振器的感測原理和傳統感測系統的構成，採用一次變頻的構成方式，在聲表面波諧振器的原理基礎上建立無源無線溫度感測系統，，並引入了計算機控制和數字訊號處理技術。
1 SAW感測器的選擇
聲表面波（Surface Acoustic Wave，簡稱SAW）與傳統感測器，如陶瓷、半導體、光纖等相比，其優點表現在實現了無線無源感測，適用於難以接觸的特定環境下的引數檢測，如：快速移動物體（火車輪子的盤剎等）的溫度，應力監測的溫度和扭矩監測以及密封物體內部（礦汽車輪胎等）的各種物理化學引數監測[1]。
1.1聲表面波感測器的特點及優越性
聲表面波感測器充分發揮聲表面波技術本身的'特點，廣泛地應用在幾乎所有的資訊科技領域，具備以下的特點和優點：
1）準數字輸出，聲表面濾波器直接把被測量的變化轉換為頻率的變化，這便於處理器處理[3]。
2）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，感測器的功耗很低，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波長左右的深度內，敏感器件損耗低[4]。
3）抗干擾能力強。因為可以實現聲表面波感測器的無源化[5]。
4）多引數敏感性，聲表面波可以選擇合適的材料及切向，做成多種型別的感測器[6]。
1.2
1）延遲型聲表面波感測器的工作原理
發射接收器發射問詢脈衝，叉指換能器將天線接收到的問詢電磁波訊號轉換為聲表面波，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後，叉指換能器把聲表面波轉換為電磁波訊號，經天線發射出去；利用激勵訊號透過感測器時，產生時間上的延遲或相變進行測量的，當外界被測量發生變化時，時延或相位將發生變化，透過檢測可以確定被測量大小[7]。
2）諧振型聲表面波感測器的工作原理
諧振型聲表面波感測器系統由無線發射接收裝置、訊號處理裝置和聲表面波諧振器組成。高速處理器調節一個可調的本振訊號與固定高頻振盪訊號混頻，產生一個射頻訊號，該射頻訊號經過帶通濾波和功率放大後，透過天線發射出去，該電磁波訊號被聲表面波諧振器接收後，在聲表面波諧振器發生諧振，聲表面波諧振器的謝振頻率與叉指換能器的週期長度和聲表面波速度有關，當壓電基片收到外界被測量的影響時，壓電基片的長度和聲表面波在其上的傳播速度會發生變化，引起諧振器的頻率變化，進而振盪器的振盪頻率發生變化，無線發射與接收裝置在發射後，過一定時間後進入接收階段，此時返回脈衝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訊號進行射頻放大，然後與固定本振訊號混頻，得到低頻訊號，再經過低頻濾波和A/D轉換，送入高速處理器進行處理，得到聲表面波諧振器的謝振頻率，根據諧振頻率的變化就可以獲得被測量。 透過比較，並參照變電站無線測溫系統的要求，本次測溫系統採用諧振型saw諧振器。
2 SAW諧振器的結構和溫度感測原理
系統的敏感元件採用的是單埠的saw諧振器，結構如圖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為反射陣列週期，Vsaw是基片表面激發的聲表面波的波速。
3 感測系統的構成及工作原理
經過綜合比較，無線測溫系統採用一次變頻構成方式的無源無線溫度感測系統。
4 實驗及分析
因為採用了正弦脈衝串作激勵訊號，激勵訊號的能量更集中，提高了系統效率，在同樣的發射條件下，發射距離明顯比衝擊訊號遠，這一點在實驗中也得到了驗證。
5 小結
綜上所述，鑑於聲表面波技術的種種優點，結合變電站開關櫃的特殊環節，選用一次變頻構成方式構成的聲表面波諧振器型無源無線溫度感測系統。由一次變頻構成方式構成的聲表面波諧振器型無源無線溫度感測系統在非接觸方式的各種溫度條件下進行有效的測量，反映了本系統構成方式具備很強的可操作性。本系統採用的電路結構更簡潔，硬體成本更低，操作也更靈活，可實現對在l0kV開關櫃的關鍵點進行測溫。