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無源無線溫度傳感系統(tǒng)的研究及優(yōu)化論文
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(duì)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(hào)處理技術(shù)。
關(guān)鍵詞：無線測溫；聲表面波；諧振器；傳感器
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(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(duì)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(hào)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(dòng)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）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]。
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，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]。
3）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]。
4）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(hào)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(hào)，經(jīng)天線發(fā)射出去；利用激勵(lì)信號(hào)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]。
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(hào)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(hào)與固定高頻振蕩信號(hào)混頻，產(chǎn)生一個(gè)射頻信號(hào)，該射頻信號(hào)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(hào)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(huì)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(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行射頻放大，然后與固定本振信號(hào)混頻，得到低頻信號(hào)，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。
3 傳感系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理
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
因?yàn)椴捎昧苏颐}沖串作激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)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(hào)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(duì)在l0kV開關(guān)柜的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測溫。
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