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無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感系統的研究及優(yōu)化論文
摘要：在完善無(wú)線(xiàn)測溫系統方面，測溫采集單位的電源需要一種能夠長(cháng)期使用、節能高效的方式，需要從有源到無(wú)源的轉變。針對這個(gè)問(wèn)題提出一種無(wú)源無(wú)線(xiàn)的解決方案。通過(guò)分析聲表面波諧振器的傳感原理和傳統傳感系統的構成，采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(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感系統，并引入了計算機控制和數字信號處理技術(shù)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)測溫系統的進(jìn)一步完善，需要解決的主要問(wèn)題就是測溫采集單元的電源問(wèn)題。測溫采集單位的電源需要一種長(cháng)期使用，節能高效的方式，需要從有源到無(wú)源的轉變。針對這個(gè)問(wèn)題，我們提出了一種無(wú)源無(wú)線(xiàn)的解決方案。通過(guò)分析聲表面波諧振器的傳感原理和傳統傳感系統的構成，采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(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感系統，，并引入了計算機控制和數字信號處理技術(shù)。
1 SAW傳感器的選擇
聲表面波（Surface Acoustic Wave，簡(jiǎn)稱(chēng)SAW）與傳統傳感器，如陶瓷、半導體、光纖等相比，其優(yōu)點(diǎn)表現在實(shí)現了無(wú)線(xiàn)無(wú)源傳感，適用于難以接觸的特定環(huán)境下的參數檢測，如：快速移動(dòng)物體（火車(chē)輪子的盤(pán)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(chē)輪胎等）的各種物理化學(xué)參數監測[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(wàn)倍，傳感器的功耗很低，原因是外圍電路簡(jiǎn)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(cháng)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(shí)現聲表面波傳感器的無(wú)源化[5]。
4）多參數敏感性，聲表面波可以選擇合適的材料及切向，做成多種類(lèi)型的傳感器[6]。
1.2按傳感器的工作類(lèi)型和相應的監測機理，聲表面波傳感器大體上可以分為兩類(lèi)：基于聲表面波延遲線(xiàn)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(wèn)詢(xún)脈沖，叉指換能器將天線(xiàn)接收到的問(wèn)詢(xún)電磁波信號轉換為聲表面波，聲表面波的傳播遇到反射器反射回來(lái)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換為電磁波信號，經(jīng)天線(xiàn)發(fā)射出去；利用激勵信號通過(guò)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(guò)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由無(wú)線(xiàn)發(fā)射接收裝置、信號處理裝置和聲表面波諧振器組成。高速處理器調節一個(gè)可調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(guò)帶通濾波和功率放大后，通過(guò)天線(xiàn)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(cháng)度和聲表面波速度有關(guān)，當壓電基片收到外界被測量的影響時(shí)，壓電基片的長(cháng)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(wú)線(xiàn)發(fā)射與接收裝置在發(fā)射后，過(guò)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(guò)低頻濾波和A/D轉換，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，根據諧振頻率的變化就可以獲得被測量。 通過(guò)比較，并參照變電站無(wú)線(xiàn)測溫系統的要求，本次測溫系統采用諧振型saw諧振器。
2 SAW諧振器的結構和溫度傳感原理
系統的敏感元件采用的是單端口的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為反射陣列周期，Vsaw是基片表面激發(fā)的聲表面波的波速。
3 傳感系統的構成及工作原理
經(jīng)過(guò)綜合比較，無(wú)線(xiàn)測溫系統采用一次變頻構成方式的無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感系統。
4 實(shí)驗及分析
因為采用了正弦脈沖串作激勵信號，激勵信號的能量更集中，提高了系統效率，在同樣的發(fā)射條件下，發(fā)射距離明顯比沖擊信號遠，這一點(diǎn)在實(shí)驗中也得到了驗證。
5 小結
綜上所述，鑒于聲表面波技術(shù)的種種優(yōu)點(diǎn)，結合變電站開(kāi)關(guān)柜的特殊環(huán)節，選用一次變頻構成方式構成的聲表面波諧振器型無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感系統。由一次變頻構成方式構成的聲表面波諧振器型無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感系統在非接觸方式的各種溫度條件下進(jìn)行有效的測量，反映了本系統構成方式具備很強的可操作性。本系統采用的電路結構更簡(jiǎn)潔，硬件成本更低，操作也更靈活，可實(shí)現對在l0kV開(kāi)關(guān)柜的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測溫。
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