无源无线温度传感系统的设计及优化

摘要：在完善无线测温系统方面，测温采集单位的电源需要一种能够长期使用、节能高效的方式，需要从有源到无源的转变。针对这个问题提出一种无源无线的解决方案。通过分析声表面波谐振器的传感原理和传统传感系统的构成，采用一次变频的构成方式，在声表面波谐振器的原理基础上建立无源无线温度传感系统，并引入了计算机控制和数字信号处理技术。

关键词：无线测温；声表面波；谐振器；传感器

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

无线测温系统的进一步完善，需要解决的主要问题就是测温采集单元的电源问题。测温采集单位的电源需要一种长期使用，节能高效的方式，需要从有源到无源的转变。针对这个问题，我们提出了一种无源无线的解决方案。通过分析声表面波谐振器的传感原理和传统传感系统的构成，采用一次变频的构成方式，在声表面波谐振器的原理基础上建立无源无线温度传感系统，，并引入了计算机控制和数字信号处理技术。

1 SAW传感器的选择

声表面波（Surface Acoustic Wave，简称SAW）与传统传感器，如陶瓷、半导体、光纤等相比，其优点表现在实现了无线无源传感，适用于难以接触的特定环境下的参数检测，如：快速移动物体（火车轮子的盘刹等）的温度，应力监测的温度和扭矩监测以及密封物体内部（矿汽车轮胎等）的各种物理化学参数监测[1]。

1.1声表面波传感器的特点及优越性

声表面波传感器充分发挥声表面波技术本身的特点，广泛地应用在几乎所有的信息技术领域，具备以下的特点和优点：

2）准数字输出，声表面滤波器直接把被测量的变化转换为频率的变化，这便于处理器处理[3]。

3）重量轻、体积小、功耗低。声表面波具有极低的传播速度，比电磁波小十万倍，传感器的功耗很低，原因是外围电路简单，而且声表面波90%以上的能量都是集中在距表面一个波长左右的深度内，敏感器件损耗低[4]。

4）抗干扰能力强。因为可以实现声表面波传感器的无源化[5]。

5）多参数敏感性，声表面波可以选择合适的材料及切向，做成多种类型的传感器[6]。

按传感器的工作类型和相应的监测机理，声表面波传感器大体上可以分为两类：基于声表面波延迟线的传感器和基于声表面波谐振器的传感器。

1）延迟型声表面波传感器的工作原理

发射接收器发射问询脉冲，叉指换能器将天线接收到的问询电磁波信号转换为声表面波，声表面波的传播遇到反射器反射回来的声表面波传播到叉指换能器后，叉指换能器把声表面波转换为电磁波信号，经天线发射出去；利用激励信号通过传感器时，产生时间上的延迟或相变进行测量的，当外界被测量发生变化时，时延或相位将发生变化，通过检测可以确定被测量大小[7]。

2）谐振型声表面波传感器的工作原理

谐振型声表面波传感器系统由无线发射接收装置、信号处理装置和声表面波谐振器组成。高速处理器调节一个可调的本振信号与固定高频振荡信号混频，产生一个射频信号，该射频信号经过带通滤波和功率放大后，通过天线发射出去，该电磁波信号被声表面波谐振器接收后，在声表面波谐振器发生谐振，声表面波谐振器的谢振频率与叉指换能器的周期长度和声表面波速度有关，当压电基片收到外界被测量的影响时，压电基片的长度和声表面波在其上的传播速度会发生变化，引起谐振器的频率变化，进而振荡器的振荡频率发生变化，无线发射与接收装置在发射后，过一定时间后进入接收阶段，此时返回脉冲以声表面波谐振器谐振频率反射回接收装置，接收装置对接收到的信号进行射频放大，然后与固定本振信号混频，得到低频信号，再经过低频滤波和A/D转换，送入高速处理器进行处理，得到声表面波谐振器的谢振频率，根据谐振频率的变化就可以获得被测量。 通过比较，并参照变电站无线测温系统的要求，本次测温系统采用谐振型saw谐振器。

2 SAW谐振器的结构和温度传感原理

系统的敏感元件采用的是单端口的saw谐振器，结构如图1所示，它由压电基片、左右反射栅和叉指换能器（IDT}组成。

（4）表示谐振器的谐振频率， L为反射阵列周期，Vsaw是基片表面激发的声表面波的波速。

3 传感系统的构成及工作原理

经过综合比较，无线测温系统采用一次变频构成方式的无源无线温度传感系统。

4 实验及分析

因为采用了正弦脉冲串作激励信号，激励信号的能量更集中，提高了系统效率，在同样的发射条件下，发射距离明显比冲击信号远，这一点在实验中也得到了验证。

5 小结

综上所述，鉴于声表面波技术的种种优点，结合变电站开关柜的特殊环节，选用一次变频构成方式构成的声表面波谐振器型无源无线温度传感系统。由一次变频构成方式构成的声表面波谐振器型无源无线温度传感系统在非接触方式的各种温度条件下进行有效的测量，反映了本系统构成方式具备很强的可操作性。本系统采用的电路结构更简洁，硬件成本更低，操作也更灵活，可实现对在l0kV开关柜的关键点进行测温。