无源无线温度传感系统的设计及优化

于本成　许小媛

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

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：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

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：

1）高灵敏度、高精度。声表面波传感器的灵敏度高，它可以检测到常规传感器难以检测的微小变化，能在-50°C至200°C的温度范围内进行精确测量[2]。

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]。

1.2声表面波传感器的分类及工作原理

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]。

当发射接收器与声表面波延迟线之间的距离L不变时，当外界被测量作用在压电基片表面时，压电基片的长度和声表面波在压电基片上的传播速度会发生变化，因此传播时间会发生变化，根据它们之间的关系可以获得被测量，当发射接收器与声表面波延迟线之间的距离L发生变化时，L的变化也会引起t的变化，为了解决这个问题，在压电基片上设置多个反射器，则反射器之间的时延至反应器件本身的状态，而不受L变化的影响，设发射器1与反射器3之间的距离为2l12，则它们之间的时延为t12。

当压电基片收到外界环境量的作用时，l12与v将发生变化，因此t12发生变化，根据t12的变化就可以得到被测量，在实际测量中，一般t12的变化非常微小，那么时延的测量经常被测量相位替代。

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。

T0是一个1阶、2阶温度系数。我们一般忽略3阶以上的项。对参数的测量，我们主要是先测量频率变化量。当激励信号为x（t）=ejwtu（-t）时，输入的定义基于作用于SAW谐振器的输入端口的电压，输出的定义基于输出端口的短路电流。谐振器的谐振频率是在激励结束后的瞬态输出的振荡频率，获得该信号就可获取相关传感信息，当激励信号的频率与谐振频率相等时，传感输出最强，即谐振器发生谐振。

3 传感系统的构成及工作原理

无源无线传感系统是基于saw谐振器来设计的，其传感信息的获取主要是检测回波信号的谐振频率的相位变化。高频信号的发送和接收电路中有两种构成方式，分别是2次变频和1次变频。2次变频式采用的是两个中频，1个较低中频（第2中频）来提高大的放大量，而另1个较高的中频（第1中频）用来提高抗干扰性能。所以说高增益和高稳定性都可以得到保证。但是缺点就是组合频率干扰严重，结构也过于复杂。

1次变频方式就是用1个本振，电路相对简单，抗干扰性也很好，并且频率稳定度高。工作过程，我们力求实现高增益和高稳定性，所以与2次变频方式相比，1次变频方式使用的元可减少了，集成化的成本降低、程度更高。另外，系统在设计过程中引入了数字信号处理和计算机控制技术，通过进一步简化系统硬件构成，降低了硬件成本，提高了系统的灵活性和可操作性。

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

构成温度传感系统的敏感元件采用常温（20°C）下谐振频率为144.25 4MHz， Q值为5000的声表面波谐振器。将其与天线进行良好的匹配，功放输出的平均功率为1W，控制信号的频率为1 kHz，占空比为5000，传感距离为0. lm。将声表面波谐振器置于温度可调的烤箱中，当测量距离3m，温度变化范围为25-150℃时，测得SAW谐振器的谐振频率随温度变化的实验数据如表1所示。

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。

参考文献：

[1] 刘旭辉.基于ZigBee技术的井下信息采集系统[D].哈尔滨理工大学，2014.

[2] 李经祥.基于ARM和LINUX的智能家居系统设计[D].山东大学，2011.

[3] 李慧粉.基于无线传感网的列车危险品在途安全状态检测策略研究[D].北京交通大学，2010.

[4] 张航.面向物联网的RFID技术研究[D].东华大学，2011.

[5] 贾旭东.愉园温泉度假村营销策略研究[D].南开大学，2010.

[6] 丁玮.基于无线ZigBee网络的隧道监测系统设计[D].长安大学，2013.

[7] Wang Yan-kai.Design and Research of the Gas Monitoring System Based on ZigBee Wireless Network[A]. Proceedings of the 3nd International Conference on Digital Manufacturing & Automation（ICDMA2012）[C]. 2012 [8] Yen L H，Tsai W T.Flexible Address Configurations for Tree-Based ZigBee/IEEE 802.15.4 Wireless Networks.22nd International Conference on Advanced Information Networking andApplications，2008，24：395-402.