基于声表面波的非接触无线温度测量系统研究
随着现代工业与科学技术的快速发展，在许多特殊领域，对温度测量技术提出了新的要求。传统的液体温度计、热电偶温度传感器、比色温度计、红外测温仪等测量方法，无法很好地适用于某些特定领域的温度非接触实时测量。因此，研究发展新型的温度测量技术及系统，不仅具有重要的学术意义，而且在诸多领域具有广泛的实用价值。 近年来，国内外开展了将声表面波(SAW)器件用于无线传感技术的研究，其中，利用SAW器件的谐振频率随温度变化的特性，可以实现温度的非接触无线测量。为此，本文将SAW谐振器和现场可编程门阵列(FPGA)相结合，开展了基于SAW谐振器和FPGA的非接触实时测温技术及系统研究。论文的主要研究内容和研究成果如下: 本文提出和发展了一种基于SAW谐振器和FPGA的非接触实时测温新方法。该方法采用SAW谐振器作为温度传感器，根据谐振频率随温度变化的特性实现温度的非接触实时传感;利用信号发射集成芯片与信号接收集成芯片，提高了信号收发与处理电路的集成度和稳定性;首次采用FPGA开发板，以振幅键控方式(ASK)而不是机械开关切换的方式，实现发射信号与接收信号之间的高速切换，并使强发射信号不再对微弱的接收信号产生干扰，显著提高了系统的响应速度和测量性能。 研究建立了一套新型的非接触温度实时测量与监控系统。该系统由FPGA开发板、ASK控制端口、信号发射与功率放大电路模块、射频发射与接收天线、SAW温度传感器、信号接收与差频电路模块、计算机及软件等部分组成。 当FPGA输出的ASK控制信号为高电平时，信号发射电路模块产生中心频率约为433MHz的高频发射信号，通过功率放大模块将信号放大到10 mW左右，由工字形天线发射出去（TS信号）;SAW谐振器上的螺旋形天线接收到此信号后，通过叉指换能器(IDT)激励SAW谐振器产生声表面波。当ASK信号变为低电平时，TS信号瞬间停止发射，但SAW谐振器谐振产生的声表面波仍将持续一小段时间，并通过与SAW谐振器相连的螺旋天线发射出去，被工字天线接收（RS信号）。信号接收与差频电路将该信号与本征信号进行差频，得到的中频信号（IS信号）可以直接由A/D接口采样输入到FPGA模块，并经FPGA数据处理后传输到计算机，编写的软件将IS信号进行快速傅里叶变换(FFT)，得到频率fIS;该频率值与被测对象的温度一一对应，据此即可实时测量和监控温度值。 对研制的基于SAW与FPGA的无线温度测量与监控系统开展了性能实验研究，用恒温板对不同温度下SAW温度传感器的谐振频率进行测定，实验结果表明，该系统可测量的最高温度达120℃，谐振频率—温度系数平均值为-5.7 kHz/℃，温度测量分辨率优于0.5℃。利用该系统对大功率激光器的温度进行了非接触实时测量与监控，得到满意的实验结果，证明该系统具有非接触、实时、精度高等优点，为实现光电、机电、机械、电力电子等设备的实时温度测量、监控及安全报警等提供了新的方法与途径。
谐振器;温度测量;实时监控;声表面波;现场可编程门阵列
浙江大学
硕士
测试计量技术及仪器
章海军
2016
中文
TN628.1;TN606
72
2017-04-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）