基于SAW传感器的无源无线温度监测系统设计

发布时间：2017-07-14 14:09

  本文关键词：基于SAW传感器的无源无线温度监测系统设计

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【摘要】：面对开关柜内高压、强电磁场、空间狭小等苛刻环境,传统的高压开关柜温度测量方法都各自存在不同的缺点。为此,本文设计了一套基于声表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)传感器的无源无线温度监测系统,系统主要由谐振型无源无线温度传感器和基于雷达原理工作的高频询问器组成。本系统主要设计思路为：由询问器产生高频可调信号来激励传感器的叉指换能器(Interdigital transducers, IDT)产生SAW, SAW将在传感器的谐振腔内发生叠加。当激励信号停止时,叠加后的SAW又将被IDT转换成电信号,又通过传感器天线辐射出来,询问器接收并采样该回波信号,得到此频率下回波信号的幅值。接着,询问器会改变激励信号的频率,重复以上步骤,保证温度引起的传感器谐振频率变化范围在激励信号变化的范围内。由于当激励信号频率与传感器谐振频率一致时,传感器将发生谐振,传感器的回波信号最强,一个扫频周期下来,询问器便能得到该温度下传感器的谐振频率,又因为传感器的谐振频率与温度有着线性关系,询问器便可得出节点的温度。论文的主要研究内容以及取得成果如下：(1)通过推导SAW在压电材料上的传播方程,得到SAW的传播特性,为各种SAW器件的制备提供依据。利用Matlab对IDT的频率响应、IDT的阻抗特性以及谐振器的频率响应进行了仿真,验证了传感器芯片设计的正确性。采用Smith圆图工具设计了传感器的阻抗匹配电路(该方法同样适合询问的阻抗匹配电路设计)。(2)先借助ADS2008和ADIsimPLL进行电路分析设计,然后使用EDA软件Altium Designer进行了电路的绘制,最后使用Keil uVision4和QUARTUS Ⅱ进行程序设计,开发了高频询问器,询问器能够产生频率434-436MHz,步长为16KHz的高频正弦信号。(3)分析了系统干扰的来源及其对系统的影响,从软硬件两个方面提出了有效的抗干扰措施。利用示波器测试了询问器的发射回路的性能,并借助信号源产生10MHz的正弦信号和Arb信号模拟传感器的回波信号的包络信号,测试询问器接收回路的性能,测试结果表明：询问器设计达到了预期效果。
【关键词】：无源无线 温度监测 声表面波传感器 高频询问器
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM591
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 研究背景及意义11-13
• 1.2 无源无线温度监测系统研究现状13-18
• 1.2.1 SAW简介14
• 1.2.2 SAW传感器研究现状14-15
• 1.2.3 高频询问器研究现状15-18
• 1.3 本文温度监测系统设计思路18
• 1.4 论文主要研究内容18-20
• 第2章 SAW温度传感器的研究与设计20-48
• 2.1 SAW在弹性介质上的激发与传播20-23
• 2.2 SAW温度传感器原理23-25
• 2.3 SAW传感芯片设计基础25-31
• 2.3.1 IDT设计25-26
• 2.3.2 反射栅设计26-28
• 2.3.3 反射栅与IDT的间距设计28
• 2.3.4 压电材料的选择28-31
• 2.4 SAW传感芯片模拟仿真31-39
• 2.4.1 IDT频率响应31-34
• 2.4.2 IDT阻抗特性34-36
• 2.4.3 谐振器模拟36-39
• 2.5 SAW传感芯片制备工艺与流程39-40
• 2.6 SAW传感芯片性能测试方法40-42
• 2.7 传感器阻抗匹配网络42-47
• 2.7.1 阻抗匹配网络的结构43
• 2.7.2 阻抗匹配网络设计43-47
• 2.8 本章小结47-48
• 第3章 询问器整体设计与应用开发48-70
• 3.1 询问器硬件电路设计48-66
• 3.1.1 DDS电路设计48-52
• 3.1.2 PLL电路设计52-53
• 3.1.3 射频开关电路设计53-56
• 3.1.4 带通滤波电路设计56-58
• 3.1.5 RF功率放大电路设计58-59
• 3.1.6 低噪声放大器电路设计59-60
• 3.1.7 包络检波电路设计60-61
• 3.1.8 AD采样电路设计61-62
• 3.1.9 高速数据缓存电路设计62-64
• 3.1.10 MCU核心板设计64-65
• 3.1.11 GSM模块电路设计65-66
• 3.2 询问器软件程序设计66-69
• 3.2.1 软件编程平台66-67
• 3.2.2 软件流程设计67-69
• 3.3 本章小结69-70
• 第4章 系统抗干扰设计与电路测试70-79
• 4.1 抗干扰设计70-72
• 4.1.1 干扰的来源与形式70
• 4.1.2 干扰的影响70-71
• 4.1.3 硬件抗干扰措施71
• 4.1.4 软件抗干扰措施71-72
• 4.2 电路测试分析72-78
• 4.2.1 DDS电路测试73-74
• 4.2.2 PLL电路测试74-75
• 4.2.3 滤波电路测试75
• 4.2.4 功率放大电路测试75-76
• 4.2.5 AD采样模块测试76-78
• 4.2.6 通信模块测试78
• 4.3 本章小结78-79
• 结论与展望79-81
• 参考文献81-85
• 致谢85-86
• 附录A 攻读学位期间取得研究成果86-87
• 附录B 攻读学位期间参与的科研项目87

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