基于声表面波的非接触无线温度测量系统研究

发布时间：2017-10-06 03:32

  本文关键词：基于声表面波的非接触无线温度测量系统研究

  更多相关文章： SAW谐振器 FPGA 温度传感 谐振频率 非接触测量 实时监控

【摘要】：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℃,谐振频率一温度系数平均值为-5.7 kHz/℃,温度测量分辨率优于0.50℃。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。
【关键词】：SAW谐振器 FPGA 温度传感 谐振频率 非接触测量 实时监控
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH811
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 温度测量技术概述12-14
• 1.1.1 传统的测温技术12-13
• 1.1.2 典型的特种测温技术13-14
• 1.2 声表面波(SAW)器件及其应用简介14-17
• 1.2.1 SAW器件简介14-15
• 1.2.2 SAW器件的研究应用现状15-16
• 1.2.3 基于SAW器件的测温技术16-17
• 1.3 本论文的主要研究内容17-20
• 第二章 声表面波谐振器及其非接触温度测量原理20-28
• 2.1 声表面波的基本理论20-21
• 2.2 SAW谐振器的组成21-23
• 2.2.1 压电材料21
• 2.2.2 叉指换能器21-22
• 2.2.3 反射栅22-23
• 2.3 SAW谐振器的分类及选择23-25
• 2.3.1 延迟线型SAW谐振器23-24
• 2.3.2 谐振型SAW谐振器24-25
• 2.4 基于谐振型SAW谐振器的非接触测温原理25-28
• 第三章 基于SAW谐振器的无线温度测量新方法研究28-40
• 3.1 总体方案设计28-29
• 3.2 射频发射与接收技术29-30
• 3.2.1 射频技术29
• 3.2.2 射频识别29-30
• 3.2.3 声表面波射频收发技术30
• 3.3 信号发射与接收单元30-32
• 3.3.1 信号发射与功放模块30-31
• 3.3.2 信号接收与差频模块31-32
• 3.4 天线与辐射场基本理论32-34
• 3.4.1 天线概念及基本参数32-33
• 3.4.2 天线工作原理与辐射场的产生33-34
• 3.4.3 发射天线与接收天线34
• 3.5 FPGA信号控制方法34-36
• 3.6 FFT变换与信号处理36-40
• 第四章 基于SAW谐振器与FPGA的无线温度测量系统研制40-54
• 4.1 基于SAW谐振器的温度传感器制作40-41
• 4.2 射频发射及功放电路设计41-43
• 4.2.1 射频发射电路41-42
• 4.2.2 PW450功放电路42-43
• 4.3 射频信号接收与差频电路研制43-46
• 4.4 FPGA控制模块及A/D电路设计46-48
• 4.4.1 FPGA控制模块46-47
• 4.4.2 A/D电路设计47-48
• 4.5 信号控制与温度实时测量软件48-54
• 4.5.1 FPGA编程48-50
• 4.5.2 温度实时测量软件设计50-54
• 第五章 新型无线温度测量系统的性能测试及应用实验54-64
• 5.1 SAW谐振器的结构及参数测量54-56
• 5.1.1 光学显微图54-55
• 5.1.2 AFM图55-56
• 5.2 电路性能测试实验56-58
• 5.2.1 发射及功放电路测试56
• 5.2.2 接收与差频电路测试56-57
• 5.2.3 FPGA控制模块及A/D电路调试57-58
• 5.3 系统的总体调试58-60
• 5.3.1 SAW温度传感器的标定方法58
• 5.3.2 利用恒温板的标定实验58-60
• 5.4 大功率激光器的温度测量与监控实验60-64
• 第六章 总结与展望64-66
• 6.1 研究工作总结64
• 6.2 展望64-66
• 参考文献66-70
• 附录 英文缩写对照表70-72
• 作者简介72
• 攻读硕士学位期间发表的论文72

【参考文献】

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本文编号：980475