CN104198080A - 以rf射频信号为能量的振荡式温度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的以RF射频信号为能量的振荡式温度传感器，包括天线、能量采集模块和传感头；所述能量采集模块包括匹配电路、第一二极管和电源管理电路；匹配电路与第一二极管连接；电源管理电路包括DC/DC升压芯片和蓄能电容，DC/DC升压芯片的输入端与第一二极管的阴极相连，DC/DC升压芯片的负载电压输出端与振荡式温度传感器的火线连接，其蓄能电压输出端通过蓄能电容与振荡式温度传感器的地线连接；所述传感头包括声表谐振器和三极管。通过声表谐振器与三极管结合形成了声表振荡器，可以以更大的功率发射回传信号，增大了传感器的工作距离和数据传输时间。阅读器可以在较远距离读取传感器的数据，使用方便。

Description

以RF射频信号为能量的振荡式温度传感器
技术领域
本发明属于传感器领域，尤其涉及振荡式温度传感器。
背景技术
电力开关柜、变压器和高压输电线等设备在高压输电行业起着重要的作用。但是这些设备经过长期使用以后会产生生锈等老化现象，影响了金属导体的导电性，导体电阻增加，在高压状况下产生发热现象。在夏季供电高峰，高温会引起火灾，甚至爆炸。为了解决这个问题，最好的办法是在设备内部有金属导体的位置安装温度传感器，实时监测温度变化，在出现温度异常的情况下切断电源。
但是在高压设备内部安装传感器受到几个方面的限制：1）传感器与外部接收设备不能存在导线连接，否则会引起爬电现象，击穿外部设备和传感器。2）传感器的维护工作要尽可能的小。3）传感器体积要小，能够安装在金属导体的表面。
为了解决上述限制，目前主要使用的传感器有两种：1）光纤光栅传感器。2）SAWR无源声表面波传感器。前一种传感器成本非常高（10万左右一套）在国内市场应用非常少。后一种传感器体积小而且无源、无线完全不需要电池。是目前理想的高压温度传感器。该传感器由天线和声表谐振器（即传感头）组成。阅读器用于发射射频信号，天线接收阅读器的射频信号，并激励声表谐振器，由于声表谐振器本身可以蓄积能量。当声表谐振器饱和以后，会以无线电波的形式释放能量，自动回传一个带有频偏的信号，该信号频率偏移的幅度（ft）与温度呈正比，阅读器接收到该信号后通过频率偏移的幅度判断温度。但是该传感器仍然存在以下问题尚待解决：传感器的工作距离近（小于3米），使得阅读器必须离传感头一定距离内才能使用，使用不方便。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所解决的技术问题是怎样提供一种工作距离远、使用方便的振荡式温度传感器。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
以RF射频信号为能量的振荡式温度传感器，包括天线、能量采集模块和传感头；所述能量采集模块包括匹配电路、第一二极管和电源管理电路；匹配电路包括匹配电感和匹配电容，匹配电容与天线的馈点端并联，匹配电感串联在天线的馈点端与第一二极管的阳极之间；电源管理电路包括DC/DC升压芯片和蓄能电容，DC/DC升压芯片的输入端与第一二极管的阴极相连，DC/DC升压芯片的负载电压输出端与所述的振荡式温度传感器的火线连接，DC/DC升压芯片的蓄能电压输出端通过蓄能电容与所述的振荡式温度传感器的地线连接；所述传感头包括声表谐振器和三极管，三极管的基极与声表谐振器的输出端相连，其集电极与振荡式温度传感器的火线连接，其发射极与振荡式温度传感器的地线连接。
作为上述方案的进一步优化，所述匹配电感与所述第一二极管的阳极之间还串联有隔离电容。
作为上述方案的进一步优化，所述能量采集模块还包括第二二极管，第二二极管的阴极与所述第一二极管的阳极相连接，第二二极管的阳极与所述的振荡式温度传感器的地线连接。
作为上述方案的进一步优化，所述DC/DC升压芯片型号为S882Z。
作为上述方案的进一步优化，所述蓄能电容为3.3uF。
作为上述方案的进一步优化，所述匹配电感为27nH~33nH；所述匹配电容为1.5pF；所述第一二极管和第二二极管的型号均为HSMS7630。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的振荡式温度传感器，声表谐振器与三极管结合形成了声表振荡器，可以以更大的功率发射回传信号，增大了传感器的工作距离。
2、本发明提供的振荡式温度传感器，利用RF能量采集技术驱动声表振荡器，能量采集模块的灵敏度为-10dBm，使得当能量采集模块接收的信号强度（ERIP）在20dBm（915MHz）的时候，该能量采集模块的工作距离（也就是阅读器与传感器的距离）大于3米（大于或等于10米），该距离随发射信号功率的增加而增加。因此与普通无源无线声表传感器相比，它的工作距离远得多。阅读器可以在较远距离读取传感器的数据，使用方便。
3、本发明提供的振荡式温度传感器，选用型号为S882Z的DC/DC升压芯片，使得声表振荡器的回传信号时间长度大于500us，远远超过了普通无源声表传感器的工作时间。能够帮助简化阅读器的信号接收方式，阅读器甚至不需要使用FFT转换，直接用低成本的MCU对接收信号进行计数就可以实现接收信号频率的精确读取。
附图说明
图1为本发明提供的振荡式温度传感器的电路图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
以RF射频信号为能量的振荡式温度传感器，如图1所示，包括天线1、能量采集模块和传感头；天线1用于接收射频信号；所述能量采集模块包括匹配电路、第一二极管D1和电源管理电路；匹配电路包括匹配电感L1和匹配电容C4，匹配电容C4与天线1的馈点端并联，匹配电感L1串联在天线1的馈点端与第一二极管D1的阳极之间；电源管理电路包括DC/DC升压芯片A1和蓄能电容C5，DC/DC升压芯片A1的输入端与第一二极管D1的阴极相连，DC/DC升压芯片A1的负载电压输出端与所述的振荡式温度传感器的火线连接，DC/DC升压芯片的蓄能电压输出端通过蓄能电容C5与所述的振荡式温度传感器的地线连接；所述传感头包括声表谐振器2和三极管Q1，三极管Q1的基极与声表谐振器2的输出端相连，其集电极与振荡式温度传感器的火线连接，其发射极与振荡式温度传感器的地线连接。
本发明中，当天线接收到RF射频信号时，匹配电路用于对天线的输出阻抗进行匹配，第一二极管用于对匹配电路输出的信号整形整流，并起到升压的作用。由于经过第一二极管输出的信号电压大约为0.5-1.0V，显然无法驱动后端的传感头。因此需要通过DC/DC升压芯片（直流升压电路）将直流电压升压到1.8V。经过升压后的电能被储存在蓄能电容中，当蓄能电容蓄满电以后立即向传感头供电。传感头启动以后产生回传信号，该信号的中心频率取决于声表谐振器，在温度变化的情况下声表谐振器的中心频率将产生频偏。阅读器通过探测回传信号的频率便能判断被测物的温度，频率偏移越大，温度越高。匹配电路用于使天线的输出阻抗和整流电路的输入阻抗相等，起到阻抗匹配作用。
本振荡式温度传感器由三极管为声表谐振器供电，形成了有源的声表振荡器，可以以更大的功率发射回传信号，增大了传感器的工作距离。阅读器可以在较远距离读取传感器的数据，使用方便。具体实施时，三极管Q1可选用型号为BFR92A的三极管，电容C1、C2决定声表振荡器的反馈增益，电阻R1、R2、R3决定三极管的直流偏置点。
为了更好地过滤掉匹配电路输出信号中的直流分量，防止直流电流从整流电路反馈到天线。所述匹配电感L1与所述第一二极管D1的阳极之间还串联有隔离电容C3。
为了更好地滤波，所述能量采集模块还包括第二二极管D2，第二二极管D2的阴极与所述第一二极管D1的阳极相连接，第二二极管D2的阳极与所述的振荡式温度传感器的地线连接。第二二极管同样起到整流和升压的作用。
所述DC/DC升压芯片A1型号为S882Z。采用S882Z使得声表振荡器的回传信号时间长度大于500us，远远超过了普通无源声表传感器的工作时间。能够帮助简化阅读器的信号接收方式，阅读器甚至不需要使用FFT转换，直接用低成本的MCU对接收信号进行计数就可以实现接收信号频率的精确读取。
所述蓄能电容C5为3.3uF。3.3uF的电容正好可以蓄积足够的电能保持声表振荡器工作500us以上。
所述匹配电感L1为27nH~33nH；所述匹配电容C4为1.5pF；所述第一二极管D1和第二二极管D2的型号均为HSMS7630。采用上述型号的匹配电感、匹配电容、第一二极管和第二二极管，使得能量采集模块的灵敏度为-10dBm。这样当能量采集模块接收的信号强度（ERIP）在20dBm（915MHz）的时候，该能量采集模块的工作距离（也就是阅读器与传感器的距离）大于3米（大于或等于10米）。该距离随发射信号功率的增加而增加。因此与普通无源无线声表传感器相比，它的工作距离远得多。阅读器可以在较远距离读取传感器的数据，使用方便。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.以RF射频信号为能量的振荡式温度传感器，其特征在于，包括天线、能量采集模块和传感头；所述能量采集模块包括匹配电路、第一二极管和电源管理电路；匹配电路包括匹配电感和匹配电容，匹配电容与天线的馈点端并联，匹配电感串联在天线的馈点端与第一二极管的阳极之间；电源管理电路包括DC/DC升压芯片和蓄能电容，DC/DC升压芯片的输入端与第一二极管的阴极相连，DC/DC升压芯片的负载电压输出端与所述的振荡式温度传感器的火线连接，DC/DC升压芯片的蓄能电压输出端通过蓄能电容与所述的振荡式温度传感器的地线连接；所述传感头包括声表谐振器和三极管，三极管的基极与声表谐振器的输出端相连，其集电极与振荡式温度传感器的火线连接，其发射极与振荡式温度传感器的地线连接。
2.如权利要求1所述的以RF射频信号为能量的振荡式温度传感器，其特征在于，所述匹配电感与所述第一二极管的阳极之间还串联有隔离电容。
3.如权利要求1所述的以RF射频信号为能量的振荡式温度传感器，其特征在于，所述能量采集模块还包括第二二极管，第二二极管的阴极与所述第一二极管的阳极相连接，第二二极管的阳极与所述的振荡式温度传感器的地线连接。
4.如权利要求1所述的以RF射频信号为能量的振荡式温度传感器，其特征在于，所述DC/DC升压芯片型号为S882Z。
5.如权利要求1所述的以RF射频信号为能量的振荡式温度传感器，其特征在于，所述蓄能电容为3.3uF。
6.如权利要求1所述的以RF射频信号为能量的振荡式温度传感器，其特征在于，所述匹配电感为27nH~33nH；所述匹配电容为1.5pF；所述第一二极管和第二二极管的型号均为HSMS7630。
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