CN107192473B - 基于相控阵天线的声表面波温度检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于相控阵天线的声表面波温度检测系统及检测方法，其主要特点是阅读器采用相控阵天线，各传感器节点采用谐振频率和带宽完全相同的声表面波器件。本发明的温度检测系统由声表面波温度传感器节点和阅读器构成，阅读器包括微控制器模块、发射模块、收发隔离模块、接收模块、相位控制模块以及阵列天线模块。阅读器通过控制阵列天线模块中各天线单元的相位来实现波束自动扫描，采用空分多址方式完成对空间不同方位的温度检测。本发明由于相控阵天线形成的窄波束使发射功率集中，从而可提高无线测温距离和测温稳定性。与现有检测系统的频分多址方式相比，本发明还可在增加传感器节点数量的同时，满足ISM和国家标准的频带要求。
Description
技术领域：
本发明涉及一种基于相控阵天线的声表面波温度检测系统及其检测方法，属于无线传感领域。
背景技术：
声表面波传感器是一种新型谐振式传感器。声表面波温度传感器以压电材料作为敏感器件，利用压电效应，通过叉指换能器在压电基片上激发出声表面波，根据声表面波器件的谐振频率随待测温度变化来实现温度传感功能。在阅读器和天线的配合下，声表面波传感器在无线传感的同时也不需要电源。声表面波温度传感器最引人注目的便是其无线功能和无源本质，因此获得了以智能电网为典型代表的工业应用领域的广泛关注。
现有智能电网的温度检测主要包括高压开关柜和高压传输线的节点温度检测，需在线实时测量空间不同节点的温度，并根据测量结果实现相应的告警功能。目前，声表面波测温技术用于智能电网时，存在着以下问题亟待解决：
(1)户外测量时，以高压传输线的节点温度检测为例，测温节点位于空间不同方位且相距较远，无法通过单个阅读器天线测温，并且对无线测温距离提出了更高的要求。
(2)实际测试环境复杂，干扰现象严重，从而影响无线测温距离和测温稳定性。
(3)传感器采用频分多址方式，节点数量有限，占用频带较宽，超过了ISM和国家标准的带宽范围。
发明内容：
本发明针对上述现有技术存在的问题提供一种基于相控阵天线的声表面波温度检测系统及其检测方法，从而解决目前声表面波测温技术用于智能电网时存在的相关问题。
本发明采用如下技术方案：一种基于相控阵天线的声表面波温度检测系统，由阅读器和若干个声表面波温度传感器节点构成，所述阅读器采用相控阵天线，各个声表面波温度传感器节点采用谐振频率和带宽完全相同的声表面波器件。
进一步地，所述阅读器包括微控制器模块、发射模块、收发隔离模块、接收模块、相位控制模块以及阵列天线模块，所述微控制器模块的输出端分别连接发射模块的输入端、相位控制模块的输入端和收发隔离模块的控制端，发射模块的输出端连接收发隔离模块的第二端口，收发隔离模块的第三端口连接接收模块的输入端，接收模块的输出端连接微控制器模块的输入端，收发隔离模块的第一端口与阵列天线模块连接，相位控制模块的输出端与阵列天线模块的控制端连接，阵列天线模块与声表面波温度传感器节点之间通过射频信号无线连接。
进一步地，所述相位控制模块由多个相同的子模块并联构成，子模块的数量与相控阵天线的天线单元数量相同，所述子模块包括DAC模块和运算放大器模块，所述DAC模块的输出端连接运算放大器模块的输入端。
进一步地，所述阵列天线模块由功分器和多个相同的阵列单元模块构成，所述功分器的输出端口数量与阵列单元模块的数量相同，功分器的各个输出端口分别与各阵列单元模块的输入端连接。
进一步地，所述阵列单元模块包括移相器模块和天线单元，所述移相器模块的输出端连接天线单元的输入端，移相器模块的控制输入端即为阵列天线模块的控制端。
本发明还采用如下技术方案：一种基于相控阵天线的声表面波温度检测系统的检测方法，包括如下步骤：
步骤A，根据每个声表面波温度传感器节点所处的空间方位，确定对应的扫描方向，计算出测量该节点温度时各移相器对应的相移，并进一步计算出该相移对应的控制电压；
步骤B，微控制器模块控制收发隔离模块的单刀双掷开关置于第二端口，使阅读器处于激励信号发射状态；
步骤C，微控制器模块控制发射模块产生激励信号并放大到合适的功率，激励信号再经过收发隔离模块的第二端口和第一端口进入阵列天线模块，通过功分器分为多个功率与相位均相同的信号，分别进入每个天线单元对应的移相器模块；
步骤D，针对第一声表面波温度传感器节点，微控制器模块控制相位控制模块通过DAC模块产生如步骤A计算出的相应的控制电压，并通过运算放大器模块放大到合适的电压值，进入阵列天线模块，控制相应移相器模块的相位发生变化，使各天线单元发射的激励信号之间存在特定的相位差，在第一声表面波温度传感器节点处发生同相干涉；
步骤E，微控制器模块控制收发隔离模块的单刀双掷开关置于第三端口，使阅读器处于回波信号接收状态；
步骤F，第一声表面波温度传感器节点响应同相干涉的激励信号，并反射与第一声表面波温度传感器节点的温度相关的回波信号进入阵列天线模块，再经过收发隔离模块的第一端口和第三端口进入接收模块，最后到达微控制器模块；
步骤G，微控制器模块对第一声表面波温度传感器节点的回波信号进行处理，获得第一声表面波温度传感器节点的温度信息；
步骤H，针对第二声表面波温度传感器节点，第三声表面波温度传感器节点，…，第n声表面波温度传感器节点，重复步骤B到G，在一个完整的扫描周期内获得所有节点的温度信息，然后再从第一声表面波温度传感器节点重复扫描，反复进行，实现对各节点温度的在线实时检测。
本发明具有如下有益效果：
(1)以相控阵天线作为系统的阅读器收发天线，通过控制阵列天线中各天线单元的相位来实现波束自动扫描，从而采用空分多址方式完成对空间不同方位的温度检测；
(2)相控阵天线形成的窄波束使发射功率集中，由此可提高无线测温距离和测温稳定性；
(3)与现有声表面波测温系统的传感器节点频分多址方式相比，基于相控阵天线的系统采用谐振频率和带宽完全相同的传感器节点，因此可在增加传感器节点数量的同时，满足ISM和国家标准的频带要求。
附图说明：
图1为基于相控阵天线的声表面波温度检测系统结构。
图2为系统的相位控制模块结构。
图3为系统的阵列天线模块结构。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
请参照图1所示，本发明基于相控阵天线的声表面波温度检测系统由阅读器和若干个声表面波温度传感器节点构成，其中：阅读器采用相控阵天线，各个声表面波温度传感器节点采用谐振频率和带宽完全相同的声表面波器件。
阅读器包括微控制器模块、发射模块、收发隔离模块、接收模块、相位控制模块以及阵列天线模块，其中：微控制器模块的输出端分别连接发射模块的输入端、相位控制模块的输入端和收发隔离模块的控制端，发射模块的输出端连接收发隔离模块的第二端口，收发隔离模块的第三端口连接接收模块的输入端，接收模块的输出端连接微控制器模块的输入端，收发隔离模块的第一端口与阵列天线模块连接，相位控制模块的输出端与阵列天线模块的控制端连接，阵列天线模块与声表面波温度传感器节点之间通过射频信号无线连接。
请参照图2所示，相位控制模块由多个相同的子模块并联构成，子模块的数量与相控阵天线的天线单元数量相同，子模块包括DAC(数模转换器)模块和运算放大器模块，其中：每个DAC模块的输出端连接与之相对应的每个运算放大器模块的输入端，即第一DAC模块的输出端连接第一运算放大器模块的输入端，第n DAC模块的输出端连接第n运算放大器模块的输入端。
请参照图3所示，阵列天线模块由功分器和多个相同的阵列单元模块构成，其中：功分器的输出端口数量与阵列单元模块的数量相同，其各个输出端分别与各阵列单元模块的输入端连接。
阵列单元模块包括移相器模块和天线单元，其中：移相器模块的输出端连接天线单元的输入端，移相器模块的控制输入端即为阵列天线模块的控制端。
请参照图1所示，本发明基于相控阵天线的声表面波温度检测系统的检测方法，工作步骤如下：
步骤A，根据每个声表面波温度传感器节点所处的空间方位，确定对应的扫描方向，计算出测量该节点温度时各移相器对应的相移，并进一步计算出该相移对应的控制电压；
步骤B，微控制器模块控制收发隔离模块的单刀双掷开关置于第二端口，使阅读器处于激励信号发射状态；
步骤C，微控制器模块控制发射模块产生激励信号并放大到合适的功率，激励信号再经过收发隔离模块的第二端口和第一端口进入阵列天线模块，通过功分器分为多个功率与相位均相同的信号，分别进入每个天线单元对应的移相器模块；
步骤D，针对第一声表面波温度传感器节点，微控制器模块控制相位控制模块通过DAC模块产生如步骤A计算出的相应的控制电压，并通过运算放大器模块放大到合适的电压值，进入阵列天线模块，控制相应移相器模块的相位发生变化，使各天线单元发射的激励信号之间存在特定的相位差，在第一声表面波温度传感器节点处发生同相干涉；
步骤E，微控制器模块控制收发隔离模块的单刀双掷开关置于第三端口，使阅读器处于回波信号接收状态；
步骤F，第一声表面波温度传感器节点响应同相干涉的激励信号，并反射与第一声表面波温度传感器节点的温度相关的回波信号进入阵列天线模块，再经过收发隔离模块的第一端口和第三端口进入接收模块，最后到达微控制器模块；
步骤G，微控制器模块对第一声表面波温度传感器节点的回波信号进行处理，获得第一声表面波温度传感器节点的温度信息；
步骤H，针对第二声表面波温度传感器节点，第三声表面波温度传感器节点，…，第n声表面波温度传感器节点，重复步骤B到G，在一个完整的扫描周期内获得所有节点的温度信息，然后再从第一声表面波温度传感器节点重复扫描，反复进行，实现对各节点温度的在线实时检测。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于相控阵天线的声表面波温度检测系统，由阅读器和若干个声表面波温度传感器节点构成，其特征在于：所述阅读器采用相控阵天线，各个声表面波温度传感器节点采用谐振频率和带宽完全相同的声表面波器件；
所述阅读器包括微控制器模块、发射模块、收发隔离模块、接收模块、相位控制模块以及阵列天线模块，所述微控制器模块的输出端分别连接发射模块的输入端、相位控制模块的输入端和收发隔离模块的控制端，发射模块的输出端连接收发隔离模块的第二端口，收发隔离模块的第三端口连接接收模块的输入端，接收模块的输出端连接微控制器模块的输入端，收发隔离模块的第一端口与阵列天线模块连接，相位控制模块的输出端与阵列天线模块的控制端连接，阵列天线模块与声表面波温度传感器节点之间通过射频信号无线连接。
2.根据权利要求1所述的基于相控阵天线的声表面波温度检测系统，其特征在于：所述相位控制模块由多个相同的子模块并联构成，子模块的数量与相控阵天线的天线单元数量相同，所述子模块包括DAC模块和运算放大器模块，所述DAC模块的输出端连接运算放大器模块的输入端。
3.根据权利要求1所述的基于相控阵天线的声表面波温度检测系统，其特征在于：所述阵列天线模块由功分器和多个相同的阵列单元模块构成，所述功分器的输出端口数量与阵列单元模块的数量相同，功分器的各个输出端口分别与各阵列单元模块的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的基于相控阵天线的声表面波温度检测系统，其特征在于：所述阵列单元模块包括移相器模块和天线单元，所述移相器模块的输出端连接天线单元的输入端，移相器模块的控制输入端即为阵列天线模块的控制端。
5.一种基于相控阵天线的声表面波温度检测系统的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤A，根据每个声表面波温度传感器节点所处的空间方位，确定对应的扫描方向，计算出测量该节点温度时各移相器对应的相移，并进一步计算出该相移对应的控制电压；
步骤B，微控制器模块控制收发隔离模块的单刀双掷开关置于第二端口，使阅读器处于激励信号发射状态；
步骤C，微控制器模块控制发射模块产生激励信号并放大到合适的功率，激励信号再经过收发隔离模块的第二端口和第一端口进入阵列天线模块，通过功分器分为多个功率与相位均相同的信号，分别进入每个天线单元对应的移相器模块；
步骤D，针对第一声表面波温度传感器节点，微控制器模块控制相位控制模块通过DAC模块产生如步骤A计算出的相应的控制电压，并通过运算放大器模块放大到合适的电压值，进入阵列天线模块，控制相应移相器模块的相位发生变化，使各天线单元发射的激励信号之间存在特定的相位差，在第一声表面波温度传感器节点处发生同相干涉；
步骤E，微控制器模块控制收发隔离模块的单刀双掷开关置于第三端口，使阅读器处于回波信号接收状态；
步骤F，第一声表面波温度传感器节点响应同相干涉的激励信号，并反射与第一声表面波温度传感器节点的温度相关的回波信号进入阵列天线模块，再经过收发隔离模块的第一端口和第三端口进入接收模块，最后到达微控制器模块；
步骤G，微控制器模块对第一声表面波温度传感器节点的回波信号进行处理，获得第一声表面波温度传感器节点的温度信息；
步骤H，针对第二声表面波温度传感器节点，第三声表面波温度传感器节点，…，第n声表面波温度传感器节点，重复步骤B到G，在一个完整的扫描周期内获得所有节点的温度信息，然后再从第一声表面波温度传感器节点重复扫描，反复进行，实现对各节点温度的在线实时检测。
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