CN205317367U - 一种基于表面声波的无源无线温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于表面声波的无源无线温度传感器，表面声波传感器能够将电磁波和声表面波相互转换，实现机电能量互换，表面声波组件将天线的电磁能直接高效转换为声能进行传收。同时，利用零中频接收机单元测量振荡频率偏移值，进一步与微控制单元MCU根据与振荡频率偏移值之间的关系，而确定待测温度值。采用直接数字频率合成器DDS模块和锁相环PLL倍频结合的方式，为微控制单元MCU提供灵活的射频载波。零中频接收机单元，一步到位的将频偏提取出来，简化了频偏测量。控制器收发信机采用TDD（时分双工）结构，避免了使用昂贵的FDD双工器，降低了成本。

Description

一种基于表面声波的无源无线温度传感器

技术领域

本实用新型涉及温度检测设备领域，尤其涉及一种基于表面声波的无源无线温度传感器。

背景技术

在工业、电力行业中，电气设备运行过程中，温度的过高或过低均意味着故障产生的可能性。传统有源有线温度测量方式周期长、施工复杂、效率低、不便管理。

在传感器技术迅速发展的今天，对于许多应用的特殊场合，传感器和被测单元间的联机通常是无法实现的，例如，用联机传感器进行旋转、电刷、电机转子和许多运动物体的参量测量时，会产生许多的机械问题和电路问题，会出现中断、噪声，甚至根本无法进行测量。再如，直升飞机旋转时螺旋桨尖端速度和角速度的测量，汽车碰撞时车内加速度的测量，汽车轮胎内部压力、温度和摩擦的测量等，也是不能采用联机的方式，因此，必须采用无线传感器来实现测量。无线测温可解决分散、环境封闭等不便于布线的问题。目前，无线温度传感器主要以有源无线传感器为主，这种传感器收发距离非常远，可用各种电路，控制和处理方便灵活。然而，对于许多不能提供电源，需长期监测的场合，或电池不易更换的传收位置和易燃易爆等危险场合的应用，这种有源无线传感器显然不适用。

无线传感器按供能方式不同可分为两种：主动式和被动式传感器。前者由于有电池等电源供电，传收距离远，可采用各种电路，控制和处理方便、灵活，目前已广泛应用。然而，对于许多不能提供电源，需长期监测的场合，或电池不易更换的位置和易燃易爆等危险场合的应用，这种主动式的无线传感器显然不实用。被动式传感器没有电源（如电池）直接供电，它是靠电磁波的能量维持传感器的工作。该类传感器根据能量耦合方式又可分为两类：电感线圈耦合型和天线型。采用线圈等电磁耦合方式，能量主要集中在线圈中心很近的区域，其发射与接收的距离很近，1米的距离已是耦合极限，1米以上的远距离系统更是非常罕见。并且，耦合的电能直接提供给传感器和处理电路，因此，要求发射的能量非常大。天线型传感器采用天线收集空间的电磁能量，然后高效地转化为其它形式的能量，如电源、声波等。天线型传感器能感测各种物理量的大小，调制后的信号通过天线高效地转化成电磁能量发送给远程的接收系统，实现被动式无线的传收和测量。由于能量转换方式的不同，理论上它比电感耦合的传感器有更远的测量距离。

目前，表面声波组件是将天线的电磁能直接、高效转换为声能进行发射与接收的最佳组件之一。但是射频载波的产生通常需要混频器，但是在433MHzISM频段上，如果采用混频器设计，则会有很多缺点，例如修改频点不灵活。在无源测温系统控制器中，需要将接收信号相对于发射信号的频偏测量后出来。通常的方法是使用混频器获得基带信号，然后测量信号带宽。但是这种方法需要低噪放大器以及射频滤波器等分立元器件，增加了系统的成本与复杂度。同时由于发射载波与接收载波之间存在频偏，可以使用FDD（频分双工）结构同时进行信号的发射与接收，但是需要昂贵的双工器。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种可直接提取频偏，基于表面声波的无源无线温度传感器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种基于表面声波的无源无线温度传感器，包括表面声波传感器，所述表面声波传感器与带通滤波器BPF或零中频接收机单元连接其特征在于，零中频接收机单元和与零中频接收机单元输出端依次连接的A/D转换器、微控制单元MCU、射频载波生成单元、功率放大器PA和带通滤波器BPF，所述射频载波生成单元输出端与零中频接收机单元输入端连接。

作为上述技术方案的改进，所述零中频接收机单元包括低噪放大器LNA、混频器Mixer和低通滤波器LPF。

作为上述技术方案的改进，所述射频载波生成单元包括直接数字频率合成器DDS和锁相环PLL，所述锁相环PLL输出端与所述混频器Mixer连接。

作为上述技术方案的改进，所述直接数字频率合成器DDS包括相位累加器、波形存储器ROM、D／A转换器和滤波器。

作为上述技术方案的改进，所述锁相环PLL包括鉴相器PD、低通滤波器LPF和压控振荡器VCO。

作为上述技术方案的改进，所述微控制单元MCU的收发信机采用时分双工TDD结构。

本实用新型的有益效果有：

一种基于表面声波的无源无线温度传感器，天线收集空间中特定频段的电磁能，然后高效地转化为其他形式的能量，如电源、声波等。由于压电效应和逆压电效应，表面声波传感器能够将电磁波和声表面波相互转换，实现机电能量互换，表面声波组件将天线的电磁能直接高效转换为声能进行传收。同时，利用零中频接收机单元测量振荡频率偏移值，进一步与微控制单元MCU根据与振荡频率偏移值之间的关系，而确定待测温度值。采用直接数字频率合成器DDS模块和锁相环PLL倍频结合的方式，为微控制单元MCU提供灵活的射频载波。零中频接收机单元，一步到位的将频偏提取出来，简化了频偏测量。控制器收发信机采用TDD（时分双工）结构，避免了使用昂贵的FDD双工器，降低了成本。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步说明，其中：

图1是本实用新型实施例的系统结构图；

图2是本实用新型实施例的直接数字频率合成器DDS示意图；

图3是本实用新型实施例的锁相环PLL示意图。

具体实施方式

参见图1，一种基于表面声波的无源无线温度传感器，包括表面声波传感器7，所述表面声波传感7与带通滤波器BPF4连接或者与零中频接收机5连接，其特征在于，与零中频接收机单元5输出端依次连接有A/D转换器6、微控制单元MCU1、射频载波生成单元2、功率放大器PA3和带通滤波器BPF4，所述射频载波生成单元2输出端与零中频接收机单元5输入端连接。

所述零中频接收机单元5，用于接收表面声波传感器7的接收载波并提取发射载波与接收载波之间的频偏测量。零中频接收机单元5包括依次连接的低噪放大器LNA51、带通滤波器BPF52和混频器Mixer53和低通滤波器LPF54，利用其中的低噪放大器51、混频器53以及低通滤波器LPF54，直接构成零中频接收机，一步到位的将频偏提取出来，简化了频偏测量。

进一步参考图2和图3，所述射频载波生成单元2，用于提供射频载波，从而激励所述表面声波传感器7产生了接收载波；所述微控制单元MCU1，用于根据频偏测量计算出接收载波频率，再将计算出接收载波频率换算为温度值。射频载波生成单元2包括直接数字频率合成器DDS21和锁相环PLL22，所述锁相环PLL22输出端与所述混频器Mixer52连接。直接数字频率合成器DDS21包括相位累加器211、波形存储器ROM212、D／A转换器213和滤波器214。所述锁相环PLL22包括鉴相器PD221、低通滤波器LPF222和压控振荡器VCO223。

其工作原理为：相位累加器211由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲fs，加法器将频率控制字k与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字k相加。这样，相位累加器211在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。相位累加器211在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器211输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是DDS21输出的信号频率。用相位器211输出的数据作为波形存储器ROM212的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到D／A转换器213，D／A转换器213将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。滤波器214用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。鉴相器221检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成Vd(t)电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波222后形成压控振荡器223的控制电压Vc(t)，对压控振荡器223输出信号Vo(t)的频率实施控制，为微控制单元MCU提供了灵活的射频载波，同时这个载波也提供给控制器接收机混频使用

微控制单元MCU1，用于控制射频载波生成单元2发射射频载波并根据频偏测量计算出接收载波频率，再将计算出接收载波频率换算为温度值，其收发信机采用TDD（时分双工）结构，避免了使用昂贵的双工器，降低了控制器的成本。

以上所述，只是本实用新型的较佳实施方式而已，但本实用新型并不限于上述实施例，只要其以任何相同或相似手段达到本实用新型的技术效果，都应属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于表面声波的无源无线温度传感器，包括表面声波传感器（7），所述表面声波传感器（7）与带通滤波器BPF（4）或零中频接收机单元（5）连接，其特征在于，所述零中频接收机单元（5）输出端依次连接有A/D转换器（6）、微控制单元MCU（1）、射频载波生成单元（2）、功率放大器PA（3）和带通滤波器BPF（4），所述射频载波生成单元（2）输出端与零中频接收机单元（5）输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于表面声波的无源无线温度传感器，其特征在于，所述零中频接收机单元（5）包括依次连接的低噪放大器LNA（51）、带通滤波器BPF(52)和混频器Mixer（53）和低通滤波器LPF（54）。

3.根据权利要求2所述的一种基于表面声波的无源无线温度传感器，其特征在于，所述射频载波生成单元包括直接数字频率合成器DDS（21）和锁相环PLL（22），所述锁相环PLL（22）输出端与所述混频器Mixer（53）连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于表面声波的无源无线温度传感器，其特征在于，所述直接数字频率合成器DDS（21）包括依次连接的相位累加器（211）、波形存储器ROM（212）、D／A转换器（213）和滤波器（214）。

5.根据权利要求3所述的一种基于表面声波的无源无线温度传感器，其特征在于，所述锁相环PLL（22）包括鉴相器PD（221）、低通滤波器LPF（222）和压控振荡器VCO（223）。

6.根据权利要求1所述的一种基于表面声波的无源无线温度传感器，其特征在于，所述微控制单元MCU（1）的收发信机采用时分双工TDD结构。