本文關(guān)鍵詞：基于聲表面波的非接觸無線溫度測量系統(tǒng)研究

  更多相關(guān)文章： SAW諧振器 FPGA 溫度傳感 諧振頻率 非接觸測量 實時監(jiān)控

【摘要】：隨著現(xiàn)代工業(yè)與科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,在許多特殊領(lǐng)域,對溫度測量技術(shù)提出了新的要求。傳統(tǒng)的液體溫度計、熱電偶溫度傳感器、比色溫度計、紅外測溫儀等測量方法,無法很好地適用于某些特定領(lǐng)域的溫度非接觸實時測量。因此,研究發(fā)展新型的溫度測量技術(shù)及系統(tǒng),不僅具有重要的學(xué)術(shù)意義,而且在諸多領(lǐng)域具有廣泛的實用價值。近年來,國內(nèi)外開展了將聲表面波(SAW)器件用于無線傳感技術(shù)的研究,其中,利用SAW器件的諧振頻率隨溫度變化的特性,可以實現(xiàn)溫度的非接觸無線測量。為此,本文將SAW諧振器和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)相結(jié)合,開展了基于SAW諧振器和FPGA的非接觸實時測溫技術(shù)及系統(tǒng)研究。論文的主要研究內(nèi)容和研究成果如下：本文提出和發(fā)展了一種基于SAW諧振器和FPGA的非接觸實時測溫新方法。該方法采用SAW諧振器作為溫度傳感器,根據(jù)諧振頻率隨溫度變化的特性實現(xiàn)溫度的非接觸實時傳感；利用信號發(fā)射集成芯片與信號接收集成芯片,提高了信號收發(fā)與處理電路的集成度和穩(wěn)定性；首次采用FPGA開發(fā)板,以振幅鍵控方式(ASK)而不是機(jī)械開關(guān)切換的方式,實現(xiàn)發(fā)射信號與接收信號之間的高速切換,并使強(qiáng)發(fā)射信號不再對微弱的接收信號產(chǎn)生干擾,顯著提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和測量性能。研究建立了一套新型的非接觸溫度實時測量與監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由FPGA開發(fā)板、ASK控制端口、信號發(fā)射與功率放大電路模塊、射頻發(fā)射與接收天線、SAW溫度傳感器、信號接收與差頻電路模塊、計算機(jī)及軟件等部分組成。當(dāng)FPGA輸出的ASK控制信號為高電平時,信號發(fā)射電路模塊產(chǎn)生中心頻率約為433MHz的高頻發(fā)射信號,通過功率放大模塊將信號放大到10 mW左右,由工字形天線發(fā)射出去(TS信號);SAW諧振器上的螺旋形天線接收到此信號后,通過叉指換能器(IDT)激勵SAW諧振器產(chǎn)生聲表面波。當(dāng)ASK信號變?yōu)榈碗娖綍r,TS信號瞬間停止發(fā)射,但SAW諧振器諧振產(chǎn)生的聲表面波仍將持續(xù)一小段時間,并通過與SAW諧振器相連的螺旋天線發(fā)射出去,被工字天線接收(RS信號)。信號接收與差頻電路將該信號與本征信號進(jìn)行差頻,得到的中頻信號(IS信號)可以直接由A/D接口采樣輸入到FPGA模塊,并經(jīng)FPGA數(shù)據(jù)處理后傳輸?shù)接嬎銠C(jī),編寫的軟件將IS信號進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),得到頻率fIs；該頻率值與被測對象的溫度一一對應(yīng),據(jù)此即可實時測量和監(jiān)控溫度值。對研制的基于SAW與FPGA的無線溫度測量與監(jiān)控系統(tǒng)開展了性能實驗研究,用恒溫板對不同溫度下SAW溫度傳感器的諧振頻率進(jìn)行測定,實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)可測量的最高溫度達(dá)120℃,諧振頻率一溫度系數(shù)平均值為-5.7 kHz/℃,溫度測量分辨率優(yōu)于0.50℃。利用該系統(tǒng)對大功率激光器的溫度進(jìn)行了非接觸實時測量與監(jiān)控,得到滿意的實驗結(jié)果,證明該系統(tǒng)具有非接觸、實時、精度高等優(yōu)點(diǎn),為實現(xiàn)光電、機(jī)電、機(jī)械、電力電子等設(shè)備的實時溫度測量、監(jiān)控及安全報警等提供了新的方法與途徑。
【關(guān)鍵詞】：SAW諧振器 FPGA 溫度傳感 諧振頻率 非接觸測量 實時監(jiān)控
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH811
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-20
• 1.1 溫度測量技術(shù)概述12-14
• 1.1.1 傳統(tǒng)的測溫技術(shù)12-13
• 1.1.2 典型的特種測溫技術(shù)13-14
• 1.2 聲表面波(SAW)器件及其應(yīng)用簡介14-17
• 1.2.1 SAW器件簡介14-15
• 1.2.2 SAW器件的研究應(yīng)用現(xiàn)狀15-16
• 1.2.3 基于SAW器件的測溫技術(shù)16-17
• 1.3 本論文的主要研究內(nèi)容17-20
• 第二章 聲表面波諧振器及其非接觸溫度測量原理20-28
• 2.1 聲表面波的基本理論20-21
• 2.2 SAW諧振器的組成21-23
• 2.2.1 壓電材料21
• 2.2.2 叉指換能器21-22
• 2.2.3 反射柵22-23
• 2.3 SAW諧振器的分類及選擇23-25
• 2.3.1 延遲線型SAW諧振器23-24
• 2.3.2 諧振型SAW諧振器24-25
• 2.4 基于諧振型SAW諧振器的非接觸測溫原理25-28
• 第三章 基于SAW諧振器的無線溫度測量新方法研究28-40
• 3.1 總體方案設(shè)計28-29
• 3.2 射頻發(fā)射與接收技術(shù)29-30
• 3.2.1 射頻技術(shù)29
• 3.2.2 射頻識別29-30
• 3.2.3 聲表面波射頻收發(fā)技術(shù)30
• 3.3 信號發(fā)射與接收單元30-32
• 3.3.1 信號發(fā)射與功放模塊30-31
• 3.3.2 信號接收與差頻模塊31-32
• 3.4 天線與輻射場基本理論32-34
• 3.4.1 天線概念及基本參數(shù)32-33
• 3.4.2 天線工作原理與輻射場的產(chǎn)生33-34
• 3.4.3 發(fā)射天線與接收天線34
• 3.5 FPGA信號控制方法34-36
• 3.6 FFT變換與信號處理36-40
• 第四章 基于SAW諧振器與FPGA的無線溫度測量系統(tǒng)研制40-54
• 4.1 基于SAW諧振器的溫度傳感器制作40-41
• 4.2 射頻發(fā)射及功放電路設(shè)計41-43
• 4.2.1 射頻發(fā)射電路41-42
• 4.2.2 PW450功放電路42-43
• 4.3 射頻信號接收與差頻電路研制43-46
• 4.4 FPGA控制模塊及A/D電路設(shè)計46-48
• 4.4.1 FPGA控制模塊46-47
• 4.4.2 A/D電路設(shè)計47-48
• 4.5 信號控制與溫度實時測量軟件48-54
• 4.5.1 FPGA編程48-50
• 4.5.2 溫度實時測量軟件設(shè)計50-54
• 第五章 新型無線溫度測量系統(tǒng)的性能測試及應(yīng)用實驗54-64
• 5.1 SAW諧振器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)測量54-56
• 5.1.1 光學(xué)顯微圖54-55
• 5.1.2 AFM圖55-56
• 5.2 電路性能測試實驗56-58
• 5.2.1 發(fā)射及功放電路測試56
• 5.2.2 接收與差頻電路測試56-57
• 5.2.3 FPGA控制模塊及A/D電路調(diào)試57-58
• 5.3 系統(tǒng)的總體調(diào)試58-60
• 5.3.1 SAW溫度傳感器的標(biāo)定方法58
• 5.3.2 利用恒溫板的標(biāo)定實驗58-60
• 5.4 大功率激光器的溫度測量與監(jiān)控實驗60-64
• 第六章 總結(jié)與展望64-66
• 6.1 研究工作總結(jié)64
• 6.2 展望64-66
• 參考文獻(xiàn)66-70
• 附錄 英文縮寫對照表70-72
• 作者簡介72
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文72

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：980475