畢業(yè)論文-基于SAW溫度傳感器的高壓電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

HUNANUNIVERSITY畢業(yè)論文論文題目基于SAW溫度傳感器的高壓電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)專業(yè)班級(jí)2011級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化1班學(xué)院名稱電氣信息與工程學(xué)院指導(dǎo)老師學(xué)院院長(zhǎng)2015年月日2015年月日I頁(yè)第1章緒論1.1高壓電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)的目的和意義近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活水平的飛速提高，社會(huì)對(duì)安全用電、優(yōu)質(zhì)用電、經(jīng)濟(jì)用電有著越來(lái)越高的要求。一個(gè)安全穩(wěn)定的電網(wǎng)系統(tǒng)是社會(huì)穩(wěn)定、工業(yè)生產(chǎn)和居民生活的重要保障。而保障電力設(shè)備的安全運(yùn)行則是電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。設(shè)備運(yùn)行溫度是反映電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，是設(shè)備制造、環(huán)境污染、設(shè)備老化、觸點(diǎn)氧化、內(nèi)部故障、過(guò)電流等各種因素影響的綜合反映。在實(shí)際工作環(huán)境中，長(zhǎng)期的大電流、高電壓、高負(fù)荷甚至某些設(shè)備缺陷使得電力設(shè)備的溫度異常升高[2]。在過(guò)高的溫度下運(yùn)行將會(huì)造成設(shè)備電氣性能、物理性能和力學(xué)性能的劣化。其溫度異常如果沒有被及時(shí)監(jiān)測(cè)診斷或者是采取措施控制，設(shè)備的絕緣將遭到嚴(yán)重破壞，從而大大縮短設(shè)備的正常壽命，并且故障會(huì)逐漸發(fā)展，最終將導(dǎo)致發(fā)生事故甚至造成設(shè)備損壞和人員的傷亡，影響整個(gè)電力系統(tǒng)的工作運(yùn)行，造成巨大損失。多年來(lái)沒能有效監(jiān)測(cè)這些發(fā)熱部位的溫度給電網(wǎng)安全埋下了隱患。通過(guò)電力設(shè)備運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確、及時(shí)的測(cè)出系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度能更加有力地保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，提高電力電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)效率。1.2高壓電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀目前常見的用于高壓開關(guān)柜測(cè)溫方法主要有以下四種：（1）示溫記錄標(biāo)簽法示溫記錄標(biāo)簽法利用“示溫蠟片”的顏色隨溫度的不同而變化特性進(jìn)行溫度的判斷。將“示溫蠟片”貼在要進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)，“示溫蠟片”的顏色將隨著該節(jié)點(diǎn)的溫度變化而變化，由此得到節(jié)點(diǎn)的溫度信息[3]。示溫記錄標(biāo)簽法成本低、結(jié)構(gòu)輕巧、使用方便，適合于那些普通溫度計(jì)難以測(cè)量的電氣設(shè)備，方便巡檢人員發(fā)現(xiàn)潛在故障。但其測(cè)量精度低，依靠人眼去識(shí)別溫度，可靠性不高，不能用于在線監(jiān)測(cè)，且在運(yùn)行當(dāng)中“示溫蠟片”容易脫落，后期維護(hù)巡視工作量大，維護(hù)時(shí)需停運(yùn)相關(guān)設(shè)備，隱形成本不易估計(jì)。（2）紅外測(cè)溫法紅外測(cè)溫技術(shù)始于20世紀(jì)60年代的瑞典，其原理為：當(dāng)物體表面溫度高于絕對(duì)零度都會(huì)向外輻射紅外熱量，且熱量與溫度成正比[3]。利用紅外探測(cè)器能捕捉并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，探測(cè)器電路通過(guò)分析電信號(hào)來(lái)判斷紅外光輻射的強(qiáng)弱，然而輻射的紅外光與其表面溫度有關(guān)，故探測(cè)器可以檢驗(yàn)出物體溫度。紅外測(cè)溫法具有遠(yuǎn)距離、不接觸、不取樣、不解體、測(cè)量準(zhǔn)確快速等優(yōu)點(diǎn)，能檢測(cè)出設(shè)備細(xì)微的熱狀態(tài)變化，準(zhǔn)確反映出設(shè)備內(nèi)部、外部的發(fā)熱情況，可靠性高，對(duì)發(fā)現(xiàn)帶電設(shè)備隱患非常有效。但隨著開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，紅外線容易被遮擋，使得其測(cè)溫范圍受到限制，此外，紅外測(cè)溫儀成本昂貴，需要測(cè)量的節(jié)點(diǎn)又多，使得紅外測(cè)溫法不適于在線監(jiān)測(cè)。（3）光纖測(cè)溫法光纖測(cè)溫法有兩種使用方式：一種是利用半導(dǎo)體溫度傳感器作為探頭，利用光纖作為信號(hào)傳輸介質(zhì)，但由于半導(dǎo)體溫度傳感器的抗干擾能力太差，使用的非常少；另一種是利用光纖的拉曼散射及布拉格效應(yīng)直接將光纖作為傳感器使用，其基本原理是光源發(fā)出的光經(jīng)調(diào)制后，通過(guò)光纖到達(dá)傳感器，傳感器反射回一個(gè)與自身溫度相對(duì)應(yīng)的脈沖光信號(hào)，信號(hào)處理部分對(duì)返回的信號(hào)進(jìn)行濾波采樣和分析，從而測(cè)出溫度信息[4]。光纖具有耐腐蝕性、絕緣強(qiáng)度高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境下使用。但光纖測(cè)溫屬于接觸性方法，光纖易折斷的缺點(diǎn)使得安裝和維護(hù)十分不方便，使用范圍也受到局限。（4）有源無(wú)線測(cè)溫法有源無(wú)線測(cè)溫法采用熱電偶溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，溫度信號(hào)通過(guò)無(wú)線方式傳輸?shù)浇K端監(jiān)測(cè)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。有源無(wú)線測(cè)溫法測(cè)量精度高，成本低，適合于在線監(jiān)測(cè)方案。但采用這種測(cè)溫系統(tǒng)，需要解決的是高壓側(cè)測(cè)溫裝置的供電問(wèn)題以及數(shù)據(jù)傳輸抗干擾特性這兩個(gè)問(wèn)題，其使用范圍也受到限制。四種常見測(cè)溫方式效果對(duì)比如表1.1所示：表1.1測(cè)溫效果對(duì)比測(cè)溫方式示溫記錄標(biāo)簽法紅外測(cè)溫法光纖測(cè)溫法有源無(wú)線測(cè)溫法接觸方式接觸不接觸接觸接觸測(cè)量精度低高一般高觀測(cè)局限性人工目視人工巡檢無(wú)局限無(wú)局限在線監(jiān)測(cè)不可以可以可以可以安裝難度易--難一般維護(hù)難度難--難較難成本最低高高較低從以上分析中可以看出，常規(guī)的測(cè)溫方法都有一定的局限性，為實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)柜內(nèi)溫度的在線監(jiān)測(cè)，提高整個(gè)電力行業(yè)電力設(shè)備安全運(yùn)行的可靠性和電氣設(shè)備維護(hù)水平，降低巡檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，尋找一種新型的無(wú)源無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)十分重要。1.3聲表面波以及聲表面波的激發(fā)與傳播特性聲表面波(surfaceacousticwave，SAW)，泛指在彈性體自由表面產(chǎn)生并沿著表面或界面?zhèn)鞑サ母鞣N模式的波，其在大多數(shù)固體中傳播的速度為2000～10000m/s,比電磁波低了4～5個(gè)等級(jí)，其中85%的能量沿固體的表面?zhèn)鬟f。在實(shí)際應(yīng)用中，一般是在壓電基片材料上激勵(lì)和傳播聲表面波，比較常用的有勒夫波，瑞利波[5]。瑞利波的傳播速度由傳播載體的物理參數(shù)所決定，而與其振動(dòng)頻率無(wú)關(guān),是一種無(wú)色散的波，瑞利波的波速近似計(jì)算為（1.1）式中，為材料的泊松比；為媒質(zhì)中體切變波的波速。利用聲表面波來(lái)傳播和處理信號(hào)的技術(shù)稱為聲表面波技術(shù)，是20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來(lái)的一種新興的技術(shù)，是材料學(xué)、聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合的一門交叉學(xué)科。聲表面波在發(fā)現(xiàn)后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都沒有引起足夠的重視，直到1965年加利福尼亞大學(xué)的懷特(White)和沃爾特默(Voltmer)[6]發(fā)明叉指換能器以后，聲表面波才引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。最初人們通常采用楔形換能器來(lái)激勵(lì)聲表面波，如圖1.1所示，再聚苯乙烯楔形狀體上安上作厚度振動(dòng)的壓電片時(shí)，縱波再楔形體中傳播，再把振動(dòng)傳播給鋁基片，從而產(chǎn)生聲表面波[7]。后來(lái)一般在壓電基片介質(zhì)上設(shè)置可以產(chǎn)生縱向振動(dòng)或橫向振動(dòng)的振子，使其易于激勵(lì)基片聲表面波，無(wú)論振子以什么方向把振動(dòng)傳遞給基片，再離振源相當(dāng)遠(yuǎn)的地方都能檢測(cè)到聲表面波成分。現(xiàn)在都是在壓電基片上采用叉指換能器直接激勵(lì)聲表面波，以壓電基片本身作為導(dǎo)聲體傳播聲表面波。圖1.1楔形換能器結(jié)構(gòu)示意圖通過(guò)求解彈性體表面的波動(dòng)方程，可以了解聲表面波在壓電晶體表面?zhèn)鞑サ囊话闾匦?。假設(shè)在一個(gè)半無(wú)限大的固體表面，在X3=0的表面以上為真空或空氣，在X3=0的表面下為無(wú)限延伸的固體介質(zhì)，如圖1.2所示。圖1.2聲表面波傳播的坐標(biāo)系由于壓電材料具有壓電效應(yīng)，當(dāng)聲表面波在壓電材料中傳播時(shí)會(huì)出現(xiàn)由誘導(dǎo)電荷產(chǎn)生的電磁波，因此描述聲表面波在壓電材料表面?zhèn)鞑r(shí)需要同時(shí)考慮運(yùn)動(dòng)方程和麥克斯韋(Maxwell)電磁方程。這兩個(gè)方程通過(guò)壓電方程相互耦合。在X1X2平面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌?，彈性介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為(，=1，2，3)（1.2）式中，為媒質(zhì)的體密度；為媒質(zhì)沿方向上的位移；為時(shí)間；為應(yīng)力。壓電材料中，應(yīng)力不僅與應(yīng)變S相關(guān)，還與介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度E有關(guān)。根據(jù)壓電方程有(，，，=1，2，3)（1.3）式中，為電場(chǎng)恒定時(shí)彈性剛度常數(shù)；為應(yīng)變，為壓電常數(shù)。由于聲表面波的傳播速度相對(duì)于電磁波的傳播速度非常低，因此可以用靜電場(chǎng)來(lái)表示與聲表波相耦合的電磁場(chǎng)，用一個(gè)勢(shì)函數(shù)的梯度表示電場(chǎng)強(qiáng)度，如下式（=1，2，3）（1.4）壓電材料中應(yīng)變和質(zhì)點(diǎn)位移的關(guān)系為（，=1，2，3）（1.5）將式1.3、式1.4和式1.5代入式1.2中可得(，，，=1，2，3)（1.6）因?yàn)閴弘娀墙^緣體，自由電荷不存在，故電位移矢量的散度為0，即：或?qū)懗桑?1，2，3）（1.7）又介質(zhì)中的壓電方程為（1.8）式中，為介電常數(shù)。將式1.5和式1.8代入式1.7可得（1.9）式1.6和式1.9就是壓電材料中的耦合方程，通過(guò)求解這組耦合方程可以了解壓電材料中彈性波的性質(zhì)。求解過(guò)程十分復(fù)雜，由文獻(xiàn)可知聲表面波在壓電材料上傳播時(shí)的波方程為(，，，=1，2，3)（1.10）式中，為波傳播方向的方向余弦，為波速，為波的振幅。當(dāng)令（1.11）為壓電介質(zhì)彈性剛度常數(shù)，可得（1.12）式1.12與非壓電介質(zhì)的波方程一致。從上述公式推導(dǎo)的結(jié)果可以看出聲表面波在壓電材料中的一些基本的激勵(lì)和傳播特性[5]：（1）伴隨著聲表面波的傳播，在介質(zhì)表面附近存在一個(gè)相同速度同向傳播的電磁波,該電磁波促使聲表面波和緊鄰半導(dǎo)體中的載流子相互作用，實(shí)現(xiàn)聲表面波的放大和信號(hào)的存儲(chǔ)，并能夠增強(qiáng)信號(hào)的非線性作用。（2）式1.11表明：聲表面波的速度由介質(zhì)的彈性性質(zhì)、壓電性質(zhì)和介電特性共同決定。由于聲表面波本身的特點(diǎn)，聲表面波溫度傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)有：純無(wú)源傳感，成本低，能在惡劣環(huán)境如高壓高溫高濕度下工作；體積?。荒軌蚩闺姶鸥蓴_，可靠性高。因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，使得聲表面波傳感器得到迅速的發(fā)展，分為物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器三大類。1.4國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)自1969年延遲線型振蕩器結(jié)構(gòu)被提出，國(guó)外許多SAW傳感測(cè)量系統(tǒng)采用該方法[8]。2006年，韓國(guó)的KeekeunLee等人設(shè)計(jì)出一種延遲線型SAW溫度傳感器，中心頻率是440MHz，測(cè)溫范圍20℃~120℃，檢測(cè)距離可達(dá)1m[9]。德國(guó)克勞斯大學(xué)的L.Reindl1,I.Shrena1等人設(shè)計(jì)了一種無(wú)線傳感器系統(tǒng)包括SAW轉(zhuǎn)發(fā)器和本地的雷達(dá)收發(fā)機(jī)，通過(guò)分析反向散射脈沖之間的時(shí)間延遲，脈沖之間的相位差可以被消除。整體測(cè)量溫度分辨率精度在±0.2C°，讀出距離可達(dá)6米[10]。德國(guó)的MatthiasHamsch,ReneHoffmann等人在2004年提出對(duì)基于SAW溫度傳感器的溫度測(cè)量系統(tǒng)中的詢問(wèn)器單元進(jìn)行了改造，一種新的測(cè)量裝置被引入用于分析傳感器信號(hào)，其檢測(cè)的諧振型傳感器的共振頻率通過(guò)比較傳感器受到不同刺激頻率所產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)的振幅，新設(shè)備能夠通過(guò)計(jì)算所述諧振器響應(yīng)信號(hào)的傅立葉變換直接測(cè)量諧振頻率[11]。2013年奧地利的AlfredBinder,GudrunBruckner等人提出用SAW延遲線的推導(dǎo)來(lái)測(cè)量溫度，并實(shí)現(xiàn)一個(gè)ID功能。主要結(jié)果是壓力靈敏度為3.7rad/bar與0.013rad/°C溫度漂移。并用傳感器固有的溫度信息來(lái)補(bǔ)償該化合物的溫度漂移[12]。2014年上海電力學(xué)院通過(guò)分析諧振型SAW溫度傳感器的IDT，反射原理并且計(jì)算它們的參數(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)源無(wú)線諧振型SAW溫度傳感器，溫度監(jiān)控范圍在-25°和125°之間，讀取器可以同時(shí)讀取在12個(gè)傳感器的信號(hào)，可應(yīng)用于INTELLISAW[13]。1.5SAW傳感器的原理和結(jié)構(gòu)1.5.1SAW溫度傳感器的測(cè)溫原理由上節(jié)可知，聲表面波溫度傳感器上的波速會(huì)隨環(huán)境變化發(fā)生變化，常見影響因素有質(zhì)量、薄膜電導(dǎo)率、溫度和壓力等[9]，式(1.13)可表示這些因素對(duì)波速的影響：（1.13）其實(shí)，波速的變化率只受一種因素影響最大，因此通過(guò)增強(qiáng)主導(dǎo)因素溫度的影響、減弱其他次要因素的影響，制作出只對(duì)溫度變化敏感的溫度傳感器。波速的變化量和聲表面波傳感器振蕩頻率的變化量之間存在較好的線性關(guān)系，如式（1.14）所示:（1.14）由此，我們可以通過(guò)頻率的變化量來(lái)監(jiān)測(cè)溫度的變化量。1.5.2SAW傳感器的結(jié)構(gòu)一般的SAW傳感器主要由壓電基片、叉指換能器(IDT)以及反射柵等組成[14]。1.壓電基片材料在選擇壓電材料時(shí)，可以比較以下參數(shù)：（1）機(jī)電耦合系數(shù)：表示壓電材料機(jī)械能和電能轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)。計(jì)算如下：（2.6）其中，為壓電晶體自由表面的聲表面波速度，為覆蓋金屬電極的壓電晶體表面的聲表面波速度。（2）壓電常數(shù)：壓電常數(shù)表示了材料的壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱，決定了傳感器的輸出靈敏度。計(jì)算如下式：（2.7）（3）介電常數(shù)[15]：影響壓電材料的固有電容，與傳感器的頻率下限有關(guān)。壓電材料是能發(fā)生壓電效應(yīng)的材料，常用的主要有壓電單晶、壓電陶瓷（壓電多晶）和壓電薄膜這三種[15]。常用壓電基片材料介紹：（1）壓電單晶體壓電單晶體的優(yōu)點(diǎn)是溫度特性好，聲表面波傳播插入損耗小[16]；缺點(diǎn)是價(jià)格貴，常用的有石英、鈮酸鋰，鉭酸鋰[17]等?，F(xiàn)在還出現(xiàn)了GaPO4等類石英材料，與常用的壓電材料相比，這些材料機(jī)電耦合系數(shù)更大、化學(xué)穩(wěn)定性更好。表2.3常用的壓電單晶體性能參數(shù)材料切割方向傳播方向速度（m/s）機(jī)電耦合系數(shù)（%）溫度系數(shù)（1e-06/℃）傳播損耗（dB/cm）（MHz）石英YX31590.22-240.82（1000）石英STX31370.1600.95(1000)鈮酸鋰YZ34854.3-850.31（1000）鈮酸鋰128°yX40005.5-720.26（1000）鉭酸鋰YZ32300.66-350.35（1000）壓電陶瓷壓電陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)電耦合系數(shù)較大，易于加工，與單晶相比，它的價(jià)格低廉。此外，可通過(guò)對(duì)其組成成分的選擇來(lái)調(diào)整包含溫度系數(shù)在內(nèi)的各種性能，甚至有可能得到零溫度系數(shù)的材料。其缺點(diǎn)是因其為多晶材料，又因?yàn)閾p耗正比于粒徑與波長(zhǎng)之比，使得高頻下有較大的損耗。性能重復(fù)性較差[18]，很難達(dá)到SAW器件所需的產(chǎn)品合格率。壓電薄膜在薄膜SAW器件中，壓電薄膜和襯底的特性一起決定SAW傳播特性。隨換能器電極結(jié)構(gòu)和壓電薄膜的厚度的不同，機(jī)電耦合系數(shù)也隨之變化。氧化鋅、硫化鎘等常用來(lái)制成薄膜，其中氧化鋅最為常用，壓電薄膜朝著多層結(jié)構(gòu)發(fā)展[19]，多層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是速度和機(jī)電耦合系數(shù)更大，溫度穩(wěn)定性更好。下表是常用壓電薄膜材料的性質(zhì)對(duì)比。表2.4常用SAW薄膜材料及其性質(zhì)材料制作方法基底材料SAW速度km/s（%）膜厚/波長(zhǎng)溫度系數(shù)ZnO射頻濺射玻璃315ZnO直流濺射熔融石英2.61150.36一ZnOCVD藍(lán)寶石2.8140.8一ZnO射頻濺射藍(lán)寶石59.50.1330CdS真空蒸發(fā)熔融石英1.711.8一一ZnSCVD藍(lán)寶石3.9一0.4一LiNbO3濺射熔融石英3.57.7一0SiO2/ZnO一一91.2一0金剛石一一8.053.9一一2.叉指換能器叉指換能器（interdigitaltransducers，IDT）主要用于在壓電基片表面激勵(lì)和檢測(cè)聲表面波，從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和聲表面波信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換[20]，是SAW器件的核心部件，它具有聲轉(zhuǎn)換效率高、設(shè)計(jì)靈活、容易制作等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛用于聲表面波器件中。叉指換能器IDT，是一種形狀像兩只手的手指相互交叉的在壓電基片表面上通過(guò)半導(dǎo)體平面工藝制作的相互交錯(cuò)的金屬條，典型的IDT結(jié)構(gòu)見圖2.5。圖2.5典型的IDT結(jié)構(gòu)3.聲反射柵聲反射柵是是構(gòu)成SAW傳感器的重要部分，由與叉指換能器平行的柵條組成。這些柵條可以是金屬薄膜,也可是介質(zhì)薄膜或者溝槽。柵條可以是連接在一起形成的短路柵條,也可以是互不相連的開路柵條[12]。如下圖：圖2.6反射柵的主要形式（a）開路金屬柵條（b）短路金屬柵條（c）帶負(fù)載的金屬柵條（d）金屬膜上加金屬柵條（e）介電物質(zhì)形成的柵條（f）離子注入柵條（g）擴(kuò)散金屬條由上所述可知，反射柵作為SAW的選頻器件，對(duì)SAW傳感器的精度和性能影響很大，因此，提高反射柵的精度，可有效減小聲波的反射損耗。（1）布拉格反射當(dāng)聲表面波傳輸至聲反射柵時(shí)，整個(gè)反射柵陣的反射聲波是每根柵條的反射聲波的疊加。反射波之間相位滿足布拉格匹配條件時(shí)，反射波疊加增強(qiáng)。這個(gè)匹配條件為：n=1,2,3...n=1,2,3...（2.9）上式中，ω為布拉格頻率，d為反射柵周期。當(dāng)聲波頻率時(shí)，反射柵陣產(chǎn)生最強(qiáng)的反射波。反射系數(shù)（2.10）式中指金屬鍍膜表面的阻抗，為基片自由表面聲阻，為反射柵的對(duì)數(shù)[21]。根據(jù)方程(2.10)可知,越大反射系數(shù)越大，反射系數(shù)越大，品質(zhì)因數(shù)Q值越大。但當(dāng)反射柵個(gè)數(shù)增加到一定數(shù)量時(shí),反射柵系數(shù)就會(huì)飽和不能再增大。另外，太大,諧振器的尺寸也會(huì)增大,因此應(yīng)該選擇合適的柵條數(shù),使得既可以達(dá)到較強(qiáng)的反射效果,又可以減小傳感器體積。1.6本人的主要工作本課題的背景為將基于SAW的無(wú)線無(wú)源溫度傳感器應(yīng)用到高壓電力設(shè)備的測(cè)溫系統(tǒng)中，從而提高其有效檢測(cè)距離，拓展其研究范圍。主要的研究?jī)?nèi)容有：（1）通過(guò)搜集閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，了解SAW理論、SAW溫度傳感器特性以及SAW傳感器測(cè)溫系統(tǒng)。對(duì)比各類聲表面波傳感器特點(diǎn)，介紹基于SAW的無(wú)源無(wú)線溫度傳感測(cè)試系統(tǒng)的組成。（2）設(shè)計(jì)高頻無(wú)線詢問(wèn)器。高頻詢問(wèn)器的主要功能就是向傳感器發(fā)送間歇正弦信號(hào)并接收回波信號(hào)，當(dāng)詢問(wèn)器發(fā)送激勵(lì)信號(hào)頻率等于傳感器的諧振頻率時(shí)，傳感器將發(fā)生諧振，此時(shí)傳感器的回波信號(hào)最強(qiáng)，并且傳感器的諧振頻率與溫度呈線性關(guān)系。通過(guò)回波信號(hào)的強(qiáng)弱判斷SAW溫度傳感器是否發(fā)生諧振并換算出節(jié)點(diǎn)當(dāng)前溫度。利用DDS芯片和MCU結(jié)合能產(chǎn)生0~100Mhz的可調(diào)正弦波，由于詢問(wèn)器的發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)在180Mhz附近，因此本系統(tǒng)還要利用倍頻和混頻技術(shù)。為判斷傳感器的回波信號(hào)的強(qiáng)弱，可利用包絡(luò)檢波技術(shù)提取回波信號(hào)的包絡(luò)。（3）分析天線系統(tǒng)的工作原理并設(shè)計(jì)天線。介紹代表天線特性的幾個(gè)重要參數(shù)，指出對(duì)于本系統(tǒng)的無(wú)線天線通信系統(tǒng)的重要特性參數(shù)以及測(cè)試方法。由于本系統(tǒng)中需要用到兩種天線，一種是發(fā)射天線，一種是接收天線，二者由于環(huán)境不同，對(duì)天線的性能尺寸要求各有側(cè)重。借助HFSS高頻電磁波仿真軟件對(duì)各種形狀類型的天線進(jìn)行仿真，調(diào)節(jié)天線參數(shù)至天線的中心頻率在180MHz附近，然后建模仿真，對(duì)比分析各天線的性能參數(shù)，從而選出最合適的能滿足兩種應(yīng)用場(chǎng)合需求的天線。（4）系統(tǒng)性能測(cè)試。本系統(tǒng)采用具有無(wú)源無(wú)線特性的SAW溫度傳感器，體積小方便安裝和維護(hù)，比光纖測(cè)溫法安全，比紅外測(cè)溫法精確。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明了該系統(tǒng)的實(shí)用性，說(shuō)明本系統(tǒng)能得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。1.7論文的章節(jié)安排第1章總體介紹本論文，包括高壓電力設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)研究的目的和意義以及目前的測(cè)溫手段。由于本文研究的系統(tǒng)是基于聲表面波傳感器的測(cè)溫系統(tǒng)，因此先介紹了聲表面波的傳播特性。然后對(duì)聲表面波溫度傳感器做出詳細(xì)介紹，包括SAW溫度傳感器的原理、結(jié)構(gòu)，另外對(duì)諧振型和延遲型傳感器進(jìn)行了性能比較。第2章是無(wú)線詢問(wèn)器的設(shè)計(jì)，包括詢問(wèn)器的整體結(jié)構(gòu)框圖、各個(gè)模塊所選擇的芯片以及實(shí)現(xiàn)的功能。第3章主要講該系統(tǒng)中天線的仿真設(shè)計(jì)。先介紹天線的工作原理、重要參數(shù)。對(duì)電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行了簡(jiǎn)介，通過(guò)HFSS仿真比較各天線性能從而選出適合本系統(tǒng)的傳感器天線和詢問(wèn)器天線。第4章是整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，包括系統(tǒng)的溫度-頻率擬合公式、測(cè)量精度以及有效檢測(cè)距離。第5章是對(duì)整體工作的總結(jié)及進(jìn)一步研究工作的展望。第2章無(wú)線詢問(wèn)器硬件設(shè)計(jì)無(wú)線詢問(wèn)器以掃頻的方式向傳感器發(fā)送間歇正弦信號(hào)并接收回波信號(hào)，通過(guò)回波信號(hào)的強(qiáng)弱判斷SAW溫度傳感器是否發(fā)生諧振，由于傳感器的諧振頻率跟襯底的溫度呈線性變化，因此，可以換算出節(jié)點(diǎn)當(dāng)前溫度。MCU模塊控制發(fā)射模塊、接收模塊以及收發(fā)天線三個(gè)部分協(xié)調(diào)工作，發(fā)射模塊主要由DDS模塊、倍頻模塊、可控開關(guān)、RF功放模塊組成，接收模塊主要由帶通濾波器、RF功放模塊、檢波模塊、AD模塊組成，無(wú)線詢問(wèn)器的結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。圖2.1無(wú)線詢問(wèn)器的結(jié)構(gòu)圖無(wú)線詢問(wèn)器工作過(guò)程分為發(fā)射周期和接收周期，首先收發(fā)開關(guān)連接發(fā)射端，DDS模塊產(chǎn)生一個(gè)高頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)倍頻濾波放大之后通過(guò)天線將激勵(lì)信號(hào)輻射出去，完成發(fā)射周期任務(wù)，隨即將收發(fā)開關(guān)轉(zhuǎn)換至接收端開始接收SAW溫度傳感器的回波信號(hào)，回波信號(hào)經(jīng)放大后再通過(guò)包絡(luò)檢波和AD采樣，MCU根據(jù)AD采樣的數(shù)據(jù)判別回波信號(hào)的強(qiáng)度，然后改變DDS模塊產(chǎn)生信號(hào)的頻率重復(fù)如上步驟，激勵(lì)信號(hào)的頻率從179.13MHz~180.81MHz變化，每次變化步長(zhǎng)10kHz，當(dāng)回波信號(hào)最強(qiáng)的頻率即為傳感器的諧振器的諧振頻率。2.1MCU模塊選用ATMEL公司的功耗較低的8位AVR微處理器ATMEGA32單片機(jī)作為無(wú)線詢問(wèn)器的主控芯片，其主要的產(chǎn)品特點(diǎn)有：先進(jìn)的精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)131條指令：指令執(zhí)行時(shí)間一般是單個(gè)時(shí)鐘周期全靜態(tài)工作在16MHz工作時(shí)，性能達(dá)16MIPS（單字長(zhǎng)定點(diǎn)指令平均執(zhí)行速度）8位通用工作寄存器，32個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和非易失性程序系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash32K字節(jié)，擦寫壽命：10000次可選Boot代碼區(qū)有獨(dú)立鎖定位，片上Boot程序可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程同時(shí)讀寫操作1024字節(jié)的帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器，擦寫壽命:100000次可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密外設(shè)特點(diǎn)兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC四通道PWM8路10位ADC2個(gè)具有可編程增益（1x,10x,或200x）的差分通道可編程的串行USART可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器片內(nèi)模擬比較器工作電壓：4.5-5.5V速度等級(jí)：0-16MHzATMEGA32單片機(jī)足夠滿足無(wú)線詢問(wèn)器對(duì)MCU的要求，其最小系統(tǒng)電路圖如圖2.2所示。圖2.2ATMEGA32單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖2.2DDS模塊DDS是直接數(shù)字式頻率合成器(DirectDigitalSynthesizer)的英文縮寫。DDS同DSP(數(shù)字信號(hào)處理)一樣，也是一項(xiàng)關(guān)鍵的數(shù)字化技術(shù)[22]。DDS芯片中主要分為頻率控制寄存器、正弦計(jì)算器和高速相位累加器三個(gè)部分[23]。頻率控制寄存器裝載并寄存用戶輸入的頻率控制碼以串行或并行的方式；而相位累加器依據(jù)頻率控制碼在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行相位累加，得到一個(gè)相位值；正弦計(jì)算器對(duì)該相位值計(jì)算數(shù)字化正弦波的幅值。由于DDS芯片輸出的一般是數(shù)字化正弦波，因此要得到一個(gè)可用的模擬頻率信號(hào)，還需高速D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器的轉(zhuǎn)換。有些DDS芯片還具有調(diào)制功能如調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相等。體積小、重量輕的DDS芯片便于集成，主要優(yōu)點(diǎn)為：可以根據(jù)系統(tǒng)需求產(chǎn)生任意波形；頻率分辨率高、頻率切換速度快、頻率切換時(shí)相位連續(xù)；另外，輸出相位噪聲比較低，可以改善參考頻率源的相位噪聲。在測(cè)試應(yīng)用中，信號(hào)源是非常重要的。不同信號(hào)源應(yīng)根據(jù)各自的功能和特性用于不同方面。常見信號(hào)源有：函數(shù)發(fā)生器，波形發(fā)生器，RF信號(hào)源，以及基本的模擬輸出模塊[24]。在當(dāng)前的測(cè)試測(cè)量行業(yè)，信號(hào)源中采用DDS技術(shù)已經(jīng)非常普遍[25]。ADI(AnalogDevices,Inc，亞德諾半導(dǎo)體)公司是行業(yè)內(nèi)生產(chǎn)DDS芯片的巨頭，其常用的DDS芯片選用列表如表2.1所示。表2.1ADI的常用DDS芯片選用列表本設(shè)計(jì)中從信號(hào)頻率要求、研發(fā)成本以及研發(fā)難度等方面綜合考慮，選用AD9854芯片作為信號(hào)產(chǎn)生芯片。AD9854是高度集成化芯片，采用先進(jìn)的DDS技術(shù)，結(jié)合內(nèi)部高速、高性能D/A轉(zhuǎn)換器和比較器，以形成頻率合成功能。AD9854主要功能有：內(nèi)部時(shí)鐘300MHz五種工作模式：FSK、BPSK、chirp、AM2個(gè)集成的12位D/A轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)性能：在100MHz輸出時(shí)仍具有80dBSFDR采用單端或差分參考時(shí)鐘輸入內(nèi)含4~20倍可編程參考時(shí)鐘倍頻器帶有雙向48位可編程頻率寄存器和雙向14位可編程相位寄存器允許輸出的信號(hào)頻率高達(dá)150MHZ，而數(shù)字調(diào)制輸出頻率可達(dá)100MHZ具有多路低功耗功能采用3.3V供電AD9854的電路圖如圖2.3所示。圖2.3AD9854電路圖AD9854的時(shí)鐘輸入端外接30MHz的有源晶振，從而保證芯片對(duì)時(shí)鐘源的需求；AD9854的數(shù)據(jù)端口、地址端口以及信號(hào)控制端口均與單片機(jī)相連，這樣單片機(jī)隨時(shí)控制其產(chǎn)生的信號(hào)的頻率；另外，對(duì)AD9854的輸出信號(hào)均采用橢圓濾波，從而能獲得更窄的過(guò)渡帶寬和較小的阻帶波動(dòng)。2.3倍頻模塊由于AD9854模塊產(chǎn)生的正弦信號(hào)最大不能超過(guò)100MHz，而本系統(tǒng)采用的SAW溫度傳感器的諧振頻率在180MHz左右，故需要對(duì)AD9854模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行2倍頻。常用的倍頻方法有：參量倍頻器、三極管倍頻器、鎖相倍頻器、三極管倍頻器、階躍二級(jí)管倍頻器等。本系統(tǒng)只需2倍頻，為得到穩(wěn)定可靠的2倍頻電路，采用ADI公司的乘法器AD834組成2倍頻電路。AD834芯片是目前最快的四象限乘法器，可用帶寬超過(guò)500MHz。同時(shí)AD834并未犧牲精度來(lái)實(shí)現(xiàn)速度，與所有ADI乘法器一樣，該器件在制造過(guò)程中使用激光調(diào)整對(duì)輸入輸出失調(diào)執(zhí)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，建立精確縮放，典型應(yīng)用中，總靜態(tài)誤差可保持在±0.5以下。AD834采用滿幅度為±1V的差分電壓輸入和滿幅度±4mA的差分電流輸出，為了盡可能維持最高帶寬，AD834輸出采用開路集電極差分對(duì)流形式，當(dāng)需要較傳統(tǒng)的接地基準(zhǔn)電壓輸出時(shí)，這一形式很不方便，這也是使用AD834的主要挑戰(zhàn)，其作為2倍頻電路的電路圖如圖2.4所示。圖2.4AD8342倍頻電路的電路圖AD9854模塊能夠同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)相位相差90°的正弦信號(hào)，將這兩個(gè)信號(hào)作為Signal1和Signal2輸入，就可以產(chǎn)生不含雜波分量的倍頻信號(hào)，同時(shí)在信號(hào)輸入端接一個(gè)51Ω的下拉電阻(R1、R2)以實(shí)現(xiàn)50Ω的阻抗匹配，電容C1、C2為隔直電容。電源采用±6V供電，此12V電壓經(jīng)過(guò)50Ω的電阻R3和5.1Ω的電阻R4分壓后，實(shí)際加在AD834上的電壓只有11V左右。AD834要求加在W1和W2上的靜態(tài)電壓要略高于引腳VP上的電壓，故取集電極電阻R5和R6的值略低于去耦電阻R3的值，如49.9Ω。由于VP靜態(tài)電流約為30mA，因此在引腳VP和-6V之間串接一個(gè)5.1Ω的小電阻R4能夠獲得大約150mV的壓降，這樣做的目的在于消除引腳電感以及去耦電容可能產(chǎn)生的寄生振蕩。電容C1、C2為隔直電容。本設(shè)計(jì)采用傳輸線變壓器作為雙端到單端的變換器件。2.4可控開關(guān) 如果回波信號(hào)的幅度較小，在經(jīng)過(guò)功率收發(fā)開關(guān)時(shí)，泄漏的激勵(lì)信號(hào)與回波信號(hào)將產(chǎn)生混頻，回波信號(hào)的質(zhì)量將會(huì)下降。為減少不利影響，在RF功放前端增加了可控電子開關(guān)，從而增加在接收周期對(duì)激勵(lì)信號(hào)的隔離[26]。 選用ADI公司的模擬電子開關(guān)芯片ADG601，ADG601為單芯片CMOS單刀單擲(SPST)開關(guān)，導(dǎo)通電阻典型值小于2.5Ω，帶寬高達(dá)180MHz。低導(dǎo)通電阻平坦度使ADG601適合許多應(yīng)用，尤其是要求低失真的應(yīng)用。這些開關(guān)比機(jī)械繼電器更可靠，功耗更低，封裝尺寸更小，因此是機(jī)械繼電器的理想替代產(chǎn)品。輸入信號(hào)范圍可擴(kuò)展至供電電壓范圍。ADG601內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.5所示，D為數(shù)字控制端，IN為信號(hào)輸入端，S為信號(hào)輸出端。圖2.5ADG601內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.5RF功放模塊功放芯片選用ADI公司的AD8353，AD8353是一款工作頻率為1MHz至2.7GHz的寬帶、固定增益、線性放大器。這款器件設(shè)計(jì)用于種類廣泛的各種無(wú)線設(shè)備，包括蜂窩、寬帶、CATV和LMDS/MMDS應(yīng)用。AD8535的主要特點(diǎn)：固定增益：20dB工作頻率：1MHz至2.7GHz線性輸出功率高達(dá)9dBm輸入/輸出在模塊內(nèi)部匹配到50Ω溫度和電源穩(wěn)定噪聲指數(shù)：5.3dB電源：3V或5VAD8353的工作電路圖如圖2.6所示，圖2.6AD8353的工作電路圖電路中采用2.7V單電源5.5V供電，并且在輸入端通過(guò)并聯(lián)連接一個(gè)0.47μF和一個(gè)100pF的電容對(duì)電源進(jìn)行去耦，C1、C2用于隔斷直流的作用，L1是一個(gè)RF扼流圈，當(dāng)VP=3V時(shí)用來(lái)增加通過(guò)輸出級(jí)的電流，當(dāng)VP=5V時(shí)不推薦使用。2.6收發(fā)開關(guān)射頻、微波開關(guān)在現(xiàn)代通信、雷達(dá)中運(yùn)用廣泛，它主要分反射式和吸收式兩種，反射式在隔離狀態(tài)下，信號(hào)將發(fā)生全反射，電壓駐波比理論值為無(wú)窮大，這個(gè)缺點(diǎn)使得反射式的運(yùn)用收到了很大的限制，而吸收式射頻開關(guān)具有在傳輸、隔離狀態(tài)下支路信號(hào)保持端口匹配的特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)性能。選用ADI公司的吸收式RF開關(guān)AD918，AD918寬帶從DC至2GHz；高關(guān)斷隔離：43dB(1GHZ)；低插入損耗：1dB（DC至900MHz）；AD918的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.7所示，CTRL為邏輯控制端口，RFC為射頻開關(guān)公共端，RF1與RF2為射頻開關(guān)分接頭。圖2.7AD918的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能，IF頻段內(nèi)插入損耗相對(duì)于頻率必須保持平坦。ADG918開關(guān)在整個(gè)電源電壓和溫度范圍內(nèi)的插入損耗與頻率的關(guān)系曲線非常平坦。關(guān)斷隔離是RF開關(guān)的另一個(gè)非常重要的參數(shù)，ADG904-R具有出色的關(guān)斷隔離特性，200MHz以下時(shí)其值大于?50dB。2.7帶通濾波器目前，國(guó)內(nèi)外研究最多的濾波器常見的有三種：高溫超導(dǎo)濾波器、LC濾波器和聲表面波(SAW)濾波器。高溫超導(dǎo)材料具有接近于無(wú)耗的特性，濾波器的尺寸可以做的很小，并且具有非常陡的平移特性。它的內(nèi)衰減低，相位延時(shí)和色散特性也大為改善；利用單片微波集成電路(MMIC)技術(shù)和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)制作電容和電感，可以在高頻段獲得高Q值和高穩(wěn)定的低電感與低電容值，同時(shí)通過(guò)調(diào)制層微調(diào)電容和改進(jìn)圈設(shè)計(jì)等方法克服L、C離散，從而制得LC濾波器。從獲得渠道、成本以及濾波性能多方面考慮，選用Triquint公司的SAW帶通濾波器856656作為本設(shè)計(jì)的帶通濾波器。856656濾波器的中心頻率為180MHz，1dB帶寬典型值為11.82MHz。使用SAW帶通濾波器必須采用制造商推薦的PCB焊盤布局方式。為實(shí)現(xiàn)從輸入端口到輸出端口的最大隔離，濾波器下方有一個(gè)電鍍槽，提高該隔離度有助于實(shí)現(xiàn)充分的帶外衰減和最小的帶內(nèi)紋波。各濾波器的輸入端口和輸出端口利用0603尺寸的電感和電容集總元件實(shí)現(xiàn)50Ω匹配，這是確保電路板實(shí)現(xiàn)良好性能的重要方面。為了進(jìn)一步提高隔離度，連接濾波器與開關(guān)和RF邊沿連接器的50Ω?jìng)鬏斁€被設(shè)計(jì)為共面波導(dǎo)。2.8RF功率檢波器RF功率檢波器采用凌力爾特公司的LTC5007芯片，LTC5007是一款應(yīng)用于100KHz至1000MHz工作頻率范圍的RF功率檢波器。輸入頻率范圍由一個(gè)外部電容來(lái)決定。利用一個(gè)片上肖特基二極管和外部電容器來(lái)對(duì)RF輸入電壓進(jìn)行峰值檢波。檢波電壓被緩沖并提供給VOUT，LTC5007的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.8所示。圖2.8LTC5007的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖LTC5007的工作電路圖如圖2.9所示，圖2.9LTC5007的工作電路圖C1將RF輸入信號(hào)耦合至以VCC為基準(zhǔn)的檢波器輸入RFIN，C2是連接在PCAP和VCC引腳之間的峰值檢波電容器，C2的數(shù)值將影響轉(zhuǎn)換速率和帶寬。在一般情況下，C1和C2的數(shù)值可以相等，并最好采用陶瓷電容。C1，C2的數(shù)值取決于RF的工作頻率，容性電阻應(yīng)小于5Ω以最大限度地減小C2上的紋波。C1(uF)=C2(uF)≥1/(30·f)，式中f為最低RF輸入頻率(MHz)。2.9A/D轉(zhuǎn)換模塊選用TI公司的高速8位ADC芯片ADC08200，是具有內(nèi)部采樣和保持的8位、200Msps、低功耗A/D的轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換速率高達(dá)230MSPS時(shí)，功耗僅為241毫瓦。數(shù)字輸出與TTL/CMOS兼容。3.3V或2.5V邏輯。輸出數(shù)據(jù)格式為標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制。ADC08200具有如下關(guān)鍵參數(shù)：8位分辨率；200Msps采樣頻率；差分非線性值(DNL)為±0.4LSB；有效位數(shù)為7.3位(fIN=50MHz)；諧波失真比(THD)為61分貝(fIN=50MHz)。該模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為流水線工作模式。在時(shí)鐘上升沿啟動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程，模擬信號(hào)被Sample/Hold電路捕獲，然后信號(hào)被流水線一樣經(jīng)過(guò)多種操作程序，最終完成數(shù)字化輸出，從模擬信號(hào)的輸入到數(shù)字信號(hào)的輸出將有16個(gè)時(shí)鐘周期的延遲，如圖2.10所示。圖2.10ADC08200時(shí)序圖ADC08200的內(nèi)基準(zhǔn)電壓源簡(jiǎn)化了電路板的電路布局，對(duì)此，板上可通過(guò)簡(jiǎn)單的電容電阻對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，芯片的時(shí)鐘輸入信號(hào)為單極性信號(hào)，將時(shí)鐘信號(hào)直接接入時(shí)鐘引腳完成時(shí)鐘配置。實(shí)際電路圖如下圖所示：圖2.11AD芯片電路原理圖為調(diào)理電路和AD芯片制作了單獨(dú)的AD模塊以供驗(yàn)證：圖2.12AD模塊PCB圖圖2.13AD模塊實(shí)物圖2.10小結(jié)高頻詢問(wèn)器的主要功能就是向傳感器發(fā)送間歇正弦信號(hào)并接收回波信號(hào)，從而找出傳感器的諧振頻率進(jìn)而得出溫度，是溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。本章主要是對(duì)無(wú)線詢問(wèn)器的硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，給出了整個(gè)器件的結(jié)構(gòu)框圖、各個(gè)模塊設(shè)計(jì)的要求。針對(duì)對(duì)每個(gè)模塊的功能、所選芯片、該芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及其特點(diǎn)都做了詳細(xì)的分析。第3章系統(tǒng)天線的基本參數(shù)及設(shè)計(jì)天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線電設(shè)備，是無(wú)線通信系統(tǒng)中重要的一環(huán)，天線的性能將直接影響到通信系統(tǒng)的品質(zhì)。所以對(duì)天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高傳感性能的有效方法[27]。本章將在分析天線電參數(shù)基礎(chǔ)上展開無(wú)線詢問(wèn)器天線和SAW傳感器天線的設(shè)計(jì)。3.1天線的基本概念及重要參數(shù)天線輻射的原理如下圖所示。當(dāng)導(dǎo)線上有交變電流通過(guò)時(shí)，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)度和形狀有關(guān)。若兩條導(dǎo)線的距離很近，電場(chǎng)被束縛在兩條導(dǎo)線之間，那么輻射很微弱[28]。圖3.1天線的輻射天線通過(guò)把載有信息的導(dǎo)行電磁波轉(zhuǎn)換為輻射電磁波完成發(fā)射過(guò)程，反之則完成接收過(guò)程。天線的輻射方程如下：（3.1）式中，L是電流元的長(zhǎng)度，是時(shí)變電流，Q是電荷，是電荷加速度。重要參數(shù)：方向性方向圖是天線的輻射場(chǎng)在固定距離上隨球坐標(biāo)系的角坐標(biāo)（θ，Φ）分布的圖形。方向圖通常是由遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)來(lái)確定的。天線的方向性系數(shù)D是指在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的某一球面上天線的輻射強(qiáng)度與平均輻射強(qiáng)度之比，即：（3.2）式中，平均輻射強(qiáng)度實(shí)際上是輻射功率除以球面積即（3.3）通常所說(shuō)的方向性系數(shù)指的都是在最大輻射方向上的方向性系數(shù)，即：（3.4）另外，方向性還可以用增益G表示。輻射強(qiáng)度每單位立體角內(nèi)由天線輻射出的功率稱為輻射強(qiáng)度U，單位為W/Sr（瓦/立方弧度），輻射強(qiáng)度可由下式定義：（3.4）可見，輻射強(qiáng)度與距離無(wú)關(guān)。效率天線效率就是天線輻射功率和輸入功率的比值。用和表示天線的輸入功率和輻射功率，則天線效率為：（3.5）增益天線增益是在相同輸入功率、相同距離的條件下，天線最大輻射方向上的功率密度與無(wú)方向天線在此方向上輻射功率密度的比值。設(shè)該天線和無(wú)方向性天線分別為和，且，可由（3.6）計(jì)算增益：（3.6）由(3.2）、（3.4)、（3.5）和（3.6）綜合可得：（3.7）輸入阻抗天線的輸入端（天線和饋線的連接處）呈現(xiàn)的阻抗值定義為天線的輸入阻抗。另外要注意天線與饋線阻抗匹配的問(wèn)題。阻抗匹配的程度將直接影響功率傳輸?shù)男?。所以盡量把天線的輸入阻抗設(shè)計(jì)在50。S參數(shù)射頻器件可以等效為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，如圖圖3.2射頻器件等效的二端口網(wǎng)絡(luò)輸入反射系數(shù)：（3.8）輸出反射系數(shù)：（3.9）即回波損耗，即插入損耗。S參數(shù)是衡量天線特性的重要參數(shù)。駐波比由于實(shí)際應(yīng)用中很難達(dá)到完全匹配，為了評(píng)價(jià)阻抗失配造成的能量損耗，引入駐波比用來(lái)描述源、傳輸線及負(fù)載間失配程度。駐波比(SWR)是最大電壓(或電流)與最小電壓(或電流)之比，即：（3.10）一般用電壓駐波比(VSWR)代替SWR。由式(3.10)可知，理想的匹配負(fù)載情況下，VSWR=1。顯然VSWR越小，系統(tǒng)的匹配程度越好。（8）品質(zhì)因數(shù)Q（3.11）由上式可看出，天線的Q值越高，天線的儲(chǔ)能能力越強(qiáng)，這是不利于天線輻射功率的，一般而言，電小天線的Q值要大于長(zhǎng)度與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)奶炀€。3.2電磁仿真軟件HFSS簡(jiǎn)介HFSS–HighFrequencyStructureSimulator是Ansoft公司開發(fā)的一款基于電磁場(chǎng)有限元法的全波三維電磁仿真軟件。該軟件采用有限元法，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[28]。HFSS采用標(biāo)準(zhǔn)的Windows圖形用戶設(shè)計(jì)界面，簡(jiǎn)潔直觀；設(shè)計(jì)流程自動(dòng)化，容易學(xué)習(xí)；使用時(shí)，用戶只需要自行創(chuàng)建或?qū)朐O(shè)計(jì)模型，指定模型材料屬性，正確分配模型的邊界條件和激勵(lì)，準(zhǔn)確定義求解設(shè)置，軟件就可以計(jì)算并輸出用戶需要的設(shè)計(jì)結(jié)果。圖3.3HFSS工作界面HFSS軟件可以仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)各類天線，計(jì)算天線的性能，如增益、方向性、駐波比、輸入阻抗、半功率波瓣寬度、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng)3D圖和3dB帶寬；繪制極化特性，包括球形場(chǎng)分量、圓極化場(chǎng)分量和軸比等。本文選用其最新版本HFSS15.0進(jìn)行仿真。3.3不同天線建模仿真結(jié)果3.3.1單極子天線AntennaDesignKit（簡(jiǎn)稱ADK）是基于HFSS的天線輔助設(shè)計(jì)工具，其具有獨(dú)立的圖形化用戶界面，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建參數(shù)模型、求解設(shè)置等各項(xiàng)功能，為復(fù)雜天線的設(shè)計(jì)和建模帶來(lái)了巨大的方便。利用該工具生成的天線模型都可以直接在HFSS中進(jìn)行仿真計(jì)算。ADK中定義了17類常用的天線形式，用戶選擇天線類型，輸入工作頻點(diǎn)，即可得到相應(yīng)天線的參數(shù)化模型和初始結(jié)構(gòu)尺寸。對(duì)單極子天線，ADK建模初始尺寸如下：圖3.4單極子天線模型尺寸仿真結(jié)果如下：回波損耗圖3.5單極子天線回波損耗（2）駐波比圖3.6單極子天線駐波比（3）Smith圓圖圖3.7單極子天線Smith圓圖（4）3D增益圖圖3.8單極子天線3D增益圖該天線臂長(zhǎng)為36.21cm。由掃頻分析（1）可以看出，中心頻率179MHz，最小值為-24.4dB。<-10dB時(shí)，帶寬20MHz。從（2）中看出，在中心頻率179MHz處，駐波比為1.16。（3）是Smith圓圖，紅色線代表天線的阻抗特性，其與橫線的交點(diǎn)表示的是歸一化阻抗，越靠近1就說(shuō)明歸一化輸入阻抗越接近點(diǎn)1.00，則阻抗匹配就越好。如圖，該天線歸一化輸入阻抗：1.1353+0.0329i。由（4）可看出，偶極子天線的增益為1.71dB。3.3.2偶極子天線ADK建模尺寸如下：圖3.9偶極子天線模型尺寸仿真結(jié)果如下：（1）回波損耗圖3.10偶極子天線回波損耗（2）駐波比圖3.11偶極子天線駐波比（3）Smith圓圖圖3.12偶極子天線Smith圓圖（4）3D增益圖圖3.13偶極子天線3D增益圖該天線單臂長(zhǎng)37.5cm。由掃頻分析（1）可以看出，中心頻率178.1MHz，最小值為-17.1dB。<-10dB時(shí)，帶寬21dB。從（2）中看出，在中心頻率178.1MHz處，駐波比1.17。由（3）得，歸一化輸入阻抗：1.2698+0.0081i。由圖（4）可看出，偶極子天線的增益為2.35dB。3.3.3平面倒F天線ADK建模尺寸如下：圖3.14PIFA模型尺寸仿真結(jié)果如下：（1）回波損耗圖3.15PIFA回波損耗（2）Smith圓圖圖3.16PIFASmith圓圖（3）3D增益圖圖3.17PIFA3D增益圖輻射模式圖3.18PIFA輻射模式該天線尺寸為38.44cm*12.35cm。由掃頻分析（1）可以看出，中心頻率182MHz，最小值為-12.3dB。<-10dB時(shí)，帶寬20MHz。由（2）得，歸一化輸入阻抗：1.2412+0.0101i，駐波比為1.14。由（3）可看出，平面倒F天線的增益為4.05dB。由（4）可以看出，PIFA天線具有一定的方向性。3.3.4蝶形天線ADK建模尺寸如下：圖3.19蝶形天線模型尺寸仿真結(jié)果如下：（1）回波損耗圖3.20蝶形天線回波損耗（2）駐波比圖3.21蝶形天線駐波比（3）Smith圓圖圖3.22蝶形天線Smith圓圖（4）3D增益圖圖3.23蝶形天線3D增益圖該天線尺寸為23.56cm*52.34cm。由掃頻分析（1）可以看出，中心頻率182MHz，最小值為-23.3dB。<-10dB時(shí)，帶寬29.5MHz。由（2）可知在182MHz的駐波比為1.01。由（3）得，歸一化輸入阻抗：0.8599+0.0249i。由（4）可看出，天線的增益為2.28dB。3.3.5螺旋天線ADK建模尺寸如下：圖3.24螺旋天線模型尺寸仿真結(jié)果如下：（1）回波損耗圖3.25螺旋天線回波損耗（2）Smith圓圖圖3.26螺旋天線Smith圓圖（3）3D增益圖圖3.27螺旋天線3D增益圖螺旋天線高14.9cm。由掃頻分析（1）可以看出，中心頻率180.4MHz，最小值為-26.88dB。<-10dB時(shí)，帶寬9MHz。由（2）得，歸一化輸入阻抗：1.1756+0.0345i。駐波比是1.13。由（3）可看出，天線的增益為2.59dB。3.3.6矩形貼片天線ADK建模尺寸如下：圖3.28矩形貼片天線模型尺寸仿真結(jié)果如下：（1）回波損耗圖3.29矩形貼片天線回波損耗（2）Smith圓圖圖3.30矩形貼片天線Smith圓圖（3）3D增益圖圖3.31矩形貼片天線3D增益圖矩形貼片天線的尺寸為59.29cm*50.51cm。由掃頻分析圖（1）可以看出，中心頻率182MHz，最小值為-2.4dB。由圖（2）得，歸一化輸入阻抗：4.488+0.13i。由圖（4）可看出，天線的增益為-1.41dB。3.4結(jié)合仿真結(jié)果選擇天線把仿真結(jié)果列入表格比較如下：表3.4各天線仿真性能對(duì)比類型性能中心頻率（MHz）駐波比歸一化輸入阻抗增益（dB）尺寸（詳見上節(jié)模型）單極子1791.161.1353+0.0329i1.71偶極子698+0.0081i2.35PIFA1821.141.2412+0.0101i4.05蝶形1821.010.8599+0.0249i2.28螺旋756+0.0345i2.59矩形貼片1824.44.488+0.13i-1.41選擇傳感器天線時(shí)，由于傳感器探頭的位置可能放置于高壓設(shè)備內(nèi)部或附近，設(shè)備內(nèi)部空間較小。對(duì)于傳感器天線的設(shè)計(jì)要求為：天線體積盡可能的小，增益大于0，帶寬不大于10MHz，中心頻率為180MHz。由上表可知，螺旋天線頻率最接近180MHz，尺寸最小。另外，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在小尺寸下可以得到增益相對(duì)大的天線。歸一化輸入阻抗接近于1，說(shuō)明阻抗匹配情況良好。在回波損耗圖中，當(dāng)<-10dB時(shí)，帶寬為7MHz，符合系統(tǒng)要求。因此選用螺旋天線作為傳感器天線。而關(guān)于詢問(wèn)器天線的選擇，對(duì)尺寸沒有嚴(yán)格要求，電力設(shè)備全部為金屬體，金屬導(dǎo)體的影響會(huì)使普通的全向天線（如偶極子天線）難以收到信號(hào)。另外，由于詢問(wèn)器和傳感探頭可能會(huì)有一定的距離，因此需要增益更大的天線。因此，對(duì)詢問(wèn)器天線的設(shè)計(jì)要求是：具有方向性、受導(dǎo)體影響較小、增益較大的天線。由上表比較可知與其他天線相比PIFA的增益較大。從圖3.18中可以看出，PIFA具有良好的方向性，輻射具有方向性利于提高傳感系統(tǒng)查詢信號(hào)和回波信號(hào)的強(qiáng)度。通過(guò)閱讀文獻(xiàn)，傳統(tǒng)方案多采用偶極子天線，但在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)當(dāng)偶極子靠近金屬體時(shí)，天線的高頻電流受金屬體影響很大，而由上文PIFA天線的結(jié)構(gòu)可知PIFA有參考地面，接觸導(dǎo)體時(shí)天線的參數(shù)均變化不大。<-10dB時(shí)，帶寬20MHz，基本滿足系統(tǒng)要求。因此選用PIFA天線作為詢問(wèn)器天線。3.5小結(jié)本章主要介紹了用于描述天線性能的重要參量和用于天線電磁仿真的軟件HFSS，然后利用這個(gè)軟件對(duì)不同類型的天線進(jìn)行建模仿真。分析了傳感器和詢問(wèn)器對(duì)天線的不同需求，通過(guò)性能的對(duì)比分析從而選出螺旋天線作為接收天線，PIFA天線作為發(fā)射天線。第4章整機(jī)測(cè)試與試驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的高壓電力設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由一個(gè)SAW傳感器和一