基本信息
- 項目名稱：
- 采用無源SAW傳感器的分布式溫度監(jiān)測儀器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品實現(xiàn)遠距離無源無線分布式溫度監(jiān)測。如電網(wǎng)部件、大型發(fā)動機軸承、電站渦輪或埋入式等場合。作品實現(xiàn)了全自動遠距離分布式非接觸溫度監(jiān)測。提出了基于傳感器回波信號信噪比的自適應(yīng)高精度時頻綜合信號檢測方法，實現(xiàn)了高精度的溫度遠距離測量。提出并采用了裝配環(huán)境中的天線至諧振器匹配方法并運用了變頻器電源管理技術(shù)，提高了傳感器功率利用率，極大提升了傳感距離。
- 詳細介紹：
- 聲表面波傳感器作為傳感元件，與其他傳感器相比，有許多顯著的優(yōu)越性。尤其是可在無源（無需電池或其他能量獲取器件）無線的條件下工作。特別是可以用于許多其他傳統(tǒng)傳感器無法應(yīng)用的無源無線非接觸測量環(huán)境。 針對目前國內(nèi)外采用SAW傳感器的溫度測量儀器存在的測量距離近、不能進行全自動分布式測量、測量精度低、抗干擾能力差、傳感器能量利用率低等諸多問題，創(chuàng)新性的提出了多傳感器分布式溫度監(jiān)測策略，實現(xiàn)了全自動遠距離分布式非接觸溫度監(jiān)測；提出了基于傳感器回波信號信噪比的自適應(yīng)高精度時頻綜合信號檢測方法，實現(xiàn)了高信噪比下的短時計算和低信噪比下的抗干擾高精度頻率測量；提出并采用了裝配環(huán)境中的天線至諧振器匹配方法，結(jié)合變頻器電源管理技術(shù)，提高了傳感器功率利用率，極大提升了傳感距離。 此外本作品融合了數(shù)字頻率合成技術(shù)，變頻器電源管理技術(shù)，傳感技術(shù)，自動控制技術(shù)和射頻網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以嵌入式的DSP處理單元為核心，與計算機無線連接，構(gòu)成了開放式的儀器平臺。具有無源無線、遠距離、分布式、全自動、傳感器體積小和便攜等優(yōu)點。 儀器成本低廉，市場需求旺盛，國內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有同類儀器。應(yīng)用領(lǐng)域包括監(jiān)測大型建筑物配電電纜、野外輸電線、電站渦輪、大型機械軸承等溫度或無須更換電池的埋入式場合。對儀器系統(tǒng)稍作修改，可用于測量各種物理量和化學(xué)量。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 目的： 本作品實現(xiàn)遠距離無源無線分布式溫度監(jiān)測。如電網(wǎng)部件、大型發(fā)動機軸承、電站渦輪或埋入式等場合。 基本思路： 研究實現(xiàn)小型化遠距離分布式SAW傳感系統(tǒng)，包括查詢器和傳感器。傳感器的諧振頻率隨環(huán)境溫度發(fā)生變化，查詢器查詢各傳感器的諧振頻率，間接測量環(huán)境溫度。 創(chuàng)新點： 1 提出了多傳感器分布式溫度監(jiān)測策略，實現(xiàn)了全自動遠距離分布式非接觸溫度監(jiān)測； 2 提出了基于傳感器回波信號信噪比的自適應(yīng)高精度時頻綜合信號檢測方法，實現(xiàn)了高信噪比下的短時計算和低信噪比下的抗干擾高精度頻率測量； 3 提出并采用了裝配環(huán)境中的天線至諧振器匹配方法并運用了變頻器電源管理技術(shù)，提高了傳感器功率利用率，極大提升了傳感距離。 技術(shù)關(guān)鍵： 提高查詢距離，多傳感器分布式監(jiān)測策略，自適應(yīng)信號處理方法，傳感器能量利用效率提升。 主要技術(shù)指標： 無線查詢距離，溫度測量精度，查詢速度。
科學(xué)性、先進性
- 科學(xué)性： 用無線測量傳感器諧振頻率的方法間接測量傳感量，理論和實驗均證明可行。構(gòu)造不同的聲表面波傳感器即可測量不同的傳感量。 先進性： 儀器采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)、變頻器電源管理技術(shù)、傳感技術(shù)、自動控制技術(shù)和射頻網(wǎng)絡(luò)匹配技術(shù)，同時結(jié)合多種SAW回波信號檢測處理方法，實現(xiàn)全自動遠距離分布式非接觸溫度監(jiān)測。作品能實現(xiàn)一鍵全自動測量，自動捕獲諧振頻率范圍，搜索諧振點，跟蹤鎖定變化的溫度。無線查詢距離遠，能查詢4個以上的傳感器，實現(xiàn)溫度的分布式監(jiān)測。基于信噪比的自適應(yīng)高精度時頻信號檢測方法確保了在低信噪比和干擾較強的情況下獲得高的頻率測量精度，從而使儀器具有高的溫度分辨率。提出并采用裝配環(huán)境中的天線至諧振器匹配技術(shù)使得傳感器中的“天線-諧振器”系統(tǒng)失配損耗降至最低，大大提高了激勵功率利用效率，使得儀器具有遠距離傳感能力。無源傳感器體積遠小于一般同類傳感器體積。一次查詢周期短。傳感器可以在惡劣條件下進行溫度監(jiān)測。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、現(xiàn)場演示、錄像、樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 使用說明：安裝傳感器至監(jiān)測對象表面，查詢單元置于距傳感器20米范圍內(nèi)，PC機連接數(shù)傳單元并運行監(jiān)測軟件。 技術(shù)特點和優(yōu)勢： 1）傳感器無需電源（電池或其他能量獲取裝置）。2）無線測量距離遠，可達20米。3）可以實現(xiàn)分布式溫度監(jiān)測，監(jiān)測點數(shù)大于4。4）一鍵全自動測量。5）溫度分辨率高，可以檢測到0.05 ℃的溫度變化。6）可以實現(xiàn)溫度的實時測量、顯示和記錄，方便用戶對測量數(shù)據(jù)進行對比、分析。軟件功能易修改，并可加入報警功能，實現(xiàn)無人值守監(jiān)測。7）無線數(shù)據(jù)無障礙傳輸距離大于300米，或可以更改為RS-485串行數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)更遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。 適用范圍：溫度范圍0到200℃，適用于強電磁場、振動、高速運動、有毒等惡劣環(huán)境。 推廣前景：儀器成本低廉，市場需求旺盛而未發(fā)現(xiàn)有同類儀器。應(yīng)用領(lǐng)域包括監(jiān)測大型建筑物配電電纜、野外輸電線、電站渦輪、大型機械軸承等溫度或無須更換電池的埋入式場合。對儀器系統(tǒng)稍作修改，可用于測量各種物理量和化學(xué)量。
同類課題研究水平概述
- 法國時間和頻率中心同SENSEOR公司聯(lián)合開發(fā)的采用窄帶SAW諧振器無線查詢系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理，構(gòu)造了無線測量傳感器的S11參數(shù)的無線查詢器，通過查詢回波最大功率對應(yīng)的頻率，確定諧振頻率。但傳感器運動或周圍電磁環(huán)境變化時導(dǎo)致的回波功率變化會使查詢器得到錯誤的最大功率對應(yīng)的頻率值。因回波信號功率不穩(wěn)定，且要求回波信號有較高信噪比，該儀器系統(tǒng)測量距離近，穩(wěn)定性不夠。 Krishnamurthy, S.提出的查詢單元測量SAW傳感器響應(yīng)信號的頻率或相位，發(fā)射固定頻率信號激勵傳感器響應(yīng)，其發(fā)射功率高。但其查詢單元使用固定發(fā)射頻率，SAW傳感器對查詢信號功率利用率低，難以實現(xiàn)遠距離查詢。硬件設(shè)計不能消除發(fā)射信號對接收信號的干擾影響，不能自動跟蹤響應(yīng)頻率。 因天線占據(jù)了傳感器大部分體積，減小傳感器尺寸，重點在減小天線尺寸。王軍峰等研究的SAW傳感器，設(shè)計了長度為15cm的偶極子螺旋天線。為擴大應(yīng)用場合，減小傳感器體積勢在必行。 國內(nèi)XX大學(xué)、上海交通大學(xué)和中電集團26所等研究機構(gòu)也進行了相關(guān)研究。上海交通大學(xué)研究了SAW-RFID系統(tǒng)，將射頻識別和傳感功能結(jié)合，但其查詢距離短，測量時間長，不能鎖定當前溫度值。中電集團26所研究了一種基于SAW傳感器陣列、后向人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP2ANN)模式識別軟件和信號處理硬件的SAW化學(xué)試劑檢測器。傳感器陣列輸出的信號首先在FPGA中進行計數(shù)，然后通過MCU進行BP2ANN模式識別分析。其檢測識別概率超過了90%，但只有在接收信噪比很高的前提下才能使用計數(shù)的檢測方法，這同樣不能實現(xiàn)遠距離查詢。 德國Klett， S.等人研究了SAW諧振器構(gòu)成的傳感器匹配模型和匹配方法。提出根據(jù)SAW諧振器等效電路參數(shù)來對諧振器進行匹配。空軍工程大學(xué)江城等人研究了SAW傳感器阻抗匹配方法與Klett， S.等人類似，并進行了電路仿真。這些方法均采用由諧振器匹配至天線的方法，未考慮天線阻抗受安裝環(huán)境的影響，存在失配損耗較大等不足。導(dǎo)致查詢距離不夠遠。 國內(nèi)外的眾多SAW傳感系統(tǒng)中，多采用昂貴的數(shù)據(jù)采集卡采集信號。如XX大學(xué)采用計算機軟件合成發(fā)射變頻信號并處理接收信號，雖然利用了計算機在采集和處理信號方面的優(yōu)勢，但體積大，需要昂貴的數(shù)據(jù)采集卡，測量過程需人工干預(yù)。不能自動測量。
