基于声表面波测温传感器的温度检测装置的制作方法

1.本发明属于声表面波监测技术及应用领域，特别是涉及一种基于声表面波测温传感器的温度检测装置。


背景技术：

2.近年来，我国大力提倡《工业电气自动化》以及《泛在电力物联网》，根据国家消防中心统计，目前造成火灾事故70％的主要因素是电气火灾。
3.发电厂、变电站中，开关柜的众多高压电气连接点是电力输送最薄弱环节。经过长期运行过程，这些环节的体现出的就是触头(触点)发热。随着负荷的增大，导致连接点发热并形成恶性循环：温升、膨胀、收缩、氧化，电阻增大、再度升温。实施开关柜的“温度在线监测”是保证电力设备安全运行的重要手段，在隐患产生的第一时间就能发现并处理，杜绝恶心事故，提高运维效率。
4.为了满足电力设备(如电力开关柜、电缆接头等)的测温需求，采用了无源无线温度传感技术：声表面波(saw)温度传感技术。其传感器具有完全无源(不需电池)、可无线读取的优点，有效解决了电力设备测温要求绝缘等级高、耐高温、维护方便等问题。
5.声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。当压电晶体基片上的换能器通过逆压电效应将来自读写器的无线信号转变成声信号后，被左右两个周期性栅条反射形成谐振，该谐振器的谐振频率与温度有关，其谐振器频率的改变随温度的改变在一定范围内呈线性关系，换能器再将该声信号转变成无线信号返回给读写器，由于温度和信号频率有一一对应的关系，读写器就可以通过信号频率得到精确的被测温度，如图1所示。
6.基于声表面波传感器的谐振器频率会随着温度而改变，那么如何检测到声表面波传感器回波信号的频率就非常关键，由于事先并不知道当前温度，以及声表面波传感器随温度变化而改变的情况，目前通常的做法就是基于声表面波传感器在初始状态下的谐振器频率，在发射了这个频率的无线信号后，以这个频率为中心，在这个频率附近用“扫频”方式来探测回波，当发现某个频率上有较强的能量时，就认为是声表面波传感器的回波信号，并根据这个回波信号的频率找到对应的温度值，完成一次测温过程。
7.这种做法的缺点在于：由于回波信号的频率可变，上述检测系统在读写器的接收部分，对回波信号的滤波器和放大器的设计要求很高，接收器在整个波段的接收灵敏度很难做均匀，这使得测温效果精准度不够。特别在实际应用过程中，一个读写器往往要对接多个声表面波传感器，它们的谐振器频率各不一样，譬如从425mhz到442mhz不等，接收器在接收频段的高段和低段的放大性能表现不一样，将导致多个测温传感器的一致性不佳。


技术实现要素：

8.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于声表面波测温传感器的温度检测装置，用于解决现有技术中基于声表面波测温传感器的温度检测装置的测温效果精准度较低的问题。
9.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于声表面波测温传感器的温度检测装置，所述检测装置包括：信号源，用于产生对应声表面波测温传感器的本振频率信号；功率放大器，连接于所述信号源，用于对所述本振频率信号进行放大处理；射频开关，连接于所述功率放大器，用于将放大处理后的所述本振频率信号发送至表面波测温传感器，产生回波信号，并通过所述射频开关接收所述回波信号；低噪声放大电路，连接于所述射频开关，用于对所述回波信号进行放大处理；混频器，连接于所述低噪声放大器，用于基于所述本振频率信号对所述回波信号进行下变频处理，获得中频信号；滤波器，连接于所述混频器，用于对所述中频信号进行滤波处理；模数转换器，连接于所述滤波器，用于对所述中频信号进行采样并转换为数字信号；快速傅里叶变换器，连接于所述数模转换器，用于对所述数字信号进行快速傅里叶变换，得到所述中频信号的频率；处理器，连接于所述快速傅里叶变换器，用于依据所述中频信号的频率获得相应的温度值。
10.可选地，所述信号源包括一锁相环、一单向开关及一带通滤波器，所述锁相环用于生成本振频率信号，所述单向开关用于输出所述本振频率信号，所述带通滤波器用于过滤所述本振频率信号。
11.可选地，所述本振频率信号为420mhz～450mhz之间。
12.可选地，所述声表面波测温传感器包括压电基底、位于所述压电基底上的叉指换能器以及在所述叉指换能器两侧对称分布的两组反射栅，所述叉指换能器与所述反射栅构成一个谐振腔，使得所述声表面波测温传感器只对特定频率的射频信号产生响应。
13.可选地，当所述射频开关将所述本振频率信号发送至表面波测温传感器时，所述本振频率信号通过天线传递至所述声表面波测温传感器，所述声表面波测温传感器在逆压电效应的作用下将电能转化为机械能，通过所述叉指换能器在压电基底上激励起声表面波；接着，所述声表面波测温传感器在压电效应的作用下将机械能转化为电能，通过叉指换能器激励出与所述声表面波频率相同的回波信号。
14.可选地，所述射频开关为单刀双掷开关。
15.可选地，所述混频器为下变频混频器，用于通过获取所述本振频率信号与所述回波信号之差，得到所述中频信号。
16.可选地，所述低噪声放大电路包括依次串联的两个低噪声放大器及一个vga信号放大器。
17.可选地，所述中频信号的频率为小于或等于2mhz，所述模数转换器的采样频率为大于或等于5mhz。
18.可选地，所述处理器依据所述中频信号的频率，通过查询频率-温度曲线或频率-温度表格，获得最终的温度值。
19.如上所述，本发明的基于声表面波测温传感器的温度检测装置，具有以下有益效果：
20.本发明通过引入混频器下变频处理，将动态变化范围较大的未知输入信号，转换为动态变化范围较小的中频信号，可以更加容易进行放大和滤波等后续运算，解决了声表面波测温读写器在不同频率接收信号上灵敏度不均匀的问题。本发明的温度检测装置可以更有针对性地分析后续的中频信号，相比于目前“扫频”式的方案，使得整个温度检测装置的对于整体频段上接收效果更一致，可以获得灵敏度更佳的接收信号，最终获得更精准的
测温效果。
附图说明
21.图1显示为本发明实施例的声表面波测温传感器的结构示意图。
22.图2显示为本发明实施例的基于声表面波测温传感器的温度检测装置的结构示意图。
23.图3显示为本发明实施例的基于声表面波测温传感器的温度检测装置的信号发送端的结构示意图。
24.图4显示为本发明实施例的基于声表面波测温传感器的温度检测装置的信号接收端的结构示意图。
25.图5显示为本发明实施例的基于声表面波测温传感器的温度检测装置中，通过本振频率信号(lo)与回波信号(input)之差获得的中频信号(output)的信号波形示意图。
26.图6显示为本发明本实施例的基于声表面波测温传感器的温度检测装置的频率-温度曲线示意图。
27.元件标号说明
28.10
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信号源
29.101
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锁相环
30.102
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单向开关
31.103
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带通滤波器
32.11
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功率放大器
33.111
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adl5324功率放大器
34.12
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射频开关
35.121
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单刀双掷开关
36.13
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声表面波测温传感器
37.14
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低噪声放大电路
38.141
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第一低噪声放大器
39.142
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第二低噪声放大器
40.143
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vga信号放大器
41.15
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混频器
42.16
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滤波器
43.17
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模数转换器
44.18
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快速傅里叶变换器
45.19
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处理器
具体实施方式
46.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
47.如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
48.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
49.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
50.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
51.如图2～图6所示，本实施例提供一种基于声表面波测温传感器13的温度检测装置，所述检测装置包括：信号源10、功率放大器11、射频开关12、低噪声放大电路14、混频器15、滤波器16、模数转换器17、快速傅里叶变换器18及处理器19。
52.所述信号源10用于产生对应声表面波测温传感器13的本振频率信号。在本实施例中，如图3所示，所述信号源10包括一锁相环101、一单向开关102及一带通滤波器103，所述锁相环101用于生成本振频率信号，所述单向开关102用于输出所述本振频率信号，所述带通滤波器103用于基于带通滤波方式过滤所述本振频率信号。在本实施例中，所述锁相环101采用为adf4360-7锁相环，所述单向开关102采用为adg901单向开关。例如，所述本振频率信号为420mhz～450mhz之间。在一具体实施例中，所述本振频率信号为433mhz。
53.如图2及图3所示，所述功率放大器11连接于所述信号源10，用于对所述本振频率信号进行放大处理。在本实施例中，所述功率放大器11采用为adl5324功率放大器111。
54.如图2及图3所示，所述射频开关12连接于所述功率放大器，用于将放大处理后的所述本振频率信号发送至表面波测温传感器，产生回波信号，并通过所述射频开关12接收所述回波信号。
55.所述声表面波测温传感器13包括压电基底、位于所述压电基底上的叉指换能器以及在所述叉指换能器两侧对称分布的两组反射栅，所述叉指换能器与所述反射栅构成一个谐振腔，使得所述声表面波测温传感器13只对特定频率的射频信号产生响应。
56.作为示例，所述射频开关12为单刀双掷开关121。例如，在一具体的实施过程中，所述射频开关12为adg918单刀双掷开关。当所述射频开关12将所述本振频率信号发送至表面波测温传感器时，即所述射频开关12连通所述功率放大器与所述声表面波测温传感器13时，所述射频开关12关断所述声表面波测温传感器13与所述低噪声放大电路14，所述本振频率信号通过天线传递至所述声表面波测温传感器13，所述声表面波测温传感器13在逆压电效应的作用下将电能转化为机械能，通过所述叉指换能器在压电基底上激励起声表面波；接着，当所述射频开关12连通所述声表面波测温传感器13与所述低噪声放大电路14时，
所述射频开关12关断所述功率放大器与所述声表面波测温传感器13，所述声表面波测温传感器13在压电效应的作用下将机械能转化为电能，通过叉指换能器激励出与所述声表面波频率相同的回波信号。
57.如图2及图4所示，所述低噪声放大电路14连接于所述射频开关12，用于对所述回波信号进行放大处理。在本实施例中，所述低噪声放大电路14包括依次串联的第一低噪声放大器141、第二低噪声放大器142及一个vga信号放大器143。本发明通过两个串联的低噪声放大器及一个vga信号放大器共同对所述回波信号进行放大，可以保证所述回波信号得到有效放大的同时，具有较低的噪声，提高信号的精确性。
58.如图2及图4所示，所述混频器15连接于所述低噪声放大器，用于基于所述本振频率信号对所述回波信号进行下变频处理，获得中频信号。
59.在本实施例中，所述混频器15为下变频混频器，用于通过获取所述本振频率信号与所述回波信号之差，得到所述中频信号。图5显示为所述本振频率信号(lo)与所述回波信号(input)之差获得的中频信号(output)的信号波形示意图。
60.作为示例，所述中频信号的频率为小于或等于2mhz。具体地，在本实施例中，所述中频信号的频率为1～2mhz。由于上述回波信号的频率会随如温度等参数的变化而变化，而且由于其频率较高，使频率的动态变化范围过大，导致传统的检测系统在读写器的接收部分，对回波信号的滤波器和放大器的设计要求很高，接收端在整个波段的接收灵敏度很难做均匀，这使得测温效果精准度不够。本发明通过引入混频器下变频处理，将动态变化范围较大的未知输入信号，转换为动态变化范围较小的中频信号，可以更加容易进行放大和滤波等后续运算，从而有效解决了声表面波测温读写器在不同频率接收信号上灵敏度不均匀的问题。
61.如图2及图4所示，所述滤波器16连接于所述混频器15，用于对所述中频信号进行滤波处理。作为示例，所述滤波器16为低通滤波器。
62.如图2及图4所示，所述模数转换器17连接于所述滤波器16，用于对所述中频信号进行采样并转换为数字信号。
63.所述模数转换器17的采样频率为大于或等于5mhz，更进一步地，所述模数转换器17的采样频率可以为5mhz左右。本发明的模数转换器17的信号采样率只需要针对中频信号就可以覆盖整个带宽范围，可以实现在不需扫频的情况下进行多个频率的声表面波测温传感器13的信号接收，从而大大简化电路的设计。
64.如图2所示，所述快速傅里叶变换器18连接于所述数模转换器，用于对所述数字信号进行快速傅里叶变换，得到所述中频信号的频率。
65.如图2所示，所述处理器19连接于所述快速傅里叶变换器18，用于依据所述中频信号的频率获得相应的温度值。
66.作为示例，所述处理器19依据所述中频信号的频率，通过查询频率-温度曲线或频率-温度表格，获得最终的温度值。图6显示为本实施例的频率-温度曲线示意图，从曲线可知，只需在获得中频信号的频率后，直接代入该曲线中，即可获得该中频信号的频率所对应的温度值。
67.如上所述，本发明的基于声表面波测温传感器的温度检测装置，具有以下有益效果：
68.本发明通过引入混频器下变频处理，将动态变化范围较大的未知输入信号，转换为动态变化范围较小的中频信号，可以更加容易进行放大和滤波等后续运算，解决声表面波测温读写器在不同频率接收信号上灵敏度不均匀的问题。本发明的温度检测装置可以更有针对性地分析后续的中频信号，相比于目前“扫频”式的方案，使得整个温度检测装置的对于整体频段上接收效果更一致，可以获得灵敏度更佳的接收信号，最终获得更精准的测温效果。
69.所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
70.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。