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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 采用無(wú)源SAW傳感器的分布式溫度監(jiān)測(cè)儀器
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)源無(wú)線分布式溫度監(jiān)測(cè)。如電網(wǎng)部件、大型發(fā)動(dòng)機(jī)軸承、電站渦輪或埋入式等場(chǎng)合。作品實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)遠(yuǎn)距離分布式非接觸溫度監(jiān)測(cè)。提出了基于傳感器回波信號(hào)信噪比的自適應(yīng)高精度時(shí)頻綜合信號(hào)檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了高精度的溫度遠(yuǎn)距離測(cè)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(yùn)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(xì)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(wú)源（無(wú)需電池或其他能量獲取器件）無(wú)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(wú)法應(yīng)用的無(wú)源無(wú)線非接觸測(cè)量環(huán)境。 針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外采用SAW傳感器的溫度測(cè)量?jī)x器存在的測(cè)量距離近、不能進(jìn)行全自動(dòng)分布式測(cè)量、測(cè)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(cè)策略，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)遠(yuǎn)距離分布式非接觸溫度監(jiān)測(cè)；提出了基于傳感器回波信號(hào)信噪比的自適應(yīng)高精度時(shí)頻綜合信號(hào)檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了高信噪比下的短時(shí)計(jì)算和低信噪比下的抗干擾高精度頻率測(cè)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(dòng)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(jì)算機(jī)無(wú)線連接，構(gòu)成了開放式的儀器平臺(tái)。具有無(wú)源無(wú)線、遠(yuǎn)距離、分布式、全自動(dòng)、傳感器體積小和便攜等優(yōu)點(diǎn)。 儀器成本低廉，市場(chǎng)需求旺盛，國(guó)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有同類儀器。應(yīng)用領(lǐng)域包括監(jiān)測(cè)大型建筑物配電電纜、野外輸電線、電站渦輪、大型機(jī)械軸承等溫度或無(wú)須更換電池的埋入式場(chǎng)合。對(duì)儀器系統(tǒng)稍作修改，可用于測(cè)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(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的： 本作品實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)源無(wú)線分布式溫度監(jiān)測(cè)。如電網(wǎng)部件、大型發(fā)動(dòng)機(jī)軸承、電站渦輪或埋入式等場(chǎng)合。 基本思路： 研究實(shí)現(xiàn)小型化遠(yuǎn)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(cè)量環(huán)境溫度。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1 提出了多傳感器分布式溫度監(jiān)測(cè)策略，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)遠(yuǎn)距離分布式非接觸溫度監(jiān)測(cè)； 2 提出了基于傳感器回波信號(hào)信噪比的自適應(yīng)高精度時(shí)頻綜合信號(hào)檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了高信噪比下的短時(shí)計(jì)算和低信噪比下的抗干擾高精度頻率測(cè)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(yùn)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(cè)策略，自適應(yīng)信號(hào)處理方法，傳感器能量利用效率提升。 主要技術(shù)指標(biāo)： 無(wú)線查詢距離，溫度測(cè)量精度，查詢速度。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性： 用無(wú)線測(cè)量傳感器諧振頻率的方法間接測(cè)量傳感量，理論和實(shí)驗(yàn)均證明可行。構(gòu)造不同的聲表面波傳感器即可測(cè)量不同的傳感量。 先進(jìn)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(dòng)控制技術(shù)和射頻網(wǎng)絡(luò)匹配技術(shù)，同時(shí)結(jié)合多種SAW回波信號(hào)檢測(cè)處理方法，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)遠(yuǎn)距離分布式非接觸溫度監(jiān)測(cè)。作品能實(shí)現(xiàn)一鍵全自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)捕獲諧振頻率范圍，搜索諧振點(diǎn)，跟蹤鎖定變化的溫度。無(wú)線查詢距離遠(yuǎn)，能查詢4個(gè)以上的傳感器，實(shí)現(xiàn)溫度的分布式監(jiān)測(cè)?；谛旁氡鹊淖赃m應(yīng)高精度時(shí)頻信號(hào)檢測(cè)方法確保了在低信噪比和干擾較強(qiáng)的情況下獲得高的頻率測(cè)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(lì)功率利用效率，使得儀器具有遠(yuǎn)距離傳感能力。無(wú)源傳感器體積遠(yuǎn)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(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、現(xiàn)場(chǎng)演示、錄像、樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說明：安裝傳感器至監(jiān)測(cè)對(duì)象表面，查詢單元置于距傳感器20米范圍內(nèi)，PC機(jī)連接數(shù)傳單元并運(yùn)行監(jiān)測(cè)軟件。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 1）傳感器無(wú)需電源（電池或其他能量獲取裝置）。2）無(wú)線測(cè)量距離遠(yuǎn)，可達(dá)20米。3）可以實(shí)現(xiàn)分布式溫度監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)大于4。4）一鍵全自動(dòng)測(cè)量。5）溫度分辨率高，可以檢測(cè)到0.05 ℃的溫度變化。6）可以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示和記錄，方便用戶對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、分析。軟件功能易修改，并可加入報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守監(jiān)測(cè)。7）無(wú)線數(shù)據(jù)無(wú)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(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。 適用范圍：溫度范圍0到200℃，適用于強(qiáng)電磁場(chǎng)、振動(dòng)、高速運(yùn)動(dòng)、有毒等惡劣環(huán)境。 推廣前景：儀器成本低廉，市場(chǎng)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(cè)大型建筑物配電電纜、野外輸電線、電站渦輪、大型機(jī)械軸承等溫度或無(wú)須更換電池的埋入式場(chǎng)合。對(duì)儀器系統(tǒng)稍作修改，可用于測(cè)量各種物理量和化學(xué)量。
同類課題研究水平概述
- 法國(guó)時(shí)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(wú)線查詢系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理，構(gòu)造了無(wú)線測(cè)量傳感器的S11參數(shù)的無(wú)線查詢器，通過查詢回波最大功率對(duì)應(yīng)的頻率，確定諧振頻率。但傳感器運(yùn)動(dòng)或周圍電磁環(huán)境變化時(shí)導(dǎo)致的回波功率變化會(huì)使查詢器得到錯(cuò)誤的最大功率對(duì)應(yīng)的頻率值。因回波信號(hào)功率不穩(wěn)定，且要求回波信號(hào)有較高信噪比，該儀器系統(tǒng)測(cè)量距離近，穩(wěn)定性不夠。 Krishnamurthy, S.提出的查詢單元測(cè)量SAW傳感器響應(yīng)信號(hào)的頻率或相位，發(fā)射固定頻率信號(hào)激勵(lì)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(duì)查詢信號(hào)功率利用率低，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離查詢。硬件設(shè)計(jì)不能消除發(fā)射信號(hào)對(duì)接收信號(hào)的干擾影響，不能自動(dòng)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(diǎn)在減小天線尺寸。王軍峰等研究的SAW傳感器，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)度為15cm的偶極子螺旋天線。為擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)合，減小傳感器體積勢(shì)在必行。 國(guó)內(nèi)XX大學(xué)、上海交通大學(xué)和中電集團(tuán)26所等研究機(jī)構(gòu)也進(jìn)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(shí)別和傳感功能結(jié)合，但其查詢距離短，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，不能鎖定當(dāng)前溫度值。中電集團(tuán)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(shí)別軟件和信號(hào)處理硬件的SAW化學(xué)試劑檢測(cè)器。傳感器陣列輸出的信號(hào)首先在FPGA中進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后通過MCU進(jìn)行BP2ANN模式識(shí)別分析。其檢測(cè)識(shí)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(jì)數(shù)的檢測(cè)方法，這同樣不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離查詢。 德國(guó)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(duì)諧振器進(jìn)行匹配?？哲姽こ檀髮W(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(jìn)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(yuǎn)。 國(guó)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(hào)。如XX大學(xué)采用計(jì)算機(jī)軟件合成發(fā)射變頻信號(hào)并處理接收信號(hào)，雖然利用了計(jì)算機(jī)在采集和處理信號(hào)方面的優(yōu)勢(shì)，但體積大，需要昂貴的數(shù)據(jù)采集卡，測(cè)量過程需人工干預(yù)。不能自動(dòng)測(cè)量。
