基本信息
- 项目名称：
- 采用无源SAW传感器的分布式温度监测仪器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品实现远距离无源无线分布式温度监测。如电网部件、大型发动机轴承、电站涡轮或埋入式等场合。作品实现了全自动远距离分布式非接触温度监测。提出了基于传感器回波信号信噪比的自适应高精度时频综合信号检测方法，实现了高精度的温度远距离测量。提出并采用了装配环境中的天线至谐振器匹配方法并运用了变频器电源管理技术，提高了传感器功率利用率，极大提升了传感距离。
- 详细介绍：
- 声表面波传感器作为传感元件，与其他传感器相比，有许多显著的优越性。尤其是可在无源（无需电池或其他能量获取器件）无线的条件下工作。特别是可以用于许多其他传统传感器无法应用的无源无线非接触测量环境。 针对目前国内外采用SAW传感器的温度测量仪器存在的测量距离近、不能进行全自动分布式测量、测量精度低、抗干扰能力差、传感器能量利用率低等诸多问题，创新性的提出了多传感器分布式温度监测策略，实现了全自动远距离分布式非接触温度监测；提出了基于传感器回波信号信噪比的自适应高精度时频综合信号检测方法，实现了高信噪比下的短时计算和低信噪比下的抗干扰高精度频率测量；提出并采用了装配环境中的天线至谐振器匹配方法，结合变频器电源管理技术，提高了传感器功率利用率，极大提升了传感距离。 此外本作品融合了数字频率合成技术，变频器电源管理技术，传感技术，自动控制技术和射频网络技术，以嵌入式的DSP处理单元为核心，与计算机无线连接，构成了开放式的仪器平台。具有无源无线、远距离、分布式、全自动、传感器体积小和便携等优点。 仪器成本低廉，市场需求旺盛，国内未发现有同类仪器。应用领域包括监测大型建筑物配电电缆、野外输电线、电站涡轮、大型机械轴承等温度或无须更换电池的埋入式场合。对仪器系统稍作修改，可用于测量各种物理量和化学量。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的： 本作品实现远距离无源无线分布式温度监测。如电网部件、大型发动机轴承、电站涡轮或埋入式等场合。 基本思路： 研究实现小型化远距离分布式SAW传感系统，包括查询器和传感器。传感器的谐振频率随环境温度发生变化，查询器查询各传感器的谐振频率，间接测量环境温度。 创新点： 1 提出了多传感器分布式温度监测策略，实现了全自动远距离分布式非接触温度监测； 2 提出了基于传感器回波信号信噪比的自适应高精度时频综合信号检测方法，实现了高信噪比下的短时计算和低信噪比下的抗干扰高精度频率测量； 3 提出并采用了装配环境中的天线至谐振器匹配方法并运用了变频器电源管理技术，提高了传感器功率利用率，极大提升了传感距离。 技术关键： 提高查询距离，多传感器分布式监测策略，自适应信号处理方法，传感器能量利用效率提升。 主要技术指标： 无线查询距离，温度测量精度，查询速度。
科学性、先进性
- 科学性： 用无线测量传感器谐振频率的方法间接测量传感量，理论和实验均证明可行。构造不同的声表面波传感器即可测量不同的传感量。 先进性： 仪器采用直接数字频率合成技术、变频器电源管理技术、传感技术、自动控制技术和射频网络匹配技术，同时结合多种SAW回波信号检测处理方法，实现全自动远距离分布式非接触温度监测。作品能实现一键全自动测量，自动捕获谐振频率范围，搜索谐振点，跟踪锁定变化的温度。无线查询距离远，能查询4个以上的传感器，实现温度的分布式监测。基于信噪比的自适应高精度时频信号检测方法确保了在低信噪比和干扰较强的情况下获得高的频率测量精度，从而使仪器具有高的温度分辨率。提出并采用装配环境中的天线至谐振器匹配技术使得传感器中的“天线-谐振器”系统失配损耗降至最低，大大提高了激励功率利用效率，使得仪器具有远距离传感能力。无源传感器体积远小于一般同类传感器体积。一次查询周期短。传感器可以在恶劣条件下进行温度监测。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、现场演示、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：安装传感器至监测对象表面，查询单元置于距传感器20米范围内，PC机连接数传单元并运行监测软件。 技术特点和优势： 1）传感器无需电源（电池或其他能量获取装置）。2）无线测量距离远，可达20米。3）可以实现分布式温度监测，监测点数大于4。4）一键全自动测量。5）温度分辨率高，可以检测到0.05 ℃的温度变化。6）可以实现温度的实时测量、显示和记录，方便用户对测量数据进行对比、分析。软件功能易修改，并可加入报警功能，实现无人值守监测。7）无线数据无障碍传输距离大于300米，或可以更改为RS-485串行数据接口，实现更远距离的数据传输。 适用范围：温度范围0到200℃，适用于强电磁场、振动、高速运动、有毒等恶劣环境。 推广前景：仪器成本低廉，市场需求旺盛而未发现有同类仪器。应用领域包括监测大型建筑物配电电缆、野外输电线、电站涡轮、大型机械轴承等温度或无须更换电池的埋入式场合。对仪器系统稍作修改，可用于测量各种物理量和化学量。
同类课题研究水平概述
- 法国时间和频率中心同SENSEOR公司联合开发的采用窄带SAW谐振器无线查询系统基于网络分析仪的原理，构造了无线测量传感器的S11参数的无线查询器，通过查询回波最大功率对应的频率，确定谐振频率。但传感器运动或周围电磁环境变化时导致的回波功率变化会使查询器得到错误的最大功率对应的频率值。因回波信号功率不稳定，且要求回波信号有较高信噪比，该仪器系统测量距离近，稳定性不够。 Krishnamurthy, S.提出的查询单元测量SAW传感器响应信号的频率或相位，发射固定频率信号激励传感器响应，其发射功率高。但其查询单元使用固定发射频率，SAW传感器对查询信号功率利用率低，难以实现远距离查询。硬件设计不能消除发射信号对接收信号的干扰影响，不能自动跟踪响应频率。 因天线占据了传感器大部分体积，减小传感器尺寸，重点在减小天线尺寸。王军峰等研究的SAW传感器，设计了长度为15cm的偶极子螺旋天线。为扩大应用场合，减小传感器体积势在必行。 国内XX大学、上海交通大学和中电集团26所等研究机构也进行了相关研究。上海交通大学研究了SAW-RFID系统，将射频识别和传感功能结合，但其查询距离短，测量时间长，不能锁定当前温度值。中电集团26所研究了一种基于SAW传感器阵列、后向人工神经网络(BP2ANN)模式识别软件和信号处理硬件的SAW化学试剂检测器。传感器阵列输出的信号首先在FPGA中进行计数，然后通过MCU进行BP2ANN模式识别分析。其检测识别概率超过了90%，但只有在接收信噪比很高的前提下才能使用计数的检测方法，这同样不能实现远距离查询。 德国Klett， S.等人研究了SAW谐振器构成的传感器匹配模型和匹配方法。提出根据SAW谐振器等效电路参数来对谐振器进行匹配。空军工程大学江城等人研究了SAW传感器阻抗匹配方法与Klett， S.等人类似，并进行了电路仿真。这些方法均采用由谐振器匹配至天线的方法，未考虑天线阻抗受安装环境的影响，存在失配损耗较大等不足。导致查询距离不够远。 国内外的众多SAW传感系统中，多采用昂贵的数据采集卡采集信号。如XX大学采用计算机软件合成发射变频信号并处理接收信号，虽然利用了计算机在采集和处理信号方面的优势，但体积大，需要昂贵的数据采集卡，测量过程需人工干预。不能自动测量。
