基於碼分多址與ofc編碼相結合的saw傳感方法
2023-08-06 07:10:46
基於碼分多址與ofc編碼相結合的saw傳感方法
【專利摘要】本發明提供的基於碼分多址與OFC編碼相結合的SAW傳感方法，包括：閱讀器通過寬帶天線發射查詢信號至聲表面波傳感器；聲表面波傳感器通過單叉指換能器根據查詢信號的觸發接收OFC信號並轉化為聲表面波信號；令聲表面波信號經過頻率正交反射柵碼片組反射並經過單向叉指換能器形成回波信號；閱讀器通過寬帶天線接收回波信號；閱讀器對回波信號進行下線性調頻；閱讀器根據經下線性調頻後的回波信號進行溫度監測。本發明基於正交頻率和碼分復用編碼相結合的遠距離、多點連接和抗幹擾的聲表面波無線傳感器方法，解決了碼分復用編碼的無源傳感器系統的「遠近效應」，能夠滿足智能電網對電力設備溫度無線監測的要求。
【專利說明】基於碼分多址與OFC編碼相結合的SAW傳感方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電力設備的溫度監測領域，具體地，涉及基於碼分多址與OFC編碼相結合的SAW傳感方法。
【背景技術】
[0002]在電力設備狀態監測眾多監測量中，溫度是最為關鍵的檢測量之一。通過溫度監測，可及時準確地了解電力設備的運行狀態與故障信息。監測電力設備的運行溫度，如變壓器的油溫，輸電線路(架空線及電力電纜)的導體溫度可推算其負載極限容量和設備老化程度，從而為電力設備動態增容或維修更新提供依據。監測發電機的定轉子、高壓開關櫃、母線接頭、室外刀閘開關、斷路器觸頭、電容器、電抗器、高壓電纜、變壓器等處的溫度，能及時發現在其出現異常情況或者故障時所伴隨的局部或整體的過熱或溫度分布相對異常，也可為故障分析提供歷史資料。
[0003]現有針對電力設備溫度監測主要有紅外測溫、有源無線測溫以及分布式光纖測溫等技術方案。紅外測溫受環境條件因素影響較大，方案造價也高；有源無線測溫方案，現在一般採取電池或是電流互感器(CT)取電後為測溫晶片供電，傳感距離非常遠。但在高溫、超低溫、強電磁場等惡劣環境下，電池和電子元件的壽命都存在問題。採取CT取電方式的有源傳感器，因CT取電的線圈有安裝位置要求，在線路故障狀態下也無法供電，其應用同樣具有很大的局限性。光纖測溫屬於有線測溫方式，測量高電壓一次側的光纖或其護套存在對地絕緣性問題。同時光纖具有易折，易斷的特性。另外光纖傳感器設備造價較高。
[0004]基於聲表面波(surface acoustic wave,簡寫為SAW)技術的無線溫度傳感器利用的是壓電材料，具有純無源、無線特性，無須考慮傳感器供電、高電壓絕緣、設備旋轉等問題；可耐受高溫和低溫(?-200?IOO(TC);其不牽涉半導體材料中電子的遷移過程，壽命長、抗放電衝擊和抗電場、磁場等幹擾能力強；傳感器尺寸小(釐米級)，重量輕，易於結構設計與安裝。由此可見，SAW無線傳感技術為電力設備的溫度監測提供了一個具有廣闊應用前景的理想技術平臺。
[0005]但目前研製的SAW無線傳感陣列還不能完全滿足智能電網和特高壓應用中對溫度監測的需求，表現出的問題主要包括:
[0006]問題1:作用距離不夠。以架空線路動態增容的溫度監測為例，若以安裝的SAW閱讀器為球心來考慮，作用半徑至少在30米左右。美國Sengenuity公司研製的用於開關櫃溫度監測的SAW無線傳感器測溫作用距離只在2米之內。德國Brunsbiittel, PreussenElektra公司和Darmstadt工業大學在上世紀90年代末研製的用於電力傳輸線、半導體氧化物避雷器以及隔離開關合閘是否到位等應用的SAW無線溫度測量系統作用距離可達10米，但要在電力設備監測中推廣應用，其作用距離仍需進一步提高。
[0007]問題2:同時檢測的溫度點數量不夠。在輸電線路監測中，考慮同一桿塔上一回交流高壓輸電線路的三相，如果在塔兩側所接輸電線上安裝，考慮多回線路同杆情形及導線溫度模型推算需要所進行的環境溫度監測等情況，傳感器的數量則至少在7個以上。變壓器油溫、開關櫃溫度及其他電力設備的溫度監測要求對傳感器數量要求相似。美國Sengenuity公司研製的用於開關櫃溫度監測的SAW無線傳感陣列中傳感器數量可達6個(採用3個天線，實施空分復用後可達18個)，但佔據20MHz帶寬，遠遠超過433MHz頻段允許的1.87MHz帶寬要求。國內華中科技大學、上海交通大學、重慶大學以及中科院聲學所等單位研製的電力測溫的SAW無線傳感器也屬於該工作方式。
[0008]問題3:傳感器抗幹擾性能有待提高。隨著「智能電網」中無線傳感器的廣泛應用，傳感陣列受突發性、帶內同頻幹擾影響的可能性大大增加；在「智能電網」的各種應用場合下，不同場景的頻率選擇性衰落、多徑效應、氣候環境等影響也各不相同，可能造成無源傳感器無線鏈路中斷，回波數據丟失或者由於信噪比很差造成測量野值。這些因素都嚴重地影響到傳感陣列的可靠性，可能造成誤報警甚至繼電保護誤動作。
[0009]近年，有學者提出採用正交頻率編碼(OFC)的SAW射頻標籤傳感技術方案。該方案借鑑了無線通訊中正交頻分復用(OFDM)的思想，能有效地克服信道的頻率選擇性衰落，有利於提高SAW傳感器的可靠性。同時，OFC的SAW無線傳感器每條反射柵都是窄帶的，基本不反射其他正交頻率。相對於反射延遲線型SAW傳感器，每條反射柵的反射率不再僅為10%左右(否則後續反射柵將接收不到查詢脈衝能量)，而是可以達到40?50%。僅反射柵反射損耗一項，採用OFC的SAW傳感器就可降低插損12-13dB。正交頻分編碼是一種擴頻編碼，類似於脈內信息調製雷達，傳感器在解調時，可以根據每位中包含的碼片數量N，增加201og10N的信噪比，有利於作用距離的提高。據文獻報導，OFC編碼的SAW射頻標籤(RFID)閱讀距離可達60米。但該編碼方式用於溫度傳感器時還存在若干困難需要克服:
[0010]困難1:因為要對溫度敏感，故不能像OFC-RFID那樣選取低溫度係數的壓電材料作為基片材料。但由於溫度變化，類似於通訊系統中OFDM產生都卜勒頻移，原本相互正交頻率的條件被破壞。閱讀器解調傳感器信息時，相關峰性能隨溫度變化範圍增大而急劇下降。文獻報導的測溫範圍只有55度。
[0011]困難2:0FC本身不具有多址能力。SAW器件又是純無源的，只能被動地反射查詢信號，而不能主動地控制何時發送或停止發送信息。閱讀器若要同時查詢和讀取多個OFC-SAW傳感器時，現有的方案是採用時分復用與OFC編碼相結合。但由於受限於可應用的無線帶寬和SAW基片材料長度，在10毫米長的壓電基片上(已是極限，再長SAW傳播損耗和衍射損耗將大得無法接受)很難實現8種以上的傳感器類型。
【發明內容】
[0012]針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基於碼分多址與OFC編碼相結合的SAW傳感方法。
[0013]根據本發明提供的基於碼分多址與OFC編碼相結合的SAW傳感方法，包括如下步驟:
[0014]步驟1:閱讀器通過寬帶天線發射查詢信號至聲表面波傳感器；其中，所述聲表面波傳感器，包括:單向叉指換能器、頻率正交反射柵碼片組；
[0015]步驟2:聲表面波傳感器通過單叉指換能器根據查詢信號的觸發接收正交頻率編碼信號並轉化為聲表面波信號；
[0016]步驟3:令聲表面波信號經過頻率正交反射柵碼片組反射並經過單向叉指換能器形成回波信號；
[0017]步驟4:閱讀器通過寬帶天線接收回波信號；
[0018]步驟5:閱讀器對回波信號進行下線性調頻；
[0019]步驟6:閱讀器根據經下線性調頻後的回波信號進行溫度監測。
[0020]優選地，所述步驟6包括如下任一個或任多個步驟:
[0021]步驟6A:依照傳感器編碼的第一編碼信號識別出發送回波信號的聲表面波傳感器，其中，所述第一編碼信號對應首個碼片所形成的子頻率；
[0022]步驟6a:根據回波信號獲取溫度信息，具體地，步驟6a包括如下步驟:
[0023]步驟6al:依照識別出的聲表面波傳感器，自適應生成與該聲表面波傳感器反射柵頻率自合匹配信號g [ (f_ Λ fi)，(t_ τ J，Si]，g (f，t, Si)為自適應匹配濾波函數，Λ fi為頻率偏移，τ i為時延，Si為功率匹配係數的函數,最佳匹配係數(Λ fM, τΜ, sM)為相關峰最大時對應的匹配係數值；
[0024]步驟6a2:進行溫度搜索，計算η個溫度中每個溫度下的匹配信號g[(f-Afi), (t-τ,) )Si],並將匹配信號8[(卜厶&)，(t_ Ti), Si]與回波信號做相關運算，得到相關峰值；
[0025]步驟6a3:所有相關峰值的最大值(Λ fM, τ M, sM)對應的溫度即為該聲表面波傳感器對應的溫度信息；
[0026]步驟6a4:若第一編碼信號有多個傳感器信號，則按照上述步驟6al、6a2、6a3依次犾取溫度?η息。
`[0027]優選地，所述聲表面波傳感器為通過如下步驟優化後的傳感器:
[0028]-通過格林函數結合有限元工具，優化SAW傳感器換能器和反射柵結構，降低插入損耗，具體為:根據鈮酸鋰基片上不同取向、換能器和開路、短路、浮動指條式反射柵在基頻及二次諧頻下:指條數、金屬化厚度、金屬化率及浮動指條拓撲加權、位置加權與反射、透射係數的幅值和相位變化規律，計算不同指條數、金屬化厚度、金屬化率等條件下反射柵的反射係數和透射係數；利用其規律性，設計出各正交頻率分量反射係數相同的SAW傳感器；利用Lagrangian描述下的溫度係數,帶入格林函數,優化出對各正交頻率反射特性的溫度變化斜率最低的反射柵拓撲結構，降低溫度對反射率的影響，保證傳感器閱讀距離不隨著溫度升高而又顯著下降。
[0029]優選地，所述頻率正交反射柵碼片組，包括:η個依次排列的碼片；
[0030]所述η個碼片構成一種傳感器編碼；不同的聲表面波傳感器所含頻率正交反射柵碼片組構成的傳感器編碼各不相同；
[0031]每個碼片由一種中心頻率一定的反射柵電極組成，形成對一個正交子頻率的反射；
[0032]所述多個碼片之間形成的子頻率相互正交；
[0033]每個碼片反射信號的時域長度保持一致，滿足正交條件。
[0034]優選地，在每一個頻率正交反射柵碼片組中，相鄰的碼片之間均設置一個相等的固定時延τ D作為保護填充，以在時域空間對不同頻率信號的疊加與相互影響形成隔斷，抑制各子頻率間的幹擾。
[0035]優選地，在多個聲表面波傳感器構成的聲表面波傳感器陣列中，每個傳感器編碼對應的首個碼片所形成的子頻率各不相同，而後面η-l個碼片形成的子頻率的排列採用隨機碼、基於載波幹擾比最大的預編碼、或者Turbo碼編碼。
[0036]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0037]本發明提出基於正交頻率和碼分復用編碼相結合的遠距離、多點連接和抗幹擾的聲表面波無線傳感器方法，是創新之處，因為該技術路線可以藉助於正交頻率技術，較好地解決碼分復用編碼的無源傳感器系統的「遠近效應」，能夠同時閱讀多個無源SAW傳感器作用距離最遠的系統，滿足智能電網對電力設備溫度無線監測的要求。在具體的技術路線方面，有兩處研究特色。其一是針對正交頻率編碼受溫度影響後會產生不正交的問題，本發明提出了在反射柵之間增加該保護填充可保證SAW傳感器上各碼片之間對各個子頻率信號的反射不會形成相互幹擾，即便是各碼片受溫度的影響，反射頻率發生偏移，該段時隙也能在時域空間對不同頻率信號的疊加與相互影響形成隔斷，抑制各子頻率間的幹擾。其二是在利用聲表面波器件的反射柵表示正交頻率編碼時，本發明利用廣義格林函數結合有限元理論，精確分析稀疏電極組成的反射柵的Rayleigh波在基頻及諧頻下的反射、透射和散射等物理問題，解決了國際上利用傅立葉變換方法中計算速度慢、體波散射計算精度低等缺點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯:
[0039]圖1為基於OFC聲表面波傳感器的電力設備溫度監測方案整體框架；
[0040]圖2為多傳感器碼分復用編碼的時-頻特性；
[0041]圖3為基於碼分多址的自適應匹配濾波示意圖；
[0042]圖4為面向輸電線路溫度監測傳感器結構。
[0043]圖中:
[0044]101為對口螺栓；
[0045]102為輸電線的線芯；
[0046]103 為螺釘；
[0047]104為微帶天線；
[0048]105為聲表面波傳感器；
[0049]106為輸電線的金屬外殼。
【具體實施方式】
[0050]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。
[0051]本發明提供了一種碼分多址(CDMA)與OFC編碼相結合的SAW (無源無線)傳感器技術。碼分多址是解決移動通訊中多址訪問的好方法。但無源SAW傳感器不能像通信設備那樣主動地進行功率均衡，即當多個傳感器與閱讀器存在「遠近效應」時，回波幅度相差很大，無法通過相關運算分離出各個傳感器的信息，因此單獨採用CDMA編碼的SAW傳感陣列並不實用。但若將正交頻率編碼與CDMA相結合，則可以首先通過估計各個正交頻率的頻譜大小，實現功率均衡，然後可以實現多傳感器信息逐個分離解出。由於這種方式的SAW傳感器的所有反射回波信號允許在時間域相互重合，但在時-頻二維空間可以很好的分離，此外，設計出的傳感器回波信號又可以實現碼分復用的相關處理增益，可以很輕易地實現8種以上不同傳感器。
[0052]正交頻率與CDMA相結合編碼的SAW傳感器在進行測溫時可以採用不同於目前OFC-SAW溫度傳感器的解調方法。一方面，可以精確計算SAW反射柵對各正交頻率反射特性隨溫度變化關係，從中優化出對各正交頻率反射特性對溫度變化斜率最低的反射柵拓撲結構，降低溫度對反射率的影響，保證傳感器閱讀距離不隨著溫度升高而又顯著下降；另一方面，可以採用一種根據測量溫度自適應搜索、匹配濾波的解調方法，在獲得匹配輸出的同時也獲得了被測溫度值。
[0053]為解決「智能電網」電力設備，特別是特高壓電力設備對溫度監測的需求，本發明提出基於正交頻率編碼與碼分多址相結合的聲表面波無源無線傳感方法，以實現遠距離、多點連接測量以及高可靠性的溫度監測。
[0054]下面對本發明系統的整體框架進行說明。
[0055]如圖1所示，在所構建電力設備溫度監測模型空間中，包括:閱讀器、寬帶天線、多個聲表面波傳感器。其中，聲表面波傳感器包括:單向叉指換能器、頻率正交反射柵碼片組；聲表面波傳感器I?N任意分布(根據電力設備監測實際需求，N取值在8至10之間可滿足要求)。
[0056]溫度監測信號處理流程如下:
[0057]步驟1:閱讀器通過寬帶天線發射上線性調頻(upchirp)查詢信號，上線性調頻查詢信號在強電磁幹擾信道A中傳播至聲表面波傳感器；
[0058]步驟2:聲表面波傳感器通過單向叉指換能器根據上線性調頻查詢信號接收OFC信號並轉化為聲表面波信號；
[0059]步驟3:令聲表面波信號經過頻率正交反射柵碼片組反射並經過單向叉指換能器形成回波信號；
[0060]步驟4:回波信號在強電磁幹擾信道A中傳播至閱讀器，閱讀器通過寬帶天線接收回波信號並進行下線性調頻(downchirp)；
[0061]步驟5:閱讀器對經下線性調頻後的回波信號進行解調等信號處理過程，進行多傳感器識別與溫度信息提取。
[0062]其中，上下線性調頻可以增加20?50左右的處理增益，有利於提高聲表面波傳感器作用距離。
[0063]下面對OFC結合CDMA編碼的技術路線進行說明。
[0064]如圖1右下角所示，聲表面波傳感器含有&?f78個碼片並構成一種編碼，其中，碼片是指碼片。其中每個碼片又由中心頻率固定的電極組成，形成對一個正交子頻率的反射；多個之間形成的子頻率相互正交。應根據正交頻率編碼理論設計出每個碼片中電極的數量，以確保每個碼片反射信號的時域長度保持一致(在時間響應上對應圖1中的時延τ。)，滿足正交條件。各碼片的排列順序不同，形成其他編碼。例如:圖1中f2、f5、f3的排列順序構成一種編碼；若按f4、f7、f6、f(!、f\、f2> f3、f5的排列順序則構成另外一種傳感器。根據正交編碼理論，當器件響應進行自相關運算時，可以有很高的相關峰(理論上具有N位正交頻率編碼的聲表面波傳感器，通過壓縮脈衝的方式處理回波信號，可以形成N2倍處理增益，結合上、下線性調頻的處理增益50，因此可以在發射功率和接收靈敏度相同情況下，大大提高傳感器無線作用距離)。而兩種不同編碼的器件進行互相關運算時，卻有很低的互相關峰。本發明研究仿真挑選那些兩兩互相關峰很低的編碼組成一個傳感器陣列，即使這些傳感器同時響應閱讀器的查詢信號，回波在時域上都混疊在一起，仍可通過碼分復用方法進行區分。
[0065]在圖1中還可看到:各碼片之間增加了一個相等的固定時延τΒ (保護填充)。增加該保護填充可保證SAW傳感器上各碼片之間對各個子頻率信號的反射不會形成相互幹擾，即便是各碼片受溫度的影響，反射頻率發生偏移，該段時隙也能在時域空間對不同頻率信號的疊加與相互影響形成隔斷，抑制各子頻率間的幹擾。
[0066]下面對多傳感器檢測識別、頻偏估計及基於自適應匹配濾波的溫度檢測進行說明。
[0067]為了實現多個聲表面波傳感器的識別，在複雜電磁環境中提高編碼的識別率，對於在回波信號處理中採取相關運算提高信號處理增益與身份識別方法而言，需要降低各編碼信號之間的互相關性，就需要優化對應各子頻率碼片的空間排序。可能的排列方法可借鑑隨機碼、基於載波幹擾比最大的預編碼或者Turbo碼編碼均可降低碼間幹擾，保證信號處理增益的提高。上述方法也是碼分復用的多址訪問原理。但在多傳感器與閱讀器之間距離不等的情況下，各傳感器回波信號的功率及噪聲水平不等，只有消除閱讀器與傳感器之間的「遠近效應」，才能在多傳感器時域響應彼此混疊情況下，有效分離出各傳感器的響應。
[0068]本發明使聲表面波傳感器陣列中的每個傳感器編碼的首個碼片子頻率不同，而後面η-l個頻率的排列採用隨機碼、基於載波幹擾比最大的預編碼或者Turbo碼編碼。在解決傳感器基片上碼間幹擾時所增加的時隙同樣對傳感器識別起作用。如果時延「大於調製信號及其經過傳感器響應之後的回波信`號在信道中的傳播時間之和，如半徑為30米的球域空間，該時延小於200ns，則該時延可保證閱讀器在接收多傳感器回波信號時，任意傳感器回波的第二編碼信號在時域空間內不會進入第一編碼信號時間間隙。如圖3所示，f(t)為所有傳感器時域響應信號的疊加，g[(f- Δ fi), (t- τ j), Si]為自適應匹配濾波函數,為頻率偏移，時延，功率匹配係數的函數，最佳匹配係數(Λ fM, τΜ, sM)為相關峰最大時對應的匹配係數值。在解調後的回波信號第一段(τ Jtd)時隙中，所含不同頻率成分的信號對應不同傳感器。這樣依照第一編碼的信號即可初步識別混疊信號中含有幾個傳感器信息、以及這幾個傳感器的編碼。本發明根據各回波信號功率譜的評估，對不同編碼傳感器進行功率均衡。此時每個子頻率頻偏的大小精度不高，不能用於溫度檢測，但可以極大地縮小後續匹配濾波過程的溫度搜索範圍，提高搜索效率。
[0069]然後可以按照圖3所示的方法，逐次進行自適應匹配濾波，當生成某一特定編碼的匹配信號g(f，s，t)與時域混疊的多傳感器信號f(t)的自相關運算相關峰達到最大值時，即可確定出該編碼傳感器對應的溫度值。然後再更換陣列回波信號中存在的另外一個編碼重新按圖3進行搜索。需要說明的是，生成的匹配信號g(f，s，t)看似為一個二維信號，但其中的兩個自變量都只是溫度的函數，根據搜索的溫度，即可確定出各自的值。因此整個搜素速度是可以保證的。
[0070]下面對傳感器的優化響應進行說明。
[0071]為保證正交頻率編碼在SAW傳感器上的低損耗表徵，本發明重點研究叉指換能器頻響特性，換能效率和反射柵的反射特性與頻響特性，並對其參數進行優化設計。因正交頻率編碼的反射柵金屬化厚度相同，但反射柵周期數、反射電極根數相差很大，可以根據鈮酸鋰基片上不同取向、換能器和開路、短路、浮動指條式反射柵在基頻及二次諧頻下:指條數、金屬化厚度、金屬化率及浮動指條拓撲加權、位置加權與反射、透射係數的幅值和相位變化規律，計算不同指條數、金屬化厚度、金屬化率等條件下反射柵的反射係數和透射係數。得到其規律性，以確保設計出各正交頻率分量反射係數相同的SAW傳感器。利用Lagrangian描述下的溫度係數，帶入格林函數，優化出對各正交頻率反射特性的溫度變化斜率最低的反射柵拓撲結構，降低溫度對反射率的影響，保證傳感器閱讀距離不隨著溫度升高而又顯著下降。
[0072]在傳感器結構方面，應綜合考慮傳感器安裝、傳感器精度與動態性以及消除安裝應力、閱讀器晶振溫漂等幹擾因素等問題。圖4是本發明採取的面向輸電線路溫度檢測傳感器結構。如圖4所示傳感器安裝的位置，可通過金屬與線芯很好接觸，同時通過隔熱絕緣材料與外殼金屬隔開，保證溫度能很好地跟隨芯線溫度的變化，同時又不會因為外殼金屬的散熱影響測量的精度。微帶天線與外殼板之間用絕緣材料隔開，通過螺釘固定。利用有限元軟體等工具優化傳感器結構尺寸和封裝的熱容量與導熱結構。提高傳感器動態性指標。傳感器的封裝和引線是影響傳感器穩定性的重要因素，由於SAW對質量加載非常敏感，灰塵、油潰、潮溼等因素可能會使傳感器完全失效。如何通過合理封裝既保證基片表面與外界完全隔離，又保證在傳感器安裝後被測量能高效加載到基片上，達到機械上牢固，抗振動，抗衝擊，同時避免熱應力和封裝寄生效應對敏感元件和高頻表面波的影響，是表面波傳感器封裝時必須要考慮和解決的問題。
[0073]在天線設計方面，採用微帶線天線形式。採用全波仿真軟體Ansoft HFSS進行建模，仿真計算天線的反射係數、增益、方向圖和阻抗曲線等參數。饋電系統的正確設計對於提高天線輻射，接收效率是十分重要的。聲表面波器件本身的阻抗與發射天線的阻抗可通過微帶饋線網絡結構來實現匹配。根據天線的阻抗特性曲線，設計微帶巴倫饋線，使天線在設計頻帶內阻抗漸變至50 Ω。天線的頻帶根據電力設備監控現場電磁幹擾信號的特性初步選擇在中心頻率為915MHz的890MHz-940MHz。
[0074]根據本發明實現的實現8-10個傳感器30米內的無幹擾同步閱讀，溫度檢測範圍-50°C?+150°C，檢測誤差±1°C以內。其中的915MHz無線SAW傳感器的作用距離已可達5米。通過降低傳感器反射損耗12-13dB，上下線性調頻帶來處理增益50乘以碼分復用解調處理增益64，兩項共折合30dB，因此，將傳感器的作用距離提高到30米能夠得以實現。
[0075]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。
【權利要求】
1.一種基於碼分多址與OFC編碼相結合的SAW傳感方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟1:閱讀器通過寬帶天線發射查詢信號至聲表面波傳感器；其中，所述聲表面波傳感器，包括:單向叉指換能器、頻率正交反射柵碼片組； 步驟2:聲表面波傳感器通過單叉指換能器根據查詢信號的觸發接收正交頻率編碼信號並轉化為聲表面波信號； 步驟3:令聲表面波信號經過頻率正交反射柵碼片組反射並經過單向叉指換能器形成回波信號； 步驟4:閱讀器通過寬帶天線接收回波信號； 步驟5:閱讀器對回波信號進行下線性調頻； 步驟6:閱讀器根據經下線性調頻後的回波信號進行溫度監測； 相應地，在步驟I中，所述查詢信號為上線性調頻查詢信號。
2.根據權利要求1所述的基於碼分多址與OFC編碼相結合的SAW傳感方法，其特徵在於，所述步驟6包括如下任一個或任多個步驟: 步驟6A:依照傳感器編碼的第一編碼信號識別出發送回波信號的聲表面波傳感器，其中，所述第一編碼信號對應首個碼片所形成的子頻率； 步驟6a:根據回波信號獲取溫度信息，具體地，步驟6a包括如下步驟: 步驟6al:依照識別出的聲表面波傳感器，自適應生成與該聲表面波傳感器反射柵頻率自合匹配信號g [ (f_ Λ f\)，(t- τ J，Si]，g (f，t, Si)為自適應匹配濾波函數，Δ fi為頻率偏移，^為時延，Si為功率匹配係數的函數，最佳匹配係數(AfM，τΜ，sM)為相關峰最大時對應的匹配係數值； 步驟6a2:進行溫度搜索，計算η個溫度中每個溫度下的匹配信號g[(f-Afi), (t-τ,) )Si],並將匹配信號8[(卜厶&)，(t-Ti), Si]與回波信號做相關運算，得到相關峰值； 步驟6a3:所有相關峰值的最大值(Λ fM, τ M, sM)對應的溫度即為該聲表面波傳感器對應的溫度信息； 步驟6a4:若第一編碼信號有多個傳感器信號，則按照上述步驟6al、6a2、6a3依次獲取溫度信息。
3.根據權利要求1所述的基於碼分多址與OFC編碼相結合的SAW傳感方法，其特徵在於，所述聲表面波傳感器為通過如下步驟優化後的傳感器: -通過格林函數結合有限元工具，優化SAW傳感器換能器和反射柵結構，降低插入損耗，具體為:根據鈮酸鋰基片上不同取向、換能器和開路、短路、浮動指條式反射柵在基頻及二次諧頻下:指條數、金屬化厚度、金屬化率及浮動指條拓撲加權、位置加權與反射、透射係數的幅值和相位變化規律，計算不同指條數、金屬化厚度、金屬化率等條件下反射柵的反射係數和透射係數；利用其規律性，設計出各正交頻率分量反射係數相同的SAW傳感器；利用Lagrangian描述下的溫度係數,帶入格林函數，優化出對各正交頻率反射特性的溫度變化斜率最低的反射柵拓撲結構，降低溫度對反射率的影響，保證傳感器閱讀距離不隨著溫度升高而又顯著下降。
【文檔編號】G01K11/26GK103884447SQ201410073651
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月3日 優先權日:2014年3月3日
【發明者】胡嶽, 韓韜, 江秀臣 申請人:上海交通大學