久久一区二区免费播放,国产在线欧美日韩一区二区,国产综合色在线视频,精品伊人久久久香线蕉,精品视频麻豆网站,玖玖国产,国内精品久久久久影,在线观看精品视频一区二区三区,午夜久久影院,国产精品一区久久

基于多傳感器識(shí)別的溫度檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于多傳感器識(shí)別的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，包括：閱讀器、寬帶天線、N個(gè)聲表面波傳感器；聲表面波傳感器包括：?jiǎn)蜗虿嬷笓Q能器、頻率正交反射柵碼片組，其中：閱讀器通過寬帶天線發(fā)射查詢信號(hào)至聲表面波傳感器；其中，所述聲表面波傳感器，包括：?jiǎn)蜗虿嬷笓Q能器、頻率正交反射柵碼片組；聲表面波傳感器根據(jù)查詢信號(hào)的觸發(fā)接收正交頻率編碼信號(hào)并轉(zhuǎn)化為聲表面波信號(hào)；閱讀器通過寬帶天線接收回波信號(hào)。本發(fā)明基于正交頻率和碼分復(fù)用編碼相結(jié)合的遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)連接和抗干擾的聲表面波無線傳感器方法，解決了碼分復(fù)用編碼的無源傳感器系統(tǒng)的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，能夠滿足智能電網(wǎng)對(duì)電力設(shè)備溫度無線監(jiān)測(cè)的要求。
【專利說明】基于多傳感器識(shí)別的溫度檢測(cè)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體地，涉及基于多傳感器識(shí)別的溫度檢測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)眾多監(jiān)測(cè)量中，溫度是最為關(guān)鍵的檢測(cè)量之一。通過溫度監(jiān)測(cè)，可及時(shí)準(zhǔn)確地了解電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與故障信息。監(jiān)測(cè)電力設(shè)備的運(yùn)行溫度，如變壓器的油溫，輸電線路(架空線及電力電纜)的導(dǎo)體溫度可推算其負(fù)載極限容量和設(shè)備老化程度，從而為電力設(shè)備動(dòng)態(tài)增容或維修更新提供依據(jù)。監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子、高壓開關(guān)柜、母線接頭、室外刀閘開關(guān)、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(shí)發(fā)現(xiàn)在其出現(xiàn)異常情況或者故障時(shí)所伴隨的局部或整體的過熱或溫度分布相對(duì)異常，也可為故障分析提供歷史資料。
[0003]現(xiàn)有針對(duì)電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)主要有紅外測(cè)溫、有源無線測(cè)溫以及分布式光纖測(cè)溫等技術(shù)方案。紅外測(cè)溫受環(huán)境條件因素影響較大，方案造價(jià)也高；有源無線測(cè)溫方案，現(xiàn)在一般采取電池或是電流互感器(CT)取電后為測(cè)溫芯片供電，傳感距離非常遠(yuǎn)。但在高溫、超低溫、強(qiáng)電磁場(chǎng)等惡劣環(huán)境下，電池和電子元件的壽命都存在問題。采取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(tài)下也無法供電，其應(yīng)用同樣具有很大的局限性。光纖測(cè)溫屬于有線測(cè)溫方式，測(cè)量高電壓一次側(cè)的光纖或其護(hù)套存在對(duì)地絕緣性問題。同時(shí)光纖具有易折，易斷的特性。另外光纖傳感器設(shè)備造價(jià)較高。
[0004]基于聲表面波(surface acoustic wave,簡(jiǎn)寫為SAW)技術(shù)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(shè)備旋轉(zhuǎn)等問題；可耐受高溫和低溫(?-200?IOO(TC);其不牽涉半導(dǎo)體材料中電子的遷移過程，壽命長(zhǎng)、抗放電沖擊和抗電場(chǎng)、磁場(chǎng)等干擾能力強(qiáng)；傳感器尺寸小(厘米級(jí))，重量輕，易于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝。由此可見，SAW無線傳感技術(shù)為電力設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)具有廣闊應(yīng)用前景的理想技術(shù)平臺(tái)。
[0005]但目前研制的SAW無線傳感陣列還不能完全滿足智能電網(wǎng)和特高壓應(yīng)用中對(duì)溫度監(jiān)測(cè)的需求，表現(xiàn)出的問題主要包括:
[0006]問題1:作用距離不夠。以架空線路動(dòng)態(tài)增容的溫度監(jiān)測(cè)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(guó)Sengenuity公司研制的用于開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)的SAW無線傳感器測(cè)溫作用距離只在2米之內(nèi)。德國(guó)Brunsbiittel, PreussenElektra公司和Darmstadt工業(yè)大學(xué)在上世紀(jì)90年代末研制的用于電力傳輸線、半導(dǎo)體氧化物避雷器以及隔離開關(guān)合閘是否到位等應(yīng)用的SAW無線溫度測(cè)量系統(tǒng)作用距離可達(dá)10米，但要在電力設(shè)備監(jiān)測(cè)中推廣應(yīng)用，其作用距離仍需進(jìn)一步提高。
[0007]問題2:同時(shí)檢測(cè)的溫度點(diǎn)數(shù)量不夠。在輸電線路監(jiān)測(cè)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(cè)所接輸電線上安裝，考慮多回線路同桿情形及導(dǎo)線溫度模型推算需要所進(jìn)行的環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)等情況，傳感器的數(shù)量則至少在7個(gè)以上。變壓器油溫、開關(guān)柜溫度及其他電力設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)要求對(duì)傳感器數(shù)量要求相似。美國(guó)Sengenuity公司研制的用于開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)的SAW無線傳感陣列中傳感器數(shù)量可達(dá)6個(gè)(采用3個(gè)天線，實(shí)施空分復(fù)用后可達(dá)18個(gè))，但占據(jù)20MHz帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過433MHz頻段允許的1.87MHz帶寬要求。國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、重慶大學(xué)以及中科院聲學(xué)所等單位研制的電力測(cè)溫的SAW無線傳感器也屬于該工作方式。
[0008]問題3:傳感器抗干擾性能有待提高。隨著“智能電網(wǎng)”中無線傳感器的廣泛應(yīng)用，傳感陣列受突發(fā)性、帶內(nèi)同頻干擾影響的可能性大大增加；在“智能電網(wǎng)”的各種應(yīng)用場(chǎng)合下，不同場(chǎng)景的頻率選擇性衰落、多徑效應(yīng)、氣候環(huán)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(shù)據(jù)丟失或者由于信噪比很差造成測(cè)量野值。這些因素都嚴(yán)重地影響到傳感陣列的可靠性，可能造成誤報(bào)警甚至繼電保護(hù)誤動(dòng)作。
[0009]近年，有學(xué)者提出采用正交頻率編碼(OFC)的SAW射頻標(biāo)簽傳感技術(shù)方案。該方案借鑒了無線通訊中正交頻分復(fù)用(OFDM)的思想，能有效地克服信道的頻率選擇性衰落，有利于提高SAW傳感器的可靠性。同時(shí)，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(duì)于反射延遲線型SAW傳感器，每條反射柵的反射率不再僅為10%左右(否則后續(xù)反射柵將接收不到查詢脈沖能量)，而是可以達(dá)到40?50%。僅反射柵反射損耗一項(xiàng)，采用OFC的SAW傳感器就可降低插損12-13dB。正交頻分編碼是一種擴(kuò)頻編碼，類似于脈內(nèi)信息調(diào)制雷達(dá)，傳感器在解調(diào)時(shí)，可以根據(jù)每位中包含的碼片數(shù)量N，增加201og10N的信噪比，有利于作用距離的提高。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，OFC編碼的SAW射頻標(biāo)簽(RFID)閱讀距離可達(dá)60米。但該編碼方式用于溫度傳感器時(shí)還存在若干困難需要克服:
[0010]困難1:因?yàn)橐獙?duì)溫度敏感，故不能像OFC-RFID那樣選取低溫度系數(shù)的壓電材料作為基片材料。但由于溫度變化，類似于通訊系統(tǒng)中OFDM產(chǎn)生多普勒頻移，原本相互正交頻率的條件被破壞。閱讀器解調(diào)傳感器信息時(shí)，相關(guān)峰性能隨溫度變化范圍增大而急劇下降。文獻(xiàn)報(bào)道的測(cè)溫范圍只有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(dòng)地反射查詢信號(hào)，而不能主動(dòng)地控制何時(shí)發(fā)送或停止發(fā)送信息。閱讀器若要同時(shí)查詢和讀取多個(gè)OFC-SAW傳感器時(shí)，現(xiàn)有的方案是采用時(shí)分復(fù)用與OFC編碼相結(jié)合。但由于受限于可應(yīng)用的無線帶寬和SAW基片材料長(zhǎng)度，在10毫米長(zhǎng)的壓電基片上(已是極限，再長(zhǎng)SAW傳播損耗和衍射損耗將大得無法接受)很難實(shí)現(xiàn)8種以上的傳感器類型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于多傳感器識(shí)別的溫度檢測(cè)系統(tǒng)。
[0013]根據(jù)本發(fā)明提供的基于多傳感器識(shí)別的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括:閱讀器、寬帶天線、N個(gè)聲表面波傳感器；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，其中:
[0014]閱讀器通過寬帶天線發(fā)射查詢信號(hào)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]聲表面波傳感器通過單叉指換能器根據(jù)查詢信號(hào)的觸發(fā)接收正交頻率編碼信號(hào)并轉(zhuǎn)化為聲表面波信號(hào)；[0016]其中，聲表面波信號(hào)經(jīng)過頻率正交反射柵碼片組反射并經(jīng)過單向叉指換能器形成回波信號(hào)；
[0017]閱讀器通過寬帶天線接收回波信號(hào)。
[0018]優(yōu)選地，所述頻率正交反射柵碼片組，包括:n個(gè)依次排列的碼片；
[0019]所述η個(gè)碼片構(gòu)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(gòu)成的傳感器編碼各不相同；
[0020]每個(gè)碼片由一種中心頻率一定的反射柵電極組成，形成對(duì)一個(gè)正交子頻率的反射；
[0021]所述多個(gè)碼片之間形成的子頻率相互正交；
[0022]每個(gè)碼片反射信號(hào)的時(shí)域長(zhǎng)度保持一致，滿足正交條件。
[0023]優(yōu)選地，在每一個(gè)頻率正交反射柵碼片組中，相鄰的碼片之間均設(shè)置一個(gè)相等的固定時(shí)延τ D作為保護(hù)填充，以在時(shí)域空間對(duì)不同頻率信號(hào)的疊加與相互影響形成隔斷，抑制各子頻率間的干擾。
[0024]優(yōu)選地，在多個(gè)聲表面波傳感器構(gòu)成的聲表面波傳感器陣列中，每個(gè)傳感器編碼對(duì)應(yīng)的首個(gè)碼片所形成的子頻率各不相同，而后面η-l個(gè)碼片形成的子頻率的排列采用隨機(jī)碼、基于載波干擾比最大的預(yù)編碼、或者Turbo碼編碼。
[0025]優(yōu)選地，閱讀器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行下線性調(diào)頻；閱讀器根據(jù)經(jīng)下線性調(diào)頻后的回波信號(hào)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)；相應(yīng)地，閱讀器發(fā)射的所述查詢信號(hào)為上線性調(diào)頻查詢信號(hào)。
[0026]優(yōu)選地，閱讀器依照傳感器編碼的第一編碼信號(hào)識(shí)別出發(fā)送回波信號(hào)的聲表面波傳感器，其中，所述第一編碼信號(hào)對(duì)應(yīng)首個(gè)碼片所形成的子頻率。
[0027]優(yōu)選地，閱讀器根據(jù)回波信號(hào)獲取溫度信息，具體地，閱讀器執(zhí)行如下步驟:
[0028]步驟6al:依照識(shí)別出的聲表面波傳感器，自適應(yīng)生成與該聲表面波傳感器反射柵頻率自合匹配信號(hào)g [ (f_ Λ fi)，(t_ τ J，Si]，g (f，t, Si)為自適應(yīng)匹配濾波函數(shù)，Λ fi為頻率偏移，τ i為時(shí)延，Si為功率匹配系數(shù)的函數(shù),最佳匹配系數(shù)(Λ fM, τΜ, sM)為相關(guān)峰最大時(shí)對(duì)應(yīng)的匹配系數(shù)值；
[0029]步驟6a2:進(jìn)行溫度搜索，計(jì)算η個(gè)溫度中每個(gè)溫度下的匹配信號(hào)g[(f-Afi), (t-τ,) )Si],并將匹配信號(hào)8[(卜厶&)，(t_ Ti), Si]與回波信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)峰值；
[0030]步驟6a3:所有相關(guān)峰值的最大值(Λ fM, τ M, sM)對(duì)應(yīng)的溫度即為該聲表面波傳感器對(duì)應(yīng)的溫度信息；
[0031]步驟6a4:若第一編碼信號(hào)有多個(gè)傳感器信號(hào)，則按照上述步驟6al、6a2、6a3依次犾取溫度?η息。
[0032]優(yōu)選地，所述聲表面波傳感器為通過如下步驟優(yōu)化后的傳感器:
[0033]-通過格林函數(shù)結(jié)合有限元工具，優(yōu)化SAW傳感器換能器和反射柵結(jié)構(gòu)，降低插入損耗，具體為:根據(jù)鈮酸鋰基片上不同取向、換能器和開路、短路、浮動(dòng)指條式反射柵在基頻及二次諧頻下:指條數(shù)、金屬化厚度、金屬化率及浮動(dòng)指條拓?fù)浼訖?quán)、位置加權(quán)與反射、透射系數(shù)的幅值和相位變化規(guī)律，計(jì)算不同指條數(shù)、金屬化厚度、金屬化率等條件下反射柵的反射系數(shù)和透射系數(shù)；利用其規(guī)律性，設(shè)計(jì)出各正交頻率分量反射系數(shù)相同的SAW傳感器；利用Lagrangian描述下的溫度系數(shù),帶入格林函數(shù),優(yōu)化出對(duì)各正交頻率反射特性的溫度變化斜率最低的反射柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低溫度對(duì)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。
[0034]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0035]本發(fā)明提出基于正交頻率和碼分復(fù)用編碼相結(jié)合的遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)連接和抗干擾的聲表面波無線傳感器方法，是創(chuàng)新之處，因?yàn)樵摷夹g(shù)路線可以借助于正交頻率技術(shù)，較好地解決碼分復(fù)用編碼的無源傳感器系統(tǒng)的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，能夠同時(shí)閱讀多個(gè)無源SAW傳感器作用距離最遠(yuǎn)的系統(tǒng)，滿足智能電網(wǎng)對(duì)電力設(shè)備溫度無線監(jiān)測(cè)的要求。在具體的技術(shù)路線方面，有兩處研究特色。其一是針對(duì)正交頻率編碼受溫度影響后會(huì)產(chǎn)生不正交的問題，本發(fā)明提出了在反射柵之間增加該保護(hù)填充可保證SAW傳感器上各碼片之間對(duì)各個(gè)子頻率信號(hào)的反射不會(huì)形成相互干擾，即便是各碼片受溫度的影響，反射頻率發(fā)生偏移，該段時(shí)隙也能在時(shí)域空間對(duì)不同頻率信號(hào)的疊加與相互影響形成隔斷，抑制各子頻率間的干擾。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(shí)，本發(fā)明利用廣義格林函數(shù)結(jié)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(guó)際上利用傅立葉變換方法中計(jì)算速度慢、體波散射計(jì)算精度低等缺點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0037]圖1為基于OFC聲表面波傳感器的電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)方案整體框架；
[0038]圖2為多傳感器碼分復(fù)用編碼的時(shí)-頻特性；
[0039]圖3為基于碼分多址的自適應(yīng)匹配濾波示意圖；
[0040]圖4為面向輸電線路溫度監(jiān)測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)。
[0041]圖中:
[0042]101為對(duì)口螺栓；
[0043]102為輸電線的線芯；
[0044]103 為螺釘；
[0045]104為微帶天線；
[0046]105為聲表面波傳感器；
[0047]106為輸電線的金屬外殼。
【具體實(shí)施方式】
[0048]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0049]本發(fā)明提供了一種碼分多址(CDMA)與OFC編碼相結(jié)合的SAW (無源無線)傳感器技術(shù)。碼分多址是解決移動(dòng)通訊中多址訪問的好方法。但無源SAW傳感器不能像通信設(shè)備那樣主動(dòng)地進(jìn)行功率均衡，即當(dāng)多個(gè)傳感器與閱讀器存在“遠(yuǎn)近效應(yīng)”時(shí)，回波幅度相差很大，無法通過相關(guān)運(yùn)算分離出各個(gè)傳感器的信息，因此單獨(dú)采用CDMA編碼的SAW傳感陣列并不實(shí)用。但若將正交頻率編碼與CDMA相結(jié)合，則可以首先通過估計(jì)各個(gè)正交頻率的頻譜大小，實(shí)現(xiàn)功率均衡，然后可以實(shí)現(xiàn)多傳感器信息逐個(gè)分離解出。由于這種方式的SAW傳感器的所有反射回波信號(hào)允許在時(shí)間域相互重合，但在時(shí)-頻二維空間可以很好的分離，此外，設(shè)計(jì)出的傳感器回波信號(hào)又可以實(shí)現(xiàn)碼分復(fù)用的相關(guān)處理增益，可以很輕易地實(shí)現(xiàn)8種以上不同傳感器。
[0050]正交頻率與CDMA相結(jié)合編碼的SAW傳感器在進(jìn)行測(cè)溫時(shí)可以采用不同于目前OFC-SAW溫度傳感器的解調(diào)方法。一方面，可以精確計(jì)算SAW反射柵對(duì)各正交頻率反射特性隨溫度變化關(guān)系，從中優(yōu)化出對(duì)各正交頻率反射特性對(duì)溫度變化斜率最低的反射柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低溫度對(duì)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，可以采用一種根據(jù)測(cè)量溫度自適應(yīng)搜索、匹配濾波的解調(diào)方法，在獲得匹配輸出的同時(shí)也獲得了被測(cè)溫度值。
[0051]為解決“智能電網(wǎng)”電力設(shè)備，特別是特高壓電力設(shè)備對(duì)溫度監(jiān)測(cè)的需求，本發(fā)明提出基于正交頻率編碼與碼分多址相結(jié)合的聲表面波無源無線傳感方法，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)連接測(cè)量以及高可靠性的溫度監(jiān)測(cè)。
[0052]下面對(duì)本發(fā)明系統(tǒng)的整體框架進(jìn)行說明。
[0053]如圖1所示，在所構(gòu)建電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)模型空間中，包括:閱讀器、寬帶天線、多個(gè)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(jù)電力設(shè)備監(jiān)測(cè)實(shí)際需求，N取值在8至10之間可滿足要求)。
[0054]溫度監(jiān)測(cè)信號(hào)處理流程如下:
[0055]步驟1:閱讀器通過寬帶天線發(fā)射上線性調(diào)頻(upchirp)查詢信號(hào),上線性調(diào)頻查詢信號(hào)在強(qiáng)電磁干擾信道A中傳播至聲表面波傳感器；
[0056]步驟2:聲表面波傳感器通過單向叉指換能器根據(jù)上線性調(diào)頻查詢信號(hào)接收OFC信號(hào)并轉(zhuǎn)化為聲表面波信號(hào)；
[0057]步驟3:令聲表面波信號(hào)經(jīng)過頻率正交反射柵碼片組反射并經(jīng)過單向叉指換能器形成回波信號(hào)；
[0058]步驟4:回波信號(hào)在強(qiáng)電磁干擾信道A中傳播至閱讀器，閱讀器通過寬帶天線接收回波信號(hào)并進(jìn)行下線性調(diào)頻(downchirp)；
[0059]步驟5:閱讀器對(duì)經(jīng)下線性調(diào)頻后的回波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)等信號(hào)處理過程，進(jìn)行多傳感器識(shí)別與溫度信息提取。
[0060]其中，上下線性調(diào)頻可以增加20?50左右的處理增益，有利于提高聲表面波傳感器作用距離。
[0061]下面對(duì)OFC結(jié)合CDMA編碼的技術(shù)路線進(jìn)行說明。
[0062]如圖1右下角所示，聲表面波傳感器含有&?f78個(gè)碼片并構(gòu)成一種編碼，其中，碼片是指碼片。其中每個(gè)碼片又由中心頻率固定的電極組成，形成對(duì)一個(gè)正交子頻率的反射；多個(gè)之間形成的子頻率相互正交。應(yīng)根據(jù)正交頻率編碼理論設(shè)計(jì)出每個(gè)碼片中電極的數(shù)量，以確保每個(gè)碼片反射信號(hào)的時(shí)域長(zhǎng)度保持一致(在時(shí)間響應(yīng)上對(duì)應(yīng)圖1中的時(shí)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(gòu)成一種編碼；若按f4、f7、f6、f(!、f\、f2> f3、f5的排列順序則構(gòu)成另外一種傳感器。根據(jù)正交編碼理論，當(dāng)器件響應(yīng)進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算時(shí)，可以有很高的相關(guān)峰(理論上具有N位正交頻率編碼的聲表面波傳感器，通過壓縮脈沖的方式處理回波信號(hào)，可以形成N2倍處理增益，結(jié)合上、下線性調(diào)頻的處理增益50，因此可以在發(fā)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(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算時(shí)，卻有很低的互相關(guān)峰。本發(fā)明研究仿真挑選那些兩兩互相關(guān)峰很低的編碼組成一個(gè)傳感器陣列，即使這些傳感器同時(shí)響應(yīng)閱讀器的查詢信號(hào)，回波在時(shí)域上都混疊在一起，仍可通過碼分復(fù)用方法進(jìn)行區(qū)分。
[0063]在圖1中還可看到:各碼片之間增加了一個(gè)相等的固定時(shí)延τΒ (保護(hù)填充)。增加該保護(hù)填充可保證SAW傳感器上各碼片之間對(duì)各個(gè)子頻率信號(hào)的反射不會(huì)形成相互干擾，即便是各碼片受溫度的影響，反射頻率發(fā)生偏移，該段時(shí)隙也能在時(shí)域空間對(duì)不同頻率信號(hào)的疊加與相互影響形成隔斷，抑制各子頻率間的干擾。
[0064]下面對(duì)多傳感器檢測(cè)識(shí)別、頻偏估計(jì)及基于自適應(yīng)匹配濾波的溫度檢測(cè)進(jìn)行說明。
[0065]為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)聲表面波傳感器的識(shí)別，在復(fù)雜電磁環(huán)境中提高編碼的識(shí)別率，對(duì)于在回波信號(hào)處理中采取相關(guān)運(yùn)算提高信號(hào)處理增益與身份識(shí)別方法而言，需要降低各編碼信號(hào)之間的互相關(guān)性，就需要優(yōu)化對(duì)應(yīng)各子頻率碼片的空間排序。可能的排列方法可借鑒隨機(jī)碼、基于載波干擾比最大的預(yù)編碼或者Turbo碼編碼均可降低碼間干擾，保證信號(hào)處理增益的提高。上述方法也是碼分復(fù)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(hào)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(yuǎn)近效應(yīng)”，才能在多傳感器時(shí)域響應(yīng)彼此混疊情況下，有效分離出各傳感器的響應(yīng)。
[0066]本發(fā)明使聲表面波傳感器陣列中的每個(gè)傳感器編碼的首個(gè)碼片子頻率不同，而后面η-l個(gè)頻率的排列采用隨機(jī)碼、基于載波干擾比最大的預(yù)編碼或者Turbo碼編碼。在解決傳感器基片上碼間干擾時(shí)所增加的時(shí)隙同樣對(duì)傳感器識(shí)別起作用。如果時(shí)延“大于調(diào)制信號(hào)及其經(jīng)過傳感器響應(yīng)之后的回波信號(hào)在信道`中的傳播時(shí)間之和，如半徑為30米的球域空間，該時(shí)延小于200ns，則該時(shí)延可保證閱讀器在接收多傳感器回波信號(hào)時(shí)，任意傳感器回波的第二編碼信號(hào)在時(shí)域空間內(nèi)不會(huì)進(jìn)入第一編碼信號(hào)時(shí)間間隙。如圖3所示，f(t)為所有傳感器時(shí)域響應(yīng)信號(hào)的疊加，g[(f- Δ fi), (t- τ j), Si]為自適應(yīng)匹配濾波函數(shù),為頻率偏移，時(shí)延，功率匹配系數(shù)的函數(shù)，最佳匹配系數(shù)(Λ fM, τΜ, sM)為相關(guān)峰最大時(shí)對(duì)應(yīng)的匹配系數(shù)值。在解調(diào)后的回波信號(hào)第一段(τ Jtd)時(shí)隙中，所含不同頻率成分的信號(hào)對(duì)應(yīng)不同傳感器。這樣依照第一編碼的信號(hào)即可初步識(shí)別混疊信號(hào)中含有幾個(gè)傳感器信息、以及這幾個(gè)傳感器的編碼。本發(fā)明根據(jù)各回波信號(hào)功率譜的評(píng)估，對(duì)不同編碼傳感器進(jìn)行功率均衡。此時(shí)每個(gè)子頻率頻偏的大小精度不高，不能用于溫度檢測(cè)，但可以極大地縮小后續(xù)匹配濾波過程的溫度搜索范圍，提高搜索效率。
[0067]然后可以按照?qǐng)D3所示的方法，逐次進(jìn)行自適應(yīng)匹配濾波，當(dāng)生成某一特定編碼的匹配信號(hào)g(f，s，t)與時(shí)域混疊的多傳感器信號(hào)f(t)的自相關(guān)運(yùn)算相關(guān)峰達(dá)到最大值時(shí)，即可確定出該編碼傳感器對(duì)應(yīng)的溫度值。然后再更換陣列回波信號(hào)中存在的另外一個(gè)編碼重新按圖3進(jìn)行搜索。需要說明的是，生成的匹配信號(hào)g(f，s，t)看似為一個(gè)二維信號(hào)，但其中的兩個(gè)自變量都只是溫度的函數(shù)，根據(jù)搜索的溫度，即可確定出各自的值。因此整個(gè)搜素速度是可以保證的。
[0068]下面對(duì)傳感器的優(yōu)化響應(yīng)進(jìn)行說明。
[0069]為保證正交頻率編碼在SAW傳感器上的低損耗表征，本發(fā)明重點(diǎn)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，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(shù)、反射電極根數(shù)相差很大，可以根據(jù)鈮酸鋰基片上不同取向、換能器和開路、短路、浮動(dòng)指條式反射柵在基頻及二次諧頻下:指條數(shù)、金屬化厚度、金屬化率及浮動(dòng)指條拓?fù)浼訖?quán)、位置加權(quán)與反射、透射系數(shù)的幅值和相位變化規(guī)律，計(jì)算不同指條數(shù)、金屬化厚度、金屬化率等條件下反射柵的反射系數(shù)和透射系數(shù)。得到其規(guī)律性，以確保設(shè)計(jì)出各正交頻率分量反射系數(shù)相同的SAW傳感器。利用Lagrangian描述下的溫度系數(shù)，帶入格林函數(shù)，優(yōu)化出對(duì)各正交頻率反射特性的溫度變化斜率最低的反射柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低溫度對(duì)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。
[0070]在傳感器結(jié)構(gòu)方面，應(yīng)綜合考慮傳感器安裝、傳感器精度與動(dòng)態(tài)性以及消除安裝應(yīng)力、閱讀器晶振溫漂等干擾因素等問題。圖4是本發(fā)明采取的面向輸電線路溫度檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)。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(shí)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(shí)又不會(huì)因?yàn)橥鈿そ饘俚纳嵊绊憸y(cè)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。利用有限元軟件等工具優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)尺寸和封裝的熱容量與導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)。提高傳感器動(dòng)態(tài)性指標(biāo)。傳感器的封裝和引線是影響傳感器穩(wěn)定性的重要因素，由于SAW對(duì)質(zhì)量加載非常敏感，灰塵、油潰、潮濕等因素可能會(huì)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后被測(cè)量能高效加載到基片上，達(dá)到機(jī)械上牢固，抗振動(dòng)，抗沖擊，同時(shí)避免熱應(yīng)力和封裝寄生效應(yīng)對(duì)敏感元件和高頻表面波的影響，是表面波傳感器封裝時(shí)必須要考慮和解決的問題。
[0071]在天線設(shè)計(jì)方面，采用微帶線天線形式。采用全波仿真軟件Ansoft HFSS進(jìn)行建模，仿真計(jì)算天線的反射系數(shù)、增益、方向圖和阻抗曲線等參數(shù)。饋電系統(tǒng)的正確設(shè)計(jì)對(duì)于提高天線輻射，接收效率是十分重要的。聲表面波器件本身的阻抗與發(fā)射天線的阻抗可通過微帶饋線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)匹配。根據(jù)天線的阻抗特性曲線，設(shè)計(jì)微帶巴倫饋線，使天線在設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)阻抗?jié)u變至50 Ω。天線的頻帶根據(jù)電力設(shè)備監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾信號(hào)的特性初步選擇在中心頻率為915MHz的890MHz-940MHz。
[0072]根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)8-10個(gè)傳感器30米內(nèi)的無干擾同步閱讀，溫度檢測(cè)范圍-50°C?+150°C，檢測(cè)誤差±1°C以內(nèi)。其中的915MHz無線SAW傳感器的作用距離已可達(dá)5米。通過降低傳感器反射損耗12-13dB，上下線性調(diào)頻帶來處理增益50乘以碼分復(fù)用解調(diào)處理增益64，兩項(xiàng)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(shí)現(xiàn)。
[0073]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種基于多傳感器識(shí)別的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括:閱讀器、寬帶天線、N個(gè)聲表面波傳感器；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，其中: 閱讀器通過寬帶天線發(fā)射查詢信號(hào)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； 聲表面波傳感器通過單叉指換能器根據(jù)查詢信號(hào)的觸發(fā)接收正交頻率編碼信號(hào)并轉(zhuǎn)化為聲表面波信號(hào)； 其中，聲表面波信號(hào)經(jīng)過頻率正交反射柵碼片組反射并經(jīng)過單向叉指換能器形成回波信號(hào); 閱讀器通過寬帶天線接收回波信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多傳感器識(shí)別的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述頻率正交反射柵碼片組，包括:n個(gè)依次排列的碼片； 所述η個(gè)碼片構(gòu)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(gòu)成的傳感器編碼各不相同； 每個(gè)碼片由一種中心頻率一定的反射柵電極組成，形成對(duì)一個(gè)正交子頻率的反射； 所述多個(gè)碼片之間形成的子頻率相互正交； 每個(gè)碼片反射信號(hào)的時(shí)域長(zhǎng)度保持一致，滿足正交條件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多傳感器識(shí)別的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，在每一個(gè)頻率正交反射柵碼片組中，相鄰的碼片之間均設(shè)置一個(gè)相等的固定時(shí)延τ D作為保護(hù)填充，以在時(shí)域空間對(duì)不同頻率信號(hào)的疊加與相互影響形成隔斷，抑制各子頻率間的干擾。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多傳感器識(shí)別的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，在多個(gè)聲表面波傳感器構(gòu)成的聲表面波傳感器陣列中，每個(gè)傳感器編碼對(duì)應(yīng)的首個(gè)碼片所形成的子頻率各不相同，而后面η-l個(gè)碼片形成的子頻率的排列采用隨機(jī)碼、基于載波干擾比最大的預(yù)編碼、或者Turbo碼編碼。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于多傳感器識(shí)別的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，閱讀器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行下線性調(diào)頻；閱讀器根據(jù)經(jīng)下線性調(diào)頻后的回波信號(hào)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)；相應(yīng)地，閱讀器發(fā)射的所述查詢信號(hào)為上線性調(diào)頻查詢信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于多傳感器識(shí)別的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，閱讀器依照傳感器編碼的第一編碼信號(hào)識(shí)別出發(fā)送回波信號(hào)的聲表面波傳感器，其中，所述第一編碼信號(hào)對(duì)應(yīng)首個(gè)碼片所形成的子頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于多傳感器識(shí)別的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，閱讀器根據(jù)回波信號(hào)獲取溫度信息，具體地，閱讀器執(zhí)行如下步驟: 步驟6al:依照識(shí)別出的聲表面波傳感器，自適應(yīng)生成與該聲表面波傳感器反射柵頻率自合匹配信號(hào)g [ (f_ Λ f\)，(t- τ J，Si]，g (f，t, Si)為自適應(yīng)匹配濾波函數(shù)，Δ fi為頻率偏移，^為時(shí)延，Si為功率匹配系數(shù)的函數(shù)，最佳匹配系數(shù)(AfM，τΜ，sM)為相關(guān)峰最大時(shí)對(duì)應(yīng)的匹配系數(shù)值； 步驟6a2:進(jìn)行溫度搜索，計(jì)算η個(gè)溫度中每個(gè)溫度下的匹`配信號(hào)g[(f-Afi), (t-τ,) )Si],并將匹配信號(hào)8[(卜厶&)，(t-Ti), Si]與回波信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)峰值； 步驟6a3:所有相關(guān)峰值的最大值(Λ fM, τ M, sM)對(duì)應(yīng)的溫度即為該聲表面波傳感器對(duì)應(yīng)的溫度信息； 步驟6a4:若第一編碼信號(hào)有多個(gè)傳感器信號(hào)，則按照上述步驟6al、6a2、6a3依次獲取溫度信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多傳感器識(shí)別的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述聲表面波傳感器為通過如下步驟優(yōu)化后的傳感器: -通過格林函數(shù)結(jié)合有限元工具，優(yōu)化SAW傳感器換能器和反射柵結(jié)構(gòu)，降低插入損耗，具體為:根據(jù)鈮酸鋰基片上不同取向、換能器和開路、短路、浮動(dòng)指條式反射柵在基頻及二次諧頻下:指條數(shù)、金屬化厚度、金屬化率及浮動(dòng)指條拓?fù)浼訖?quán)、位置加權(quán)與反射、透射系數(shù)的幅值和相位變化規(guī)律，計(jì)算不同指條數(shù)、金屬化厚度、金屬化率等條件下反射柵的反射系數(shù)和透射系數(shù)；利用其規(guī)律性，設(shè)計(jì)出各正交頻率分量反射系數(shù)相同的SAW傳感器；利用Lagrangian描述下的溫度系數(shù),帶入格林函數(shù),優(yōu)化出對(duì)各正交頻率反射特性的溫度變化斜率最低的反射柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低溫度對(duì)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(hào)】G01D5/48GK103868618SQ201410073648
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月3日
【發(fā)明者】胡岳, 韓韜, 江秀臣 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)