无源无线传感（精选7篇）
无源无线传感 篇1
0 引言
电力设备的安全稳定是电力系统安全稳定运行的重要基础。对电力设备运行状态进行监测, 能够及时发现问题, 减少故障的发生。电力设备发热监测监控技术是在工业设备的温度监控技术上发展出来的, 主要经历了热电偶技术、固定粘贴式示温蜡片 (纸) 测温技术、非接触式远红外测温技术、光纤测温技术、有源无线测温技术以及SAW传感器无源无线测温技术等发展阶段[1]。近年来, 国外相继开发了一些基于不同检测原理的电气设备温度在线监测装置, 为满足安全可靠及实用性要求, 各国开始趋向于采用无源无线测温方式。
声表面波 (Surface Acoustic Wave, 简称SAW) 是沿物体表面传播的一种弹性波。SAW谐振型传感器主要由天线和附有反射栅、叉指转换器的压电基片组成。叉指换能器通过逆压电效应将接收到的查询电磁波转换为一定频率的声表面波 (SAW) , 声表面波被左右两个周期性反射栅条反射至叉指换能器处产生特定谐振频率的电磁波, 并通过天线向外输出[2]。
目前, 无线无源测温系统已有许多研究成果。文献[3-4]研究了SAW传感器的设计;文献[5]研究了温度采集器的设计;在从测温网关向监控中心传输数据方式的研究方面, 文献[6]采用无源透明的EPON网络组建环网柜无源无线测温管理系统, 文献[7]采用RS485实现本地传输, 以太网实现数据远程传输。
本文给出了设计方案, 介绍了无线无源测温系统的总体架构, 重点介绍了能够汇集并上传温度信息的测温网关硬件设计以及温度监测系统的软件设计。本方案的一个突出特点是测温网关可以将数据通过以太网、RS485或GPRS等多种方式上传到监控系统, 可根据实际情况进行配置。
1 测温系统架构及硬件设计
1.1 测温系统工作原理
基于SAW传感器的无线无源测温系统由监测管理主站及软件、温度监测集中器 (网关) 、测温采集器、SAW温度传感器等部分构成。系统的工作原理是SAW传感器测量各触点温度, 采集器完成对传感器测量的温度信息的收发和管理, 一个采集器可接收6个SAW传感器的温度信息。同一区域 (如一个变电站) 内多个开关柜通过采集器之间组成CAN总线网络或RS485组网进行数据的本地传输, 再由测温网关统一进行本区域内所有开关柜温度监控信息的采集、存储和管理。测温网关可以通过以太网、GPRS或RS485按照指定的标准规约传入监控中心, 实现远程在线温度监测、分析以及预警。监测系统总体架构如图1所示。
采集器从SAW传感器获取温度信息的过程是:采集器间歇地发射一定频率的正弦信号, 传感器接收到采集器发出的信号, 当传感器的谐振频率与激励信号频率相同时, 输出响应信号功率最大。此时, 响应信号是一个指数衰减的振荡信号, 振荡频率即谐振频率。采集器接收到这个信号并进行处理, 分析谐振频率, 计算出对应的温度并发送回温度监测集中器[8]。
测温网关主要负责传感器/采集器档案管理、参数设定、温度数据的存储, 并提供与自动化系统或测温平台的数据接口。测温网关将采集器上的温度数据读入之后, 首先通过自身的储存模块将温度信号保存下来, 然后通过外部接口将数据传送至上位机系统中, 与上位机系统的通讯接口主要包括以太网、RS485接口或GPRS接口, 通讯协议采用103/61850/Modbus等标准规约通信, 也可通过自定义规约进行通讯。
1.2 测温网关设计
网关的硬件系统由7大部分组成, 分别为主控单元、GPRS通信单元、以太网通信单元、2路RS485通信接口、1路调试RS232接口、1路CAN通信接口和电源单元 (GPRS和以太网设计成选配单元, 可根据不同的需求配不同的功能模块) 。主控单元是整个通信模块的主控中心, 由一块ARM芯片组成, 主要用于以太网协议栈的解析和参数的配置。GPRS通信单元通过GPRS模块和移动运营商的GPRS网络实现远程数据的采集。以太网通信电源采用工业级的以太网通信模块和主站进行数据通信。一路RS485用于和主站或其他设备通信, 另一路RS485主要和测温采集器通信。RS232通信接口设计成USB口, 主要用于参数设置和后续的串口升级。CAN通信接口主要用于和测温采集器通信。图2是网关硬件结构框图。
1.3 硬件设备安装
测温系统的硬件设备主要包括温度传感器、温度采集器及其天线和测温网关。安装时, 应根据现场实际情况制定安装方案。温度传感器是直接安装在被测物体表面的接触式测温元件, 采集器与传感器配套使用。传感器与采集器距离应该在有效测量范围内, 一般不超过5 m, 以避免信号衰减导致测量误差。
对于开关柜测温, 将测温系统安装在断路器上, 每个断路器各一套测温系统。传感器安装在断路器上下端触臂上, 采集器天线安装在开关柜断路器手车室, 通讯装置箱安装在开关柜仪表室。图3是断路器上下端触臂上传感器安装情况。
对于变压器测温, 基于对变压器的高压侧电流较小、发热不明显、安装难度高和远距离无线信号稳定性等方面的考虑, 测温系统只安装在变压器低压侧。传感器安装在变压器低压侧与离相封闭母线软连接处, 采集器天线安装在离相封闭母线外壳上, 通讯装置箱安装在变压器本身上。
2 温度监测系统软件设计
温度监测管理系统的应用软件主要功能包括各温度传感器设备运行状态监视、温度监测各项参数设置、温度信息的远程获取、综合查询分析以及温度预测告警等。根据实际情况, 这些应用功能可以作为电力自动化系统的一个功能模块存在 (将温度信息通过标准数据接口接入电力自动化系统) , 也可以单独作为一套环网柜温度监测的主站系统。各类运行管理人员可通过远程访问及时准确地监控开关柜温度情况。
本系统采用分布式多层结构, 软件架构由上至下分为表现层、服务层、数据层, 其结构图如图4所示。表现层即面向用户的层级, 实现人机交互功能, 以前端页面展示为表现形式, 用户通过浏览器登录系统, 查看设备的实时温度, 设定用户权限, 设定报警条件和报警推送功能等。服务层程序架设在服务器上, 对数据中的实时温度数据进行分析处理, 经过处理之后保存到数据库, 接收表现层的请求并给予响应。数据层接收测温设备测量的数据, 存储在数据库中。
系统设计的整体流程图如图5所示。
传感器测量的温度经采集器和网关上传到服务器, 保存在数据层的数据库中。服务层程序对数据进行处理分析, 将实时数据在表现层前端页面进行展示。如果温度异常, 就会进行报警, 并分析温度异常的原因, 向手机发送报警消息。本系统具有以下特点:
(1) 多种温度监测方式。用户可以设定时间区间、指定监控对象进行历史温度信息的查询。
(2) 完备的告警机制。温度的绝对值或温度的变化率超过上限, 系统为运行管理人员提供声音、光电、短信等多种方式的告警信息。
(3) 丰富的数据展现。在监控对象上, 可以选定一个开关柜的一组传感器或一个区域的多个开关柜温度信息进行监控。对于历史温度信息, 系统提供列表、曲线等多种展现方式。
(4) 完善的系统参数设置。管理温度监测相关设备档案。指定开关柜或一个具体的温度传感器进行参数的远程下发, 包括传感器温度校准、各类预警值、时间、温度采集频率、传感器发射功率、信号接收门限等。
本系统能够对测温数据进行深入分析, 得出温度异常原因, 并进行预测。具体分析方法如下:
(1) 高温原因分析。根据载流量的增大测量温度会持续走高, 当温度超过预设范围后, 进行两种原因判定。载流量过大:出线高温预警后, 根据历史温度变化趋势判定, 定时读取中国天气网对测温区域的温度数据。统计当前测量点与环境的历史温度差异, 根据每日平均温差形成温差走势, 如果温差不呈上升趋势, 则判定为载流量过大。设备老化或者接触不良:判定原理同上, 判断条件为温差呈上升趋势时, 判定设备老化或者接触不良。
(2) 温度预测分析。根据已有的温度数据及其变化规律, 按照既定的预测算法为用户提供温度预测结果, 并将预测值与预警值进行比较, 发现有异常的可能时发送温度告警信息。
(3) 对设备老化情况进行分析。以整点采集的温度和实时天气温度做差值, 将一天的所有差值取平均, 以月为分析单位, 将一个月内的所有日平均差值再取平均统计出月平均差值。平均温差作为衡量设备老化水平的分析依据, 当差值不断增大时, 预测为设备状况不佳, 可能存在老化现象。
(4) 对薄弱环节进行检测。薄弱点分析采用同级比较的方法, 根据普遍运行状况筛选出特殊运行状况。以用电高峰期作为时间节点, 统计用电高峰时段测量点温度增长情况, 将同级别的每个测量点在本时段的温度差值记录下来, 并计算出所有测量点温差平均值, 然后将超过温差平均值的测量点按照差值大小进行排名;以月为统计单位, 统计超过平均温差排在前三名之内的次数, 按照次数多少来排列薄弱点。
3 设计方案的实现
下面给出了测温系统安装后温度监测软件的运行情况。图6是采集器视图界面, 能够显示该采集器下所有传感器的温度情况。根据温度信息, 运行人员能够及时掌握设备的运行状况。如果出现温度异常, 系统会发出告警信息, 保障运行人员能及时发现问题并进行处理。
图7是传感器视图界面, 能够显示该传感器在一定时段内的温度曲线。该曲线能够反映温度变化趋势, 运行人员可以通过曲线及时发现设备老化等问题。
4 结语
今后对电力设备安全稳定的要求必然越来越高, 对设备温度进行监测, 能够及时发现异常情况, 减少设备故障。基于SAW传感器的无线无源测温系统安装灵活方便、运行可靠, 有广阔的发展前景。本文给出了无线无源测温系统的硬件、软件设计方案, 并应用在断路器触头温度监测上。由温度监测系统软件运行情况可知, 该系统能及时有效地监测传感器安装处的温度, 实现准确测温、及时告警的功能。当然, 无线无源测温设备还存在成本较高的问题, 值得深入研究。
参考文献
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[8]鄢芬.声表面波温度传感器信号检测系统的研究[D].武汉:武汉邮电科学研究院, 2012.
无线传感网数据传输 篇2
互联网时代下，无线传感器网络快速发展，被广泛应用到国防、电力、能源、农业等多个领域，凭借自身成本低、自组织性等优势无线传感器网络受到了广泛关注。但随着其在实践中的应用，无线传感器网存在节点有限等缺陷，保持网络对于数据感知准确性成为无线传感网络发展的重要问题。文章结合无线传感网构成及特点，从关键技术等角度对无线传感网数据传输进行探讨，希望人们能够进一步了解无线传感网。
随着微传感技术、射频技术等技术不断发展，信息产业进入到无线传感器网络改革的第三次浪潮当中，对人类社会产生了深远影响。在无线传感网络支持下，人与人、人与物之间沟通日渐便利，使得智慧地球成为现实。由传感器节点构成的无线传感器网络，通过节点之间的相互协作，能够为数据传输提供了极大的支持。
无线传感网概述
无线传感网体系结构可以分为网络结构、硬件及软件环境。一般来说，无线传感网络结构是由传感器、汇聚及管理三个节点构成。节点是传感网络中最为重要的内容之一，其负责信息的收集和发送，且是信息的路由载体。通过互联网等途径，能够实现与外界环境的信息沟通和交流。硬件环境是由硬件结构组成，如传感器、数模信息转换器、存储器、射频模块以及为网络节点提供电能的电源模块等多种设备。而软件涉及现有的嵌入式系统，如VxWorks、WinCE及QNX等。
相比较其他网络，无线传感网在实践应用中具有独特性，如规模化特点，传感器的节点数量非常庞大，能够达到上万之多，对载体面积要求较高，如果在空间不大的载体上进行密集部署，需要允许大量冗余节点。动态性特点，传感网是一种拓扑结构，由于传感网络中的传感器、感知对象等都具备移动特点，因此要求传感网络具备适应的动态系统可重构性。数据特征性，网络中的设备是整个网络的唯一地址标识，要想访问互联网中的资源，需要将地址作为中心构建网络。
无线传感网络数据传输
关鍵技术。网络协议是无线传感网的核心，通过MAC协议和路由协议，能够进行具体、详细的数据传输。正因如此，协议赋予了节点计算、存储等多项能力，但也在一定程度上增加了网络协议设计难度。网络安全能够保证数据传输安全性、任务执行机密性，提高对数据的处理水平。拓扑控制是无线传感网的关键技术，能够减少节点能量，且能够提高网络延时。除此之外，时钟同步、定位技术等也是传感网数据传输的重要技术之一，如定位技术能够对节点的位置信息进行定位，使得节点能够进行随机部署。在具体应用中，传感网与分布式数据库具有相似之处，能够对网络数据进行高效管理，为数据传输构建和谐的外部环境。将关键技术有机整合到一起，为数据传输奠定坚实的技术基础。
数据采集。无线传感网最简单的采集方式是将采集到的数据定期发送到基站，基站进行离线处理。节点不会对数据信息进行处理，仅负责信息收集和发送任务。但是这种传感器节点能耗具有有限性，无法满足人们日渐提升的信息采集需求。对于大规模、高密度布置的无线传感网，这种网外离线数据采集方式，通信开销较大，对电能消耗过度，在一定程度上增加了信息传输成本。因此在具体应用中，要尽可能减少节点数量，以此来延长无线网络寿命，避免节点之间的互相影响，最大限度上提高节点通信量。此外，还有一种基于模型的数据采集，通过有效的数据维度，将信息发送到基站，发送的信息并非实际测量值，而是一组权值，与实际数据比较来看，需要发送系数、权值的数量较少，通过分布式处理方式，能够避免资源受限的限制。因此，还应对分布式感知数据建模问题进行关注，突破资源限制。
数据传输。无线传感网数据传输建立在路由、传输协议基础之上，底层为802.11无线网络协议。大规模无线数据网络回收过程中，可以将其中的节点划分不同的子网络，以此来拓展无线传感网覆盖范围。针对无线传感网的系统架构，当主网络无法满足需求时，可以转移到子网络上进行回收。具体来说：
首先，回收协议栈。传感节点路由组网，能够在很大程度上确保数据传输可靠性，通过树路由协议，能够对网络层进行子网组网及数据包路由转发，且提高传输层协议的控制，促使其能够在应用层完成传输任务。
其次，MESH传输。该回收方式与上一种方式有所差别。MESH网络回收建立在MESH-CA协议基础之上，子网SINK节点子网能够接受节点数据包，并将网关节点有机整合，实现主体之间的通信，最终将数据发送到服务器。
最后，上位机软件。这种方式能够真实、全面的反映拓扑结构，且能够保存回收的数据信息，满足用户需求。通过多条组网，能够将上位机软件与SINK节点相连接，实现通讯目标。在系统运行过程中，用户能够通过SINK节点接收子网数据节点，且对数据进行显示和回收，提高通信有效性。
无源无线传感 篇3
高温压力传感器在民用和军事上都有着十分广泛的用途, 然而高温环境下的弹性结构失稳以及电引线性能退化是导致传统MEMS压力传感器无法正常工作的关键原因。Si C是具有宽带隙、高击穿场强、高热导率和高电子饱和速度及良好机械性能的材料, 它的化学稳定性和抗辐射能力等这些特性使Si C在制造高温恶劣环境下的压力传感器中具有明显的优势[1]。本文选择Si C材料制备敏感结构, 同时采用无线无源探测技术[2], 从而实现高温压力测量。Si C是有许多同素异构类型的化合物半导体, 此处选择4H-Si C进行研究, 表1为4H-Si C与Si的主要特性比较。
1 工作原理
压力传感器主要有压阻式和电容式两种结构, 电容式压力传感器具备高灵敏度、高频响、低温漂等优点, 是Si C压力传感器更具潜力的研究方向[3]。电容式压力传感器的基本结构如图1所示, 受到压力作用时, 薄膜产生形变, 上下极板间距发生变化, 从而改变电容器的容量。
变化电容[4]:
其中 ω为最大挠度, a为边长, h为敏感膜厚度, d为空腔间距, εr为Si C的相对介电常数, ε0为真空介电常数。
由平板热弹性理论, 在外部压力和温度载荷的共同作用下, 膜片的变形积分方程[5]如下:
式中:p为外部压力载荷, D为弯曲刚度, E为杨氏模量, μ为泊松比, x、y、z分别为3个坐标轴, α是热膨胀系数, Θ为传感器内部温度分布, 稳态传热过程中, 热传导方程[6]如下:
其中, ρ为密度, Cp为比热容, k为传热系数。
由于高温环境下引线性能退化, 后续采用非接触式无源技术进行测试。将电容与电感线圈串联成LC谐振电路, 利用互感耦合原理检测频率信号。原理图如图2所示。
利用一个耦合线圈读出电路 (天线) 在传感器附近进行扫频测量, 当测量信号频率与传感器固有频率耦合时发生共振, 导致输入阻抗发生明显变化, 从而推算其传感器压力相关的固有频率。根据压敏结构的压力-位移-电容-固有频率传输函数, 可以计算出压力的大小[7]。
2 结构设计
陶瓷具有耐高温、自封装、绝缘、低成本等特性, 低温共烧陶瓷 (LTCC) 工艺在制作立体结构方面具有特别的优势, 使用LTCC材料和工艺来制作压力传感器, 可满足400~600℃左右高温环境下的应用[8]。玻璃浆料键合是通过网印将玻璃浆料涂在键合面上, 熔化所产生的结构并接触第二个衬底, 冷却后会形成稳定的机械性连接。它的优势在于其具有密封效果好, 键合强度高, 生产效率高, 并且对于封接基板的表面没有特殊要求[9]。利用玻璃浆料将Si C晶片制成的敏感膜与LTCC陶瓷键合制成电容, 设计排气管道, 最后在真空环境下利用玻璃珠融化密封形成真空电容空腔, 同时在陶瓷上印刷电感线圈, 最后, 引线键合串联形成LC谐振电路。结构如图3所示。
2.1 Si C晶片部分设计
首先将Si C晶片减薄至一定厚度, 在减薄后的晶片上刻蚀一定深度来构成空腔, 在另一面对应的位置刻蚀一定深度形成敏感膜。氧化一层二氧化硅绝缘层, 在绝缘层上溅射一层Ti作为吸附层, 再溅射一层Pt作为引线互联层 (中间可制备一层Ti N扩散阻挡层, 缓解层与层之间的动力学反应) [10], 图形化形成上电极, 如图4所示。
2.2 陶瓷部分设计
通过LTCC激光打孔、厚膜印刷技术和多层叠片技术, 经过适当的工艺步骤制备出符合设计要求的电容下极板和铂电感线圈。各层生瓷片打孔、印刷如图5所示。
3 仿真结果与分析
对Si C薄膜进行仿真, 由于Si C材料的弹性模量、泊松比、密度随温度的变化而变化[11], 以及热传导、热膨胀等现象的影响[12], 传感器在温度改变时性能会发生变化, 应用Ansys有限元分析软件对传感器薄膜作热-结构耦合场仿真分析。碳化硅在不同温度下的特性参数如表2, 仿真位移云图如图6所示。
由仿真结果可知20℃、200℃、400℃、600℃温度时2个大气压内的最大挠度如表3所示。
设计电感大小为2μH, 由式 (1) 、式 (4) 可知谐振频率变化如图7所示。
计算可得出20℃、200℃、400℃、600℃时的灵敏度分别2.35 MHz/bar、2.4 MHz/bar、2.55 MHz/bar、2.65 MHz/bar, 可知传感器在高温下仍具有较高的灵敏度。
(μm)
4 关键工艺验证
此方案中最关键的工艺是Si C的深刻蚀, 由于Si C化学性质十分稳定, 目前还未发现有哪种酸或碱能在室温下对其起腐蚀作用, 因此在Si C基体的加工工艺中常采用干法刻蚀[13]。由于Ni掩模刻蚀出的选择比较大、台阶较直且表面状况良好, 此处选择金属Ni作为掩膜[14]。
Si C中比较特殊的是C元素, 采用SF6刻蚀时需要顾及到C, 由于C和O能反应, 因此加入O2是比较好的策略:
因此Si C刻蚀一般采用SF6+O2, 再加入Ar辅助, 提升物理性, 角度垂直且速率较大, 刻蚀扫描电子显微镜图如图8所示。
刻蚀深度为124μm, 满足传感器制备要求, 底部形貌存在“sub-trench”现象, 后续需进行工艺优化。
5 结论
智能无源传感器助力智能汽车发展 篇4
智能无源传感器的功能模块及工作原理
智能无源传感器包括三个功能模块:天线模块,基于Magnus IC的传感器模块,电源、单片机、处理模块,如图1所示。天线模块基于UHF工业标准第二版协议进行无线通信,并收集能量供内部处理单元使用。电源、单片机、处理模块兼容RFID生态系统部件,可用标准的RFID阅读器进行读取等工作。基于Magus IC (业界首款无源RFID传感器芯片)的传感器模块,可调整的前端自动调谐模块可通过内部电路感知阻抗变化检测环境状态,如湿度或压力。每个智能传感器都有一个独立的温度传感器来读取温度信息,芯片通过无线信号强度来检测距离、运动或状态,每个智能传感器内部存储保存独一无二的ID用于进行身份识别。最终检测精度取决于UHF RFID工作频率范围内的过采样频率。
智能无源传感器基于RFID协议,传输频率范围为860～960MHz。首先,RFID阅读器发送读取命令,同时为RFID传感器充电,当RFID芯片被充电后开始工作,读取相关的传感器信息,并通过天线反馈至RFID阅读器。
智能无源传感器的优势
相较现有传感器,智能无源传感器有诸多优势。现有传感器需在每个PCB上放置检测传感器、电源、控制及通信芯片、单片机等,因而体积尺寸大,成本高,需要维护。而智能无源传感器的每个节点为被动发现智能标签电源,单片机及数据处理都放在独立的阅读器上,无需电池,尺寸小,像胶带一样薄,每个阅读器可支持多个标签,因而成本低,无需维护。
虽然UHF RFID辅助电子标签也是无源标签,节点无需电池,通过TID码和电子标签代码(EPC)实现独一无二的ID,但被工作吸附材料表面反射会降低有效读取距离,且无传感器功能;智能无源传感器无工作吸附材料表面反射,从而升级有效读取距离,且集成湿度、压力、距离和温度检测等传感器功能。
智能无源传感器应用实例
一个智能无源传感器阅读器可读取上千个传感信息,所以在车上仅需一个阅读器配以多个天线就可满足很多传感需求,如液位检测、胎压监测(TPMS)、温度检测、座椅检测、雨刷器、室内空气及前大灯湿度/漏液检测等(见图2)。
1. 座椅检测
座椅检测是通过传感器来实现保障乘员安全的系统。常用的座椅检测系统基于质量或压力进行判断,任何物体如一袋食品杂货,也会触发安全带警告,误判率比较高。
安森美半导体新推出的智能无源传感器方案中,无线传感器标签被嵌入座椅内(湿度传感器标签嵌入椅背,压力传感器标签嵌入座垫)。湿度标签通过人体检测元素可确定座椅上是否有人,消除物品触发安全带警示的麻烦,提升可靠性;压力标签通过体重检测确定乘客的体型大小,并可将乘员坐姿反馈至智能安全气囊控制单元以优化气囊释放角度来增强安全性。该方案可检测车内剩余座位数,可扩展到对后排座椅和儿童安全座椅的检测,并且多个座椅共用一个控制单元(阅读器)进行控制,嵌入式无源湿度传感器无需任何线束和接插件(见图3)。
2. 液位检测
汽车液位检测包括对燃油箱油量、机油液位、制动液液位及酸性液体液位等的检测。市场上当前的汽车液位检测系统需要连接电线到水槽内部。
而安森美半导体的智能无源传感器可使水槽中没有任何引线及电气问题(见图4):用流体的介电常数进行液位检测,可以检测多种液体包括水、煤气、汽油、机油、溶剂酸等等,贴合式的湿度传感器放置在水槽的外部,传感器标签最长不超过4英寸,长距离测量可使用多个标签,通过检测连通管道可实现精确测量,两个传感器分别安装在上端和下端,通过介电常数的变化进行检测(例如气体混合物)。
3. 雨量传感器——自动雨刷器启动控制
当前汽车使用的雨刷器控制系统基于阳光折射,易受干扰而触发误动作。而创新的智能无源传感器使用湿度检测,可覆盖挡风玻璃更宽的区域,可将多个湿度传感器标签贴于挡风玻璃上不同位置,检测挡风玻璃上高介电常数的水,挡风玻璃上传感器的数量可以通过标定确定,光感可以不同的传感器进行检测。下一代产品可将天线内嵌到玻璃内部进行安装,利用两脚之间的传感器引擎检测电阻抗变化,实现仅需一个传感器的智能雨刷器控制(见图5)。
4. 区域无线温度监控
当用于区域无线温度监控时,现有的温度传感器都有引线和有源,且安装位置受限制。创新的智能无源传感器能用于多个区域无线温度监控,惟一的RFID识别码支持自动识别,阅读器与车内网关相连,自动空调系统可实时读取数据进行自动高精度控制,内部建有-40～+85℃(±1℃精度)测量范围,下一代产品将支持125℃以上的温度。
5. 胎压监测系统
胎压监测系统用作实时自动监测行车过程中的轮胎气压,在出现胎压不足或过高的危险征兆时及时报警,提升行车安全性和燃油经济性,延长轮胎使用时间,减少悬挂系统的磨损。市场上当前用于胎压监测系统的多芯片传感器,被安装在每一轮圈和阀杆上,使用电池供电,功耗高于250mW,需要加速计以避免轮胎未移动时将电池耗尽,在轮胎旋转期间需重新编程以定位,成本偏高。
而安森美半导体的智能无源传感器是单芯片方案,无需电池和加速度传感器,单个传感器模块功耗低于15mW,因而无论当轮胎旋转还是静止时都可检测轮胎压力和温度信息。智能无源传感器标签置于每一轮胎,惟一的RFID识别码支持自动轮胎定位,软件无需重新编程(见图6)。
6. 汽车下线漏液检测
汽车厂在汽车出厂前会对其进行高压浸水测试:关闭汽车门窗后,从不同角度对汽车进行高压喷水,以测试汽车的密封性能及底盘是否渗水。有些企业的该检测方式耗时长,当前市面上的方案多采用人工探测的方式,且容易出错,一旦检测出漏液,必须将汽车拆卸至底盘以作修复。
安森美半导体的智能无源传感器用于此类应用时,典型的配置包含六到十多个传感器,每个位置分配惟一的EPC,根据车辆大小和整车厂的具体需求,放置在特定的检测位置或水流汇合点进行漏液检测,工厂工人只需手持阅读器绕车查询传感器标签,无需人工探测。
合规性、安全性和EMI性能
安森美半导体在不同的场合/配置用阅读器、天线和9个传感器标签基于CISPR-25 Class 3进行测试,通过了外部区域传输测试,且在射频传输频率范围860～960MHz的最大发射功率为33dBm (约2W),遵从FCC Part 15和FCC47CFR2:0ET (<1W),EMC符合CISPR-25 Class 3规范,RFID区域频段不会交叉干扰其它频段。
由于智能无源传感器本身没有内部能源,它通过RF反射传输,所以没有安全隐忧。阅读器方面,由于其工作在UHF RFID频段860～960MHz,符合国际协议ISO/IEC18000-6C标准,这一频段处于电磁波谱的低端,比车载音响的辐射危害更低,而系统最大输出功率2W(33dbM)和一台手机的发射功率一样大,因此没有任何安全和健康风险。
结语
无源无线传感 篇5
通过制作各种不同规格的读取线圈和传感器,就线圈的内径、外径、线宽、匝数以及形状这五方面进行了相关实验。经对比分析,得出线圈和传感器在设计过程中的参数设计优化。
1 传感器耦合原理及模型
无线无源LC传感器是由电感线圈和可变电容组成的LC回路,读取天线是有电感线圈组成。传感器和读取天线之间利用电磁互感耦合连在一块,其模型结构如下图1所示。
在读取天线的前端加上连续的高精度的扫频源,在适当距离内,使天线线圈有足够的电磁能量传递到传感器[7]。当传感器所在的环境的目标参数改变(如压力、温度等),其可变电容值Cs将发生变化,从而造成传感器的自身的谐振频率随之变化。随着扫频源信号的连续的激励线圈天线,当扫频信号的频率fa与传感器的频率fs一致时,读取线圈端的能量最大限度的传至传感器,且其阻抗的幅值和相角都发生突变[8—10]。本文主要检测读取线圈端的阻抗相位的最低点来读取传感器的谐振频率。
2 耦合特性测试
两线圈之间的耦合距离是传感器应用的重要环节,为提高两线圈的耦合距离,主要从线圈的几何参数来验证传感器的设计并优化相应参数。
设计了如下的实验装置,如图2所示。主要有由安捷伦E5061B网络分析仪、天线、传感器、座槽、滑块、摆针、钢尺和滑座组成。在试验中,天线和传感器均是由PCB板模拟制作的,如图2所示。制作了几何参数各不同的电感线圈作为读取天线,通过在电感线圈上串联可调电容以代替传感器LC回路,电容的可调范围为2~10 p F,符合实际设计传感器时电容值的大小,搭建好的耦合距离特性实验装
置如图3所示。
3 耦合参数优化分析
3.1 线圈内径对耦合距离的影响
线圈的内径会影响自身线圈的自感和两线圈的互感,也就影响了两线圈的耦合距离。为了排除其他参数对耦合距离的影响,将线宽、外径、匝数和传感器的可调电容设为相同,其中线圈外径有非常小的差别,可以忽略由此对耦合距离造成的影响。传感器的可变电容设为6 p F。
由图4可知,当传感器内径为3.5 mm时,耦合距离最远为3.75 cm;内径10.5 mm时,耦合距离最远为3.65 cm;内径13.8 mm时,耦合距离最远为3.55 cm。内径增加为原来的3.9倍,耦合距离减小为原来的5.63%。因此,线圈的内径要尽量做小。
3.2 线圈外径对耦合距离的影响
线圈外径直接决定着线圈产生磁力线的作用范围,因此外径越大磁力线作用的范围也就越大,传感器线圈接收到得能量也就越多,也就能增大耦合距离。传感器的可变电容设为6 p F。
由图5可知,当传感器外径23 mm时,耦合距离最远为2.65 cm;外径27.5 mm时,耦合距离最远为3.4 cm;外径31 mm时,耦合距离最远为3.55 cm。当外径增加为原来的34.8%时,最远耦合距离增加为原来的33.96%,因此,外径大的传感器与天线耦合距离较远。但是,外径有27.5 mm变为31 mm时,耦合距离增加了4.41%,过大的外径并不能有效的增大耦合距离,还增大了传感器的尺寸。
3.3 线圈宽度对耦合距离的影响
当线圈宽度越宽时,电阻越小,从而在线圈上消耗的能量也就越小,这样更利于电磁能量和信号的传递。将三组线圈宽度不同的天线与传感器进行测试来研究线圈宽度对耦合距离的影响。传感器的可变电容设为6 p F。
由图6可知,传感器线宽1 mm时,耦合距离最远为4.1 cm;传感器线宽0.5mm时,耦合距离最远为3.4 cm;传感器线宽0.5mm时,耦合距离最远为3.4 cm。可以得出,当先宽度增加为原来的2.33倍时,耦合距离增加25.59%。但是线宽0.5 mm和0.3 mmm的传感器耦合距离近乎一样因此,线圈宽度为1 mm时,其耦合距离更大。
3.4 线圈匝数对耦合距离的影响
线圈匝数对线圈的电感值和电阻值有一定影响,匝数越多电感越大,但匝数越多线圈的总长度越长,也就带来了较大的电阻。通过对三组线圈匝数不同的天线与传感器进行测试来研究线圈匝数对耦合距离的影响。
由图7可知,传感器线圈匝数为16时,耦合距离最远是3.55 cm;传感器线圈匝数为10时,耦合距离最远是3.5 cm;传感器线圈匝数为4时,耦合距离最远是3.2 cm,传感器匝数为16时,耦合距离最远,但是只比匝数为10的传感器增加了1.43%。可以得出,过多的线圈匝数并不能较大的增大耦合距离,反而会带了较大的电阻降低了传感器的品质因数。同时线圈匝数较少时,会大大降低耦合距离,建议设计电感线圈时匝数取10左右。
3.5 线圈形状对耦合距离的影响
当两个线圈参数相同时,线圈的形状对耦合效果也会产生影响,传感器线圈一般设计的是螺旋方形线圈和螺旋圆形线圈,下面对这两种形状的线圈的耦合距离进行测试。
由图8可知,圆形电感线圈的传感器耦合距离最远是4.03 cm;方形电感线圈的传感器耦合距离最远是2.85 cm。可以看出,在线圈参数基本相同的条件下,圆形电感线圈的传感器的耦合距离明显大于方形电感线圈的传感器,并且在相同耦合距离下圆形电感线圈的传感器的耦合效果要好于方形电感线圈的传感器。
4 结束
本文为提高读取线圈和传感器的耦合距离,就线圈的内径、外径、线宽、匝数以及形状这五个方面进行了相关实验。实验结果表明,内径越小,其影响的耦合距离越大;外径并不是越大越好,取27.5 mm时,即可增大耦合距离,又可控制传感器大小;线圈的线宽越宽,耦合距离越远,取1 mm为宜;线圈匝数取10时,为优化参数;线圈的形状为圆形时,耦合距离最大。因此,以上实验结果可以为读取线圈和传感器在设计过程中的设计参数进行优化,实现传感器的有效应用。
摘要：通过对比实验,研究了无源LC传感器的相关电感线圈参数对耦合距离的影响,为传感器的参数优化设计提供指导。实验得出,线圈内径小的传感器耦合距离较远,但增加不明显;线圈外径越大的传感器的耦合距离越远,但是外径过大增强效果不明显;线宽1 mm的传感器相比线宽0.5 mm和0.3 mmm的传感器耦合距离增大较明显。由于线圈电阻的增加,匝数10以上的传感器并不能较大的增大耦合距离。圆形电感线圈传感器的耦合距离明显大于方形电感线圈的传感器,并且在相同耦合距离下圆形电感线圈的传感器的耦合效果要好于方形电感线圈的传感器。综上,在进行无源LC传感器电感线圈设计时,在一定的尺度范围内,线圈的内径要做小,外径和线宽要做大,匝数取10为宜,形状选取圆形。
关键词：无源LC传感器,互感耦合,耦合距离,相位差,参数优化
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无源无线传感 篇6
本文提出了一个低压低功耗并可进行快速A/D转换的数字温度传感器电路,使电路在1 V以上就可工作,功耗电流很小,可用于无源RFID标签而不降低标签的灵敏度。在详细阐述电路方案的结构和工作原理后,进行了电路的温度测量误差分析,指出引起温度测量误差的主要原因及相应的解决方法,最后依照电路的结构方案设计了一个温度测量范围为60℃～123℃的温度传感器电路并进行Spectre仿真和流片测试。测试结果与理论分析相符,验证了理论分析的正确性。
1 本文提出的温度传感器电路
1.1 温度传感器工作原理
本文提出的温度传感器电路方案如图1所示。利用负温度系数的电压Vbe和正温度系数的电流IPTAT以及逐次逼近ADC[6](Successive Approximation Register A/D Convertor,简称SAR ADC)结构,避免使用带隙基准电压电路,可以在较低的电源电压下工作,具有较快的A/D转换时间和较低的功耗,并且工作电压与无源RFID标签的电压相适应。
图1中,SAR ADC包含比较器、SAR控制逻辑电路和D/A转换器。集电极电流IC经过BJT晶体管产生负温度系数电压Vbe,ITPAT电流经过D/A转换器的电阻网络产生与数字信号相关的电压VP,通过比较器把Vbe和VP的比较结果送到ADC的逻辑控制电路。通过一个SAR ADC电路把电压Vbe转换成对应的数字信号输出。
Vbe相对于绝对温度有一个近似的线性关系[7],因此Vbe可表示为:
其中,K1是Vbe的温度系数,K1≈1.5 mV/℃～2 mV/℃,T是绝对温度,t是环境温度,t0是温度测量范围内的最低温度,Vbe0是Vbe在温度为t0时的值。
同理,电流IPTAT的表达式为:
其中,I0是IPTAT电流在最低工作温度点t0时的电流值,K2是IPTAT电流的温度系数。
图1的6 bit D/A转换电路中包含1个偏移电阻RS和6个2n加权电阻,相邻加权电阻的阻值有2倍的关系。数字信号d5～d0控制6个开关管的导通和截止,当数字信号为高电平时,相应的开关管导通,相应的加权电阻就被短接;当数字信号为低电平时,相应的开关管截止,相应的加权电阻就被串联接入,因此总的电阻值就是这些被串联接入的电阻的阻值总和,即电阻网络的总电阻R可表示为:
其中,,r为R6的阻值。
R0是在t=t0时R的初始值,此时d5～d0都为0。N是数据d5～d0的十进制数值。则D/A的输出电压Vp可表示为:
其中,Vp0=R0I0。电路的初始条件为当t=t0时,N=0,Vbeo=Vp0。D/A转换器的输出电压Vp与输入的数字信号成负系数的线性关系。
通过比较器,将Vbe和Vp进行比较,并把比较结果VC送回给SAR寄存器。因此,当Vbe=Vp时,有:
对式(5)在t=t0附近进行泰勒级数展开,可得:
其中,,Kn为A/D转换器的温度转换系数。因此,ADC的数值与温度成正比例线性关系。
图1中的SAR控制逻辑按参考文献[6]的逻辑由Verilog编程实现。SAR ADC完成一次转换所需的时间与其位数和时钟脉冲频率有关,位数愈少,时钟频率愈高,转换所需时间越短。这种A/D转换器具有转换速度较快、精度高的特点。
1.2 温度测量误差分析
温度测量误差主要由图1中的模拟电路产生,Vbe、IPTAT电流的非线性、D/A转换器的开关导通电阻、A/D转换的非线性、比较器的失调以及工艺的偏差等因素都会对温度的测量产生影响。
D/A转换器的开关通常由MOS晶体管来实现,MOS晶体管导通时的导通电阻大约有几十到几百欧姆,尤其在所有的开关都导通时,相当于所有的导通电阻串联,会产生较大的温度测量误差,因此需要尽可能减小开关的导通电阻。
由式(6)可知,在t=t0附近,测量的温度值与实际的温度存在近似线性关系;在温度偏离t0后,由式(5)可知,温度的测量值与温度并不是严格的线性关系,实际的温度偏离t0越大,温度测量误差越大,把这种误差定义为A/D转换的非线性。因此,在一定的温度测量范围内,温度测量值是对温度非线性曲线的拟合,它限制了传感器的温度测量范围。温度测量拟合曲线如图2所示,在温度测量范围的中间有正的温度测量误差,但是在两端有负的温度测量误差。
2 温度传感器电路设计
依照图1的工作原理,设计了一个温度测量范围为60℃～123℃、温度分辨率为1℃、数据位数为6 bit的低压、低功耗数字温度传感器。所设计的温度传感器的模拟电路如图3所示。电路包含左边的偏置电路、中间的D/A转换电路和右边的比较器电路。偏置电路产生IPTAT电流、Vbe电压,并为无源RFID标签芯片的其他电路提供偏置电流。M14、M25、M26和M29是温度传感器电路的使能控制开关,当完成温度测量后,控制信号EN变为高电平,温度传感器的D/A转换电路和比较器电路进入睡眠状态,可节省芯片的功耗电流,而偏置电路仍处于工作状态,能继续为RFID标签芯片的其他电路提供偏置电流。
3 温度传感器的仿真和测试结果
基于TSMC CMOS 0.18μm的工艺设计了温度传感器的电路版图并流片,其模拟电路的版图如图4所示。版图的面积为190μm×127μm。
用Cadence Spectre进行电路的性能仿真,并测试流片后的芯片。芯片的温度测试方法:随机抽取10个样片,在90℃进行单点校正,然后在60℃～120℃范围内,每隔10℃进行一次温度测量,记录温度测量值,最后计算出在各温度测量点的平均温度误差。电路仿真和芯片测量的平均温度误差如图5所示。电路仿真的温度误差为±1℃,芯片测量的温度误差为±2℃,在各个温度测量点的平均测量误差小于±1.5℃。温度测量误差曲线大致呈抛物线的形状,在温度测量范围的两头呈现负的温度测量误差,而在中间部位有正的温度测量误差,测试结果与图2所示的温度误差的理论分析相一致。
图6是在温度为80℃时电路的功耗电流随电源电压变化的仿真结果。在电源电压VDD高于1 V后,电路的总电流趋于稳定,电路能稳定工作,因此电路的工作电压可低至1 V,与目前的无源超高频RFID标签的工作电压相适应。电路总功耗电流大约为4μA,其中DAC的电流小大约为1.5μA,比较器的电流大约为0.5μA,因此ADC部分的功耗电流为2μA,偏置电路的电流也约为2μA。RFID标签芯片中,可重用该偏置电路,因此只需增加DAC和比较器电路,大约增加2μA的电流就可实现温度传感器的功能。最后,使用80 kHz的时钟信号,温度测量时间大约为90μs。
本文提出了一种避免使用带隙基准电压的数字温度传感器电路,不仅使电路的工作电压可低至1 V,还缩短了温度测量时间,可用于无源RFID标签。在不提高RFID标签芯片的工作电压的情况下,大约只需增加2μA的电流就可以进行温度测量。因此合理地设计控制逻辑,就可以在不降低无源RFID标签芯片灵敏度的同时实现温度检测功能。本文提出的温度传感器电路方案解决了无源RFID温度检测标签芯片的低电压、低功耗、快速A/D转换三大难题,为温度传感器在无源RFID标签领域的应用和研究提供了参考和帮助。
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无源无线传感 篇7
随着可穿戴设备的爆发式发展,与其密切联系的可穿戴传感技术也迅速发展。目前研究较多的柔性力学传感器主要为电阻型和电容型,它们不易检测出不同方向的力学变形,不利于复杂多维运动的监测。日前,中科院苏州纳米所陈韦研究团队发展了基于离子压电效应的可穿戴离子型无源力学传感器,并且实现了对于人体多尺度多维活动的实时监测。相关成果发布于《微尺度》。
这种离子型传感器以贵金属材料或者石墨烯材料作为电极材料,以离子液体作为电解质。在受到力学形变作用下,其内部可移动离子会发生定向移动,由于离子液体中阴阳离子的移动速度不同,导致两侧电极上离子的非平衡分布,从而产生电压输出。与传统的压电特性相类比,这种通过离子运动将机械能转化为电能的特性被称之为离子压电效应。与电阻式以及电容式传感器相比,该离子型传感器无需外部电源,并且可以对力学变形的方向进行识别。
该离子型无源传感器可直接贴敷在人体皮肤或衣物上进行实时监测,对大范围不同方向的手腕运动、坐姿变化、剧烈运动前后的微弱脉搏波信号变化,以及手指触摸运动等不同类型不同范围的人体活动,离子型传感器都能实现良好的监测和分辨。