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基于SiBCN温度传感器无线扫频信号收发控制系统硬件设计

论文编号:lw201708301933411839 所属栏目:控制工程论文 发布日期:2018年01月27日 论文作者:无忧论文网
第 1 章  绪论 

1.1  课题的研究背景和意义 
在工业生产中,测量温度的技术一直随着工业技术的进步而不断的发展。如今普通的温度传感器测量技术已不能满足当今日益变化的需求,如何在高温腐蚀等恶劣环境中测量温度,于是提出制备基于耐高温腐蚀材料的微波谐振腔的无线无源温度传感器,来解决在恶劣环境中温度难以测量问题[1]。对于传感器的分类,一般从两个方面进行分类,一类是有无电源供给,另一类是有无引线连接。有线传感器在测量过程中需要在被测物体上连接引线,在高温腐蚀的环境下,很难满足要求;而无线则不然,利用的是一些物理参量的变化来进行温度的测量,但是需要考虑外部介质的影响[2]。通常有源传感器工作所需的能量由安装在传感器中的电池或外部电源提供,其中对于电池来说,电池电量是有限的,需不定期的更换电池。而且有源传感器系统容易受外界的高温、电磁干扰等环境影响,导致系统内部的元件很容易被破环,于是有源传感器电池的寿命也是一个很大的障碍[3,4],因此,无源无线传感器能够更好的满足实际条件,需设计一套无线无源温度传感器测试系统,来检测恶劣环境温度。 在如今的温度测量技术中,主要分为两类:一是接触式测量方法;二是非接触式的测量方法[5]。接触式测量方法在生活、工业等领域中已普及运用,技术也很成熟,具有高稳定,高精度的优点,但是在一些高温腐蚀等恶劣环境就很难满足要求。非接触测量方法,顾名思义,就是不用接触物体表面,而是利用一些物理参数变化来进行温度测量的一种新型测量技术,该测量方法正在不断快速发展和应用,能适应在恶劣环境下的温度测量,但是很容易受的环境介质和被测物体本身的表征因素的影响[6]。常用非接触式测温技术有: 辐射式测温方法[7]:在热辐射定律基础上,测量辐射物体的亮度与温度之间存在的关系,从而实现温度测量的一种方法,很容易受到中间介质和辐射物体表面发射率的的影响[8]。 
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1.2  微波谐振腔传感器的研究现状
20 世纪六十年代,耐高温氧化腐蚀性的 Si BCN 陶瓷材料就已开始着手研究[17],在
1969 年,Shaffer 团队在高温和高压下将元素 BN 与 Si C 按一定比例进行了固溶处理[18],首次制出固溶了 B 和 C 的 β-Si C。1971 年,美国 Jones 团队利用不饱和有机硅化物与乙硼烷发生硼氢化加合反应,生成有机硅硼烷[19],1996 年,德国 Riedel 借助这一方法,发现 Si BCN 陶瓷可以在不含氮气的环境中在近 1700℃时开始结晶,2000℃的高温时仍保持稳定,制备出一种新型 Si BCN,在氩气环境中可在 2200℃的条件下保持稳定,在1700℃高温中 Si BCN 的耐氧化性能比 Si C 和 Si3C4 更好,而且在高温下随着时间的推迟抗蠕变性能渐渐提高[20]。研究至今,人们已基本掌握 Si BCN 陶瓷材料的合成路线。 国内的 Si BCN 陶瓷材料由中国科学院、国防科技大学和哈尔滨工业大学等教育研究机构领头联合研制,主要研究陶瓷材料的制备方法、陶瓷材料的结构还有耐高温氧化等性能。虽然起步比国外晚,通过研究院的不懈努力,也取得了不错的研究成果。2006年哈尔滨工业大学开始着手研究硅硼碳氮基 PDC 材料的性能,证明此类材料在高温腐蚀氧化的恶劣环境下,亦能保持良好的结构稳定和功能,进一步了解了此类材料的性能和结构之间的联系[21]。2015 年厦门大学制作 Si BCN 温度传感器并利用矢网测试该传感器,分析其性能,初步得出温度频率关系[22]。在对 Si BCN 陶瓷的研究过程中不仅帮助了研究人员更加深入的学习了解此类 PDC 的结晶、平衡结构和原子扩散等问题的理解,还有利于研究者对材料结构的调整控制和性能的优化,对国内的陶瓷材料的研究更进了一步,为制备和优化 Si BCN 传感器做好了理论基础。Si BCN 传感器能够在恶劣环境下检测高温,随着技术的发展其测量系统将越来越稳定,将应用于更多领域[23]。 
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第 2 章  系统总体方案设计 

为了设计一款能够在高温,腐蚀等恶劣环境下测量出环境温度的装置,需要进一步了解 Si BCN 温度传感器的工作原理,确定传感器的微波测量技术,分析系统测量需求,确定传感器测量参数,设计出基于 Si BCN 温度传感器的无线扫频信号收发硬件系统。 

2.1 Si BCN 传感器原理 
Si BCN 温度传感器是一种基于微波谐振腔原理,应用于恶劣环境的无线无源温度传感器,属于横磁振荡模式(Transverse Magnetic mode,TM010)谐振腔[24]。其工作原理如图 2-1 所示,利用波导天线发送恒功率的扫频信号激励传感器,传感器的槽天线接收扫频信号,扫频信号某一频率点与谐振腔发生谐振状态,一个响应周期后,槽天线发送不同功率幅值回波信号被波导天线接收,并且有最低幅值点,当传感器的所处环境温度上升时,介电常数会跟着增大,传感器谐振频率随之减小,回波信号最低幅值点会向左偏移,反之亦然[25]。
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2.2 Si BCN 传感器微波测量技术 
本系统对 Si BCN 温度传感器使用的测量方法是微扰测量法[28]。微扰法测量原理与Si BCN 温度传感器谐振腔内部的介质的介电常数有关,在上式(2-1)推导介质的介电常数与谐振频率相对应。当谐振腔受到外部激励时,如果外部激励信号与谐振腔发生了谐振,即激励信号频率与谐振腔的谐振频率相同时,激励信号进入 Si BCN 温度传感器 的内部的金属腔内。通过腔壁对激励信号发生反射和叠加,在谐振腔内形成了驻波,与激励信号之间产生持续稳定的振荡即频率共振状态。而且因为在腔内激励信号与谐振腔发生谐振而形成了驻波,也就是传感器把激励信号的能量几乎全都吸收掉没有反射,没有达到谐振状态,激励信号的能量几乎全反射。因此传感器是否发生谐振,只要检测传感器槽天线发送的回波信号能量值的大小就可以判断[29]。Si BCN 温度传感器受到激励源发送的扫频信号的激励,槽天线接收扫频信号,发送回波信号,前后频率不变,变化的是能量值。本文是通过采集数据得到相应 S11曲线,其纵坐标代表增益(d B),横坐标代表频率(GHz)。 
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第 3 章  系统硬件模块分析 ...... 10 
3.1  扫频信号发生模块分析 ......... 10
3.2  传输通道转换模块分析 ......... 15
3.3  信号转换采集模块分析 ......... 17
3.4  控制器模块分析 ........... 19 
3.5  本章小结 ............. 20 
第 4 章  系统硬件电路设计与实现 .... 21 
4.1 HMC833 信号源电路设计 ..... 21
4.2  功率放大器电路设计 ............. 25 
4.3  倍频器电路设计 ........... 26 
4.4  控制器和 AD 采集卡的集成电路设计 ...... 27
4.5  电源模块电路设计 ....... 34 
4.6  本章小结 ............. 35 
第 5 章  系统硬件调试 .... 36 
5.1  扫频信号发生模块测试分析............ 36 
5.2  环形器测试分析 ........... 43
5.3  检波器测试分析 ........... 45 
5.4  系统结果测试分析 ....... 46 
5.5  本章小结 ............. 51 

第 5 章  系统硬件调试 

系统硬件调试是验证各模块功能和器件的重要参数指标。测试扫频信号发生模块的HMC833 信号源发送固定频率和扫频信号,功率放大器的增益性能,倍频器的倍频性能和带通滤波器的滤波效果;传输转换通道的环形器各端口的插损和隔离度,信号转换采集模块检波器的检波性能,然后测试硬件响应时间,最后搭建整体硬件联调传感器进行测试结果分析。 

5.1  扫频信号发生模块测试分析 

本系统中信号源模块的检测测试,可分为以下几个步骤,第一步测试 HMC833 信号源发送基频信号;第二步测试功率放大器增益、平坦度性能;第三步是测试 2 倍频器倍频效果;第四步测试滤波器滤波效果,第五步测试扫频信号发生模块的相位噪声和杂散抑制水平。在测试过程中,利用软件编程来控制信号源发送单点和多点频率,利用频谱分析仪来检测频率的各项参数指标。 利用 FPGA 控制 HMC833 信号源输出固定频点,在频谱分析仪上来确定频率精度和误差,同时也要对比分析倍频后的信号。先测试单点频率 5.5GHz,如图 5-1、5-2 所示,在频谱分析仪上测试频率为 5.499995018GHz 或 5.499994405GHz,其中 5.499995GHz和 5.499994GHz 为有效值,而且频率后三位的值是随意变化的,倒数第四位在 4 或 5 之间跳动,也就是跳变值大概为 0.000000018GHz 或 0.000000405GHz 等,这样可以确定单点 5.5GHZ 频率的误差为 5k Hz 或 6k Hz。