倍数由电流増益寄存器(Ign 范围0~5.0)决定。当配置寄存器的第19 位置1 时,测量+30mv 的输入电压,否则,测量+150mv 的输入电压。CS5460 内部带有高通滤波器(HPF),作为电能测量时,HPF 必需选通。通过CS5460 对配置寄存器的第20、21、22、23 位设置,可以微调电压和电流之间的角差,从而可由CS5460 的内
部补偿因电压电流互感器引起的相位偏差。CS5460 输出能量的方式有两种:一种是通过它的SPI 接口直接输出能量寄存器中的能量值;另一种是以瞬时功率脉冲的方式输出,输出脉冲频率由脉冲频率寄存器设置, 其范围为2-5~219Hz。具体硬件电路图如图6所示:
图6 功率测试结构图
试叙述无源传感器的研究状况,无源传感网络的研究状况和前途。
无源传感器研究现状
对环境、对象状态的感知,是人类智能的重要特征。人类的大脑功能有三分之二用于管理各种感知信息。人体的感觉信息直接来源于密布在整个神经组织中的各种感觉细胞、神经末梢等基本感受元素,它们能在人体的各部分感受各种刺激,再与更深部位的感受器一起,形成复杂的综合信息,传向神经系统进行处理。因此,模仿人的感觉功能的智能化传感,是现代传感技术的前沿和重要的研究内容之一。随着智能化、自动化技术发展,以及智能结构材料系统的深入研究,人们希望现代的智能结构单元和系统能够自诊断、自适应和自控制。
在传感器技术迅猛发展的今天,对于许多传感器应用的特殊场合,传感器和被测单元间的连线通常是无法实现的,例如,滑环、电刷、电机转子和许多运动物体的参量测量时,会产生许多的机械问题和电路问题,会出现中断、噪声,甚至根本无法进行测量,这在传感器及仪器系统实际应用时是非常不现实的。再如直升飞机旋转时螺旋桨尖端和汽车碰撞时车内加速度的测量、汽车轮胎内部压力、温度和摩擦的测量等,也是不能采用连线的方式。因此,必须采用无线传感器来实现测量。
无线传感器按供能方式不同可分为两种:有源和无源传感器。前者由于有电池等电源供电,传感距离非常远,可采用各种电路,控制和处理方便、灵活,目前已广泛应用。然而,对于许多不能提供电源、电池不易更换的传感位置和易燃易爆等危险场合的应用,显然,这种有源的无线传感器显然不能实用。再如对于生物体内器官和血管状态的实时监测和运动物体内部的遥测等,也不能采用有源传感器。无源传感器没有电源(如电池)直接供电,它是靠电磁波的能量供给传感器工作。该类传感器根据能量耦合方式不同又可分为两类:电感线圈耦合型和 天线型。
电感线圈耦合供能的传感器和应答器可作为传感量和身份监测,已广泛用于商场、图书馆、机场的物品管理和智能化的交通系统中。然而采用线圈等电磁耦合方式,能量主要集中在线圈中心很近的区域,其传感的距离很近,1米的距离已是遥耦合,1米以上远距离系统已是非常罕见。并且,耦合的电能直接提供给传感器和处理电路,因此,要求发射的能量非常大。按国际标准ISO 14443(7-15cm近耦合IC卡)和ISO 15693(1m疏耦合IC卡),此时的场强分别为: 1.5A/m≤H≤7.5A/m和115mA/m≤H≤7.5A/m。
天线型传感器采用天线收集空间的电磁能量,然后高效地转化为其它形式的能量,它能感知被测量的大小,然后,将被调制的传感量通过天线高效地转化成电磁能量发送给远端的接收系统,实现无源无线的传感和测量。由于能量转换方式的不同,从理论上它比电感耦合的传感器有更远的测量距离。目前,声表面波器件是将天线的电磁能直接、高效转换为声能进行传感的最佳器件之一。现在研究的144MHz无源无线声表面波传感器系统,采用半波长偶极子天线时,传感距离已达十米以上;而采用10厘米左右的微小天线时,传感距离也可达4米。由于该无源无线传感器无需电能,体积小,传感距离较远,测量方便,成本较低,传感的参量多,还可构造成分布式和阵列传感器,并可应用于许多传统传感器无法应用的场合,因此,它是非常理想的传感器。随着传感效率和传输距离的进一步提高,它极有可能取代现有的许多其它传感器。
1965年White等人首次在压电基片上制作金属叉指换能器,并在叉指换能器上施加交变电场,这样在基片上激发出声表面波。声表面波在基片上传播,在传播路径上的叉指换能器将声表面波再次转换成电磁波信号。由于声表面波的传播速度只有电磁波传播速度的十万分之一,压电基片上叉指换能器的这一功能适合于电子模拟信号处理技术,实现多种模拟信号处理功能。从七十年代初开始,欧美一些国家研制出谐振器、延迟线和滤波器等声表面波
器件,声表面波器件的研究一直方兴未艾,以后又出现了声表面波谐振器、编码器、卷积器等一系列线性、非线性器件,广泛应用于广播、电视、通讯设备中。由于绝大多数声表面波器件仅采用微电子平面工艺,所以国内的许多半导体器件生产厂家可以制作较低频段(1GHz以下)的声表面波器件。声表面波无源无线传感器和目标识别器研究是上世纪80年代中后期开展起来的新兴研究领域。声表面波器件的电-声、声-电转换和高效蓄能特性为声表面波器件的无源无线应用奠定了基础。声表面波器件自身是无源器件,由于压电效应和逆压电效应,叉指换能器能够将电磁波和声表面波相互转换,即实现机电能量互换。由于声表面波的频率至少大于10MHz,属于电磁波射频范围,所以声表面波器件,可以直接从空间耦合射频电波,实现无源、无线工作方式。声表面波器件的这一特性结合它的二元以及多元编码功能,首先被用作无线非接触识别器。
声表面波传感器按检测原理分为两种类型:延迟型和谐振型。前者主要是利用激励信号与接收信号在时间上的时延或相位上的变化进行测量,当传感参量改变时,将影响时延或相位,从而感知被测量的大小;而后者则是利用声表面波谐振器良好的频率选择性,直接测量反映器件固有频率的谐振频率,从而感知被测量的大小。前者多采用脉冲或扫频方式激励,可以进行编码运算,但传感距离非常短;而谐振型传感器的品质因素较延迟型器件高许多,因而损耗极小,更适应于远距离的无源无线遥感。采用单个无源的声表面波传感器可构成分布式无源无线阵列传感器,只要阵列传感器中各个声表面波器件的叉指换能器具有不同的频率选择特性,或者不同的编码(解码)功能,就可以通过发射信号的频率或者编码选择激励阵列中各个传感元,从而达到识别(寻址)阵列中各个传感单元的目的。采用新型的谐振延迟型无源无线声表面波传感器时,它既有谐振型传感距离远的优势,又有延迟型的可编码的长处,可以扩展应用的场合。
由于声表面波无源无线传感器具有非接触、快速、无电源、抗干扰,易编码,保密性好,成本低等优点,目前,已广泛应用于许多领域。由它构成的传感器阵列,传感元之间无信号线连接,阵列输出也无需引线连接,分布更容易,应用不受限制,特别适合一些应用环境复杂,不宜接触的工程结构和环境的遥测、传感和目标识别。例如:可将无源声表面波传感器分布在机翼上,实现对飞机机翼振动的监测和控制;也可以将无源的声表面波传感元分布在大型机械结构的运动部位,并不妨碍其运动而得到各种动态参数,如火车轮子、火炮及坦克的履带等;还可以将无源的声表面波置于地下及海洋的金属管道及线路中;也可以将它放置于许多不能有电源、高电压、强电磁场及强加速度运动的场合等。此外,适当加入其它敏感的材料于声表面波结构中,可传感各种其它的物理、化学参数,构造出更多种类的无源无线传感器。因此,对无源无线声表面波传感器的研究有广泛的应用前景。
声表面波传感器由于选用的压电材料、切型和传感器结构不同,其传感参量也不同,响应信号的方式也各异。本文以无源无线声表面波温度传感器为研究对象,在通常的谐振型和延迟型声表面波传感器技术基础上,进行深入的研究。所研究的内容涉及全新的传感器原理和信号处理方法,也包含传感器系统的设计、构造和实现。这些研究内容适用于智能化分布式微传感技术,也适合于智能化多参量测量的传感器系统,对其它类型声表面波无源无线传感器研究具有借鉴的作用。根据对多种无源无线传感器的原理、结构、系统及实验研究和误差分析,发现无源无线传感器应用中存在的问题,并由此提出了全新的“自供电”的原理,使声表面波无源无线传感器的研究脱离了传统接收、传感、反射能量的模式,声表面波器件将能量收集、储存、转化成电能,进而控制电路并将能量发射,这样,该器件已不是传统意义上的传感器,它兼有信息中转,处理等功能,更接近智能化无源无线传感器,所构成的系统具有智能结构和系统的特点。此外,它应用和融合了智能传感器技术、微机电系统技术、高精度的压电微加工技术、信号处理技术和天线技术的研究成果,拓展了现有的分布传感技术的实现方法、手段,是智能材料结构系统技术、微机电系统技术的一种新的技术方法,具
有重要的科学意义和社会意义,并会带来明显的经济效益。
无源传感网络
无源传感网络通常可用于以下场合: 在民用领域,作为传统移动通信系统的后备网络可以用于救灾通信系统。如当通信设施遭到自然灾害(如地震、泥石流、洪水、火灾)的破坏时,没有方便可用的通信网络设施,如在地震灾区,要临时快速建立一个通讯网络作为生存性极强的后备网络。同时也可以作为无线局域网的扩展网络,可作为信息家电的互联及家庭网络。可以用于城市车辆之间通信的车载网络以及移动机器人之间的通信网络等等。 在军事领域也具有十分广阔的应用前景,用来构建战术网络,用于已有军用网络以提高网络的可靠性和生存性。这些网络应用包括战场作战侦察单位之间的通信、机械化部队之间通信、士兵之间的通信、无人机群之间的通信之间的通信、机动多雷达网络通信以及战场信息实时采集与发布系统等等。
对于在军事应用中临时、快速建立起战场通讯可以满足独立性、抗毁性以及移动性要求,具有良好的战场适应性。
总的来说,由于无源传感网络可以不依赖于通信基础设施的独立性,因而能满足战场移动通信系统独立性的要求。而网络中可以没有基站等基础设施,采用分布式协议互联,又使得它具有较强的抗毁性。为了在节点移动造成网络拓扑变化时保持正常的通信能力,协议设计中往往要考虑网络拓扑变化的情况,协议因此被设计为具有路由重构的能力。
集成了传感器技术、微机电系统和网络通信三大技术而形成的无线传感器网络是一种全新的信息获取、处理与传输技术。无源传感器网络在各行各业均具有广阔的应用与市场前景,要应用在军事、环境监测、医疗保健、家庭网络等领域,特别在战场环境监测和灾害地区灾难拯救等特殊的领域有其得天独厚的技术优势。
无源传感器网络由大量分布的无线传感器网络节点组成。节点彼此之间互相合作,通过自组织网络协议和算法进行网络通信。图为一个典型的无线传感器网络架构示意图。集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微型嵌入式节点,借助内置的、形式多样的传感器监测所在周边环境中的热、红外、声纳、图像、音频等众多我们感兴趣的物理现象。其处理能力、存储能力和通信能力相对较弱,有的传感器节点则强调采集音频、图像等环境信息,并进行简单处理,同时还要完成对其他节点转发的数据进行融合、转发等。
图1 传感器网络
无源传感器网络节点的设计在遵循低成本、扩展性和稳定性的基本原则下,应提高传感器节点能力以适应大数据量,实时性要求高的信息的获取与处理。对于无线传感器网络节点的设计主要分为四个部分:一是传感器模块,包括摄像头、麦克风采集设备以及振动、红外等传感器,其作用是采集环境媒体信息,实现对于整个环境的多种信息的收集;二是处理器模块,主要完成对于所采集信息数据的在网计算处理,节点任务管理、存储管理、电源管理、通信机制等;三是通信收发模块,采用无线电通讯的方式,实现多节点相关的数据传输与通讯;四是能量供应单元,保证传感器节点能够正常工作。 目前主要还是在无源传感器研究阶段,对无源传感器的研究还是比较少的,但对于无线传感网络的研究进行的不错,可以借鉴无线传感器网络来实现对无源传感器的研究。