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一个无源无线温度传感器在恶劣环境下的应用王亚1，嘉仪1，*，陈秋水2和王炎云21系机械工程学院，波多黎各大学-马亚圭斯校园，吕康，波多黎各，00681-9045，美国2波士顿应用科技公司，街6F吉尔，沃本，马01801，美国*作者的问题解决信箱；电子邮件：jia0@me.uprm.edu；电话：+01-787-832-4040；传真：+01-787-265-3874收到：2008十月21；在修订的形式：2008/3十二月4十二月接受：2008/发布：8十二月2008摘要：高温传感器能够在恶劣的环境中工作是为了防止结构或系统功能故障导致温度升高造成的灾害。大多数现有的温度传感器不能满足是因为他们需要无论是物质接触或进行信号通信的电源电池，并且，它们不能承受高温也没有旋转的应用。本文提出了一种新的无源无线温度传感器，适合在恶劣的环境中工作的高温旋转部件的监测。一个完全无源LC谐振遥测方案，依赖已成功地应用于压力，湿度和化学测量的频率变化输出，集成了独特的高-K温度敏感陶瓷材料，以及无接触测量温度，有源元件，或在传感器内的电源。在本文中，在高温度传感器的设计和性能分析的基础上进行机械和电气的建模，以最大限度地提高感应距离，Q因子和灵敏度。最后，该传感器的原型制造和校准成功达235ºC，证明了温度传感无源无线通信的概念。关键词：高温传感器，哈希环境下的应用，无源，无线1.介绍为了防止因高温引起的结构失效引起的灾害，传感器能够测量恶劣环境下的高温度是必要的，例如，对航天飞机热砖耐高温监测，对飞机发动机旋转轴承的高温测试，以及盘式制动器，喷气发动机的动力和高速轴旋转的资格测试[1-4]。简要介绍了现有的高温度传感装置，在本节中，其中包括高温热电偶，温度高的光学传感器，高温表面声波传感器（SAW），以及射频供电LC传感器。热电偶是将两根线的一端接合在不同的金属上，热端，用于温度测量，并且在其另一端，冷端，在0℃下，一些可用的高温热电偶甚至能够测量温度高达2300°C。然而，从热电偶输出的信号是弱的，并且可以很容易地被共模噪声影响。此外，他们在高温环境下明显漂移在长期操作中[5]。在一些恶劣的环境中，它们只有几天的生命，因为它们易被腐蚀性化学品攻击。高的光学温度传感器的外部温度刺激，其特征在于由几个变量组成，如强度，频谱，相位和偏振状态的光信号转换的工具。通过检测对象所发出的热辐射的光学体温测量温度[6]或是一块材料，其热膨胀系数和折射率变化作为温度的函数[7]，其光路长度的变化，或通过检测衰减时间或紫外线强度激发可见荧光的脉冲，它是随温度变化[8]或基本上随温度变化的光散射[9]。这些光学传感器有着一些显著的优点，如体积小，重量轻，其中一些甚至可以测试温度可达1500°C[7]。但是，这些常用的传统技术在恶劣环境下的测量灵敏度，精度和范围是有限的，例如，电磁干扰，辐射，腐蚀和旋转组件的测量，难以适用。高温表面声波（SAW）传感器是基于检测温度[10]引起的声表面波的相速度的变化。速度的变化可以通过测量传感器的频率或相位特性，然后可以与所对应的温度被测量的数量。事实上，所有的声波装置的压电声波传感器，施加振荡的电场，以建立一种机械波，通过基板传播，然后被转换回的电场进行测量。该技术一些恶劣的环境中作用很大，在那里是很难插入探测器，用于测量温度，由于低的热质量，低导电性，或在高温下的强辐射耦合。然而，由于声波传播在材料的表面上通过，在传播路径上任何变化对波的速度和幅度是有影响的。因此，这种技术的主要困难是，声音的速度不仅依赖于温度，而且还跟路径有关，这通常在不同的环境根据几何和材料特性有所改变。影响系统容量，低带宽和限制了其应用范围。大量的的专利和数十篇论文关于射频供电LC传感器，在过去十年中，因为这些传感器不需要接触互连和板载电源。正如我们知道，一个电池通常限制了传感器的寿命和工作温度范围，而“虚拟的“电池供电是射频辐射，它是一种很有前途的化学电池。由于其体积小，性能稳定，在苛刻的医疗和工业环境里射频供电LC传感器特别适合于短距离传输高能量，其中，例如，高温压力传感器[11-13]，高温化学传感器[14]和湿度传感器[15]等，它们低频率范围一般能提高数据传输速率，用于读取传感器响应的速度快、多传感器模块阅读的要求[16]。他们不得不表示LC无源无线传感技术在许多领域的拓展作出了重要的贡献，如压力，温度和化学测量。然而，该射频供电LC温度传感器的发展并没证明对恶劣环境下的应用能高达235ºC。在本文中，一种新的射频供电LC温度传感器的研制，可工作在恶劣的环境中，高温旋转构件的监测。如图1所示。检测到的温度信息，通过跨天线的手持式读取器，然后传输到笔记本电脑。该项目扩展无源无线温度传感技术，在恶劣的环境和先进的嵌入式预测健康监测技术的知识基础。研究的独特和新奇的是：1）运用独特的高k温度敏感陶瓷材料，而不是任何电子元件来实现LC温度传感；2）开发了一种新型的高介电常数的温度敏感陶瓷材料能够工作在严酷的环境下高达235ºC；3）将独特的温度敏感陶瓷材料与LC谐振电路相结合产生编码机制，可以大大提高灵敏度和无线温度传感器的动态响应，检测频率。图1.无线温度传感系统。在第2节，基于机械和电气建模对新的无源无线温度传感器进行设计与仿真。一个完全无源LC谐振遥测方案，并已成功地应用于压力[11-13]，化学[14][15]和湿度测量，与高介电常数的温度敏感陶瓷材料结合，在本文中，来衡量被包含在传感器的温度变化，有源元件，或电源。在第3节中，对性能进行分析，以确定传感器的尺寸，谐振频率范围，最大限度地感应距离，Q因子和灵敏度。最后，在第4节中，传感器的原型已成功制造和校准到235ºC，对温度传感无源无线通信概念的证明。在第5节中提出结论。2.传感器的设计与仿真无线访问和远程供电是通过电感供电系统产生一个时变电磁场的基于法拉第电磁感应定律和楞次定律。如图2所示，温度传感器是由远程读取器组成，通过读取器的天线和传感器的电感之间的感应链路发送振荡磁场。同时，在同一个共振频率的温度信息发送到读取器也是通过感应链路。当远程读者改变谐振频率时，电容传感器响应环境变量“温度”的变化，远程阅读器可以检测传感器的响应频率变化通过监控带宽，和读取器天线端子之间的阻抗。图2.无线通信的基本原理图。温度传感器，如图3所示，是由一个陶瓷多层电容器的平面电感器集成的，从而形成一个LC谐振电路。该平板电容器的结构设计，结合厚膜K温度敏感陶瓷材料和厚的薄膜电极，使传感器易于连接和可用于旋转部件，如在航空发动机轴承。电容（EC）是该温度传感器的基本设计原理。该传感器的电容敏感材料的介电常数的函数。平面电容器，当暴露在恶劣的环境中，有一个线性的介电常数随温度的变化。对温度响应的电容的变化可以表示在方程（1）。其中ε0是8.85×10-12F／M的自由空间的介电常数并且εr对应于该介电材料的相对介电常数。A是一个电极板的面积，T是电极板之间的距离，这也正是介电材料的厚度。当传感器暴露在变化的温度，材料的εr（T）会发生变化。图3.传感器设计原理图。螺旋电感，如图4所示，构成LC谐振电路元件的温度传感器，它提供了一个高质量的因素，就是在恶劣的环境中应用的可行性。耦合的主要是（图2），螺旋电感作为基于电磁感应原理的变压器。交流电压频率相同的原因是传感器电感引起的。环境温度变化引起频率变化，这可以通过监测阻抗在较宽的带宽阅读器天线端子上。换句话说，电能是从输入线圈传输到传感器并在同一时间，设备的温度信息被检测到从读出器横跨所耦合的磁性字段的。图4.螺旋电感的设计。为了读取温度信息，有必要制作合适的电感若是有一个合理的电感并在高温下设计品质因子。实际上，有圆形的螺旋电感器的电感没有封闭形式的解决方案。圆线循环回路电感（图3）有一个低频电感值可以由估计[17]：在这里，n表示线圈匝数，R表示环半径，一个对应于线半径，和自由空间μ0磁导率是4π×10-7H/M该传感器的谐振频率表示一个突然变化出现的阻抗的频率响应的点。谐振频率的表达式是由以下方程定义：模拟已经完成，目前的谐振频率和介电常数的关系的总体思路，如图5所示，为电极板，一个感应区域，范围从10毫米到25毫米，厚度为敏感材料，T为0.480毫米，导线的半径，0.337毫米，电感器的半径，R为8.5毫米，和电感的匝，N为2。3.性能分析3.1电气模型分析无线传感器系统的经典方法是消除耦合读取器线圈和回读传感器的反射阻抗，为了说明读取器线圈电压的变化。等效电路图如图6所示。在这里，Zr和ZS表示固有阻抗分别为读取器和传感器，RR和RS是读取器自身的电阻和传感器电阻，CR是读出器电路的电容，以最大限度地提高所施加的电流，其被导入通过阅读器天线，CS是环境温度敏感的传感器电容。ZS的是传感器的反射阻抗，Zi是从读出器段看到的输入阻抗，和M对应的互感。图6.无线遥测系统的等效电路图。读出器的谐振电路的阻抗是由：该传感器的阻抗可以表示为：这里K是耦合系数，定义为：事实上，传感器的相互作用可以被看作是一个在ZS串联的电感天线下：因此，从读出器看到的输入阻抗是由替代（4）和（7）为（8），它将产生：事实上，在一定的频率，不是因为测量电压的变化，而产生周期性围绕传感器的固有频率的扫频测量的频率变化。作为阅读器的频率扫描，当激励频率匹配谐振频率的传感器，在传感器的阻抗ZS的突然增加时。图7显示了在不同温度下的阻抗和反射传感器阻抗ZS的扫频变化的幅度和相位，总结在表1中的参数值。图7.输入阻抗与扫频。表1系统参数值读出器电感LR1.5μ传感器电感LS0.68μ传感器的总电阻RL6欧姆传感器的标称电容Cs在20ºC0.24NF耦合系数K0.4读出器半径RR30cm电感半径rs28.5cm耦合距离D2.5cm为了能够检测来自阅读器的谐振频率，阻抗的反映，ZS的变化。如果反射阻抗ZS的变化，小于天线的电压降，大部分电压降将发生在天线上。为此，Q因子和耦合系数要高到足以确保谐振频率可以被检测到。3.2品质因数品质因数Q，定义为每单位周期的共振系统消耗的能量总储存的能量的比值：W为总储存能量，P表示平均消耗功率，f是谐振频率。Q值另一个定义表达式：RL为电感传感器总电阻即电容电阻和电路的电阻，这是简要的讨论Musunuri等人[18]。Q值通常被解释为共振峰的锐度。较高的Q因子表示相对振荡频率能量消耗率较低。图8给出的Q因子的总传感器的电阻模拟和电感传感器的电阻模拟，用于在相同的标称值，在表1中的其他参数。图8.Q值与电阻和电感。3.3耦合系数耦合系数k支配感应遥测系统的无线范围的因素。一个完整的系统描述，K可以建模为每个应用程序通过使用有限元模型的CAD工具和专门的优化。然而，K设计参数相关的一个公平的近似是由[19]：在这里，RR对应于初级线圈的半径，RS指示传感器电感的半径，和D耦合距离。图9显示了如何读写器天线半径和传感器半径的半径比和阅读器天线在一定的传播距离对耦合系数K（参数见表。1）的模拟表明，最大限度地减少天线半径和最大半径比可以提高耦合系数和最大限度地耦合距离。图9.耦合系数与读写器天线半径与半径比。3.4讨论在这一部分中，对无源无线温度传感器的性能研究以及谐振频率，Q值和耦合系数。除了上述参数的调整，电容补偿能最大限度地体现了传感器的阻抗来检测谐振频率，即使另一个谐振电路，留下完整的传感器阻抗来改变阅读器的性能。然而，这个电容器会根据最高效率的谐振频率值可以改变，这可能不容易。这也将需要更复杂的补偿构架。总而言之，改进，以实现高性能的无线系统，其特征在于具有高Q因子最大化的通信距离的结论如下：1）以最大限度地提高电感传感器，传感器的电感器和阅读器线圈的半径比；2）以尽量减少传感器的电阻，读出器天线的半径，阅读器的电感；3）介绍电容补偿。4.传感器的校准传感器的原型和它的等效电路如图10所示。有两圈螺旋电感是用搪瓷涂层磁铜线做的，6041DAg的所述是电容器电极的连接。圆铜线的直径2a是0.674毫米；电感的R的半径是28.5毫米。电极板的面积