一种多功能实时无线监测解调系统

1.本发明涉及特殊环境无线测量技术领域，特别是涉及一种多功能实时无线监测解调系统。


背景技术：

2.在航空航天、石油化工、武器装备等工业领域中，航空发动机燃烧室，远程超高速导弹的飞行控制，井下石油开采等，均不是在单一环境下工作，会存在温度、压力、振动等复合环境共同影响。在工况现场测试时，传统的测试系统数据采集是采用线缆连接，不仅存在布线错综复杂、线缆易老化短路问题，尤其在恶劣环境工况测试时线缆过长存在损耗较大问题。此外，现有测量系统采集回的数据不能实时处理分析，需将采集的数据回收再对其及进行手动处理分析，给测试带来很多不便。无法满足高温高压、高旋、密闭空间等恶劣复杂环境中的测量需求。
3.因此需要使用无线测量系统。但目前现有的无线测量系统仍存在以下问题：
4.1、体积大而笨重不宜便携；
5.2、信号采集单一；
6.3、功能单一，仅实现实时数据采集功能，未能对多参数信号实时解耦、标定等。
7.因此，基于上述问题，亟需提供一种新的监测调解系统。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种多功能实时无线监测解调系统，能够在高温高压、高旋、狭小等恶劣下进行实时监测。
9.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
10.一种多功能实时无线监测解调系统，包括：多参数共面集成谐振型传感器、射频信号采集/解调电路以及上位机；
11.所述多参数共面集成谐振型传感器与所述射频信号采集/解调电路连接；所述射频信号采集/解调电路与所述上位机连接；
12.所述多参数共面集成谐振型传感器包括：第一基底、第二基底、温度敏感单元与压力敏感单元；所述第一基底的下表面设置凹槽；所述第二基底的上表面与所述第一基底的下表面键合在一起，使所述凹槽处形成密闭的空腔；所述压力敏感单元设置在空腔的中心位置对应的所述第一基底的上表面处；所述温度敏感单元设置在第一基底的上表面，且与所述压力敏感单元相距设定距离；温度敏感单元与压力敏感单元连接；
13.所述射频信号采集/解调电路用于采集/解调所述多参数共面集成谐振型传感器的回波信号；
14.所述上位机用于根据采集/解调电路解调后的信息进行解耦分析与处理，得到检测结果。
15.可选地，所述射频信号采集/解调电路包括：锁相环pll、低通滤波器、功率放大器、
信号分离器以及射频增益相位检波电路；
16.所述锁相环pll用于产生射频激励信号；所述激励信号经所述低通滤波器组滤波后由功率放大器进行信号放大处理；所述信号分离器件用于将激励信号一部分激励多参数共面集成谐振型传感器，另一部分与多参数共面集成谐振型传感器的回波信号一同传输至射频增益相位检波电路，进而得到增益信息。
17.可选地，所述上位机包括：参数设置模块、实时数据采集与处理模块、数据分析模块以及数据库交互模块；
18.所述参数设置模块用于进行串口设置、数据库路径设置以及校准库录入；
19.所述实时数据采集与处理模块用于进行数据实时显示、谐振点自动捕捉以及数据系统误差校准；
20.所述数据分析模块用于进行多参数解耦以及数据拟合；
21.所述数据库交互模块用于进行数据保存与读取。
22.可选地，所述第一基底和所述第二基底均为耐高温陶瓷基底或耐高温压电基底。
23.可选地，所述第一基底和所述第二基底的材料为ltcc、htcc、lgs或铌酸锂。
24.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
25.本发明所提供的一种多功能实时无线监测解调系统，多参数耐高温共面集成谐振型传感装置工作时，外界压力可以使空腔发生形变，从而使得声表面波在第一基底上的传播速度发生变化，进而使得压力敏感单的工作频率发生变化；同时，环境温度变化也可以使第一基底发生形变，从而温度敏感单元的工作频率发生变化；在空腔外相对第一基底的上表面位置设置温度敏感单元，使得它与同处于空腔的压力敏感单元所处环境的温度相同，它检测的温度可用于对压力敏感单元检测的压力进行温度补偿，从而消除温度因素对压力检测结果的干扰或者影响。之后进行多参数互相干扰的解耦，得到检测结果。本发明不仅使系统简单化、提高了系统的适应性、方便性，而且实现了在恶劣环境下多参数实时监测、采集、解耦与校准，使系统更具有实用性与广泛性。并且本发明具有小体积、便携、多信号采集、多功能处理等优势，可以多参数信号实时采集、解耦、标定等。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明所提供的一种多功能实时无线监测解调系统结构示意图；
28.图2为射频信号采集/解调电路原理示意图；
29.图3为多参数共面集成谐振型传感器的剖面示意图；
30.图4为第一基底的上表面的平面示意图；
31.图5为上位机处理流程示意图；
32.图6为单端口误差模型示意图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明的目的是提供一种多功能实时无线监测解调系统，能够在高温高压、高旋、狭小等恶劣下进行实时监测。
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
36.如图1所示，本发明所提供的一种多功能实时无线监测解调系统，包括：多参数共面集成谐振型传感器、射频信号采集/解调电路以及上位机；
37.所述多参数共面集成谐振型传感器与所述射频信号采集/解调电路连接；所述射频信号采集/解调电路与所述上位机连接；
38.所述多参数共面集成谐振型传感器包括：第一基底1、第二基底2、温度敏感单元5与压力敏感单元4；所述第一基底的下表面7设置凹槽6；所述第二基底2的上表面与所述第一基底的下表面7键合在一起，使所述凹槽6处形成密闭的空腔a；所述压力敏感单元4设置在空腔a的中心位置对应的所述第一基底的上表面3处；所述温度敏感单元5设置在第一基底的上表面3，且与所述压力敏感单元4相距设定距离；温度敏感单元5与压力敏感单元4连接；
39.所述温度敏感单元5与压力敏感单元4不仅为本发明中提到的声表面波传感器，包含于谐振型传感器即可适用，例如：lc传感器等。且所述温度压力集成传感器不仅限于本发明所提到的温/压双参数集成传感器，还适用于温度应变、温度振动等涉及温度相关的单参数、双参数、三参数集成传感器。
40.所述射频信号采集/解调电路用于采集所述多参数共面集成谐振型传感器的回波信号；
41.所述上位机用于根据采集/解调电路解调后的信息进行解耦分析与处理，得到检测结果。
42.由于压力和温度变化都会使得第一基底1的表面发生形变，使得压力敏感单元4检测到的压力会受到温度变化的影响，而导致检测结果不准确。因此在空腔a外相对第一基底的上表面3位置设置温度敏感单元5，使得它与同处于空腔a位置的压力敏感单元4所处环境的温度相同，它检测的温度可用于对压力敏感单元4检测的压力进行温度补偿，从而消除温度因素对压力检测结果的不良影响。另外，位于空腔a外的温度敏感单元5用于检测环境温度。
43.多参数耐高温共面集成谐振型传感装置会受温度、压力的叠加影响，其中，压力敏感单元4谐振频率可表示为如下公式。
44.f
p
＝f1(t,p)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
45.其中，f1(t，p)是指关于压力敏感单元受到温度t和压力p影响的函数关系；t表示某一温度；p表示某一压力。
46.在同一温度下，f
p
与压力成线性关系，用如下公式表示。
47.f
p
＝f2(t)*p+f3(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
48.该公式中，f2(t)为不同温度下压力与频率的斜率，f3(t)为不同温度下压力与频率的截距。提取温度与斜率的关系。
49.温度敏感单元5谐振频率可表示为如下公式。
50.f
t
＝f4(t,p)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
51.其中，f4(t，p)是指温度敏感单元，受到温度t、压力p的影响的函数关系；压力对温度的干扰近似为0，因此温度敏感单元5的谐振频率如下公式所示。
52.f
t
＝f5(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
53.其中，f5(t)是指温度敏感单元只受温度t影响的函数关系。
54.根据公式(1)(2)(4)可得到实际所受压力可表示为如下公式。
[0055][0056]
获得解耦后的压力值，从而实现对多参数互相干扰的解耦。
[0057]
如图3所示，压力敏感单元4位于第一基底的上表面3位于空腔a的中心，温度敏感单元5位于第一基底的上表面3远离空腔a位置。由上述实施例可知，压力和温度变化都会使得第一基底1的表面发生形变，由于密封空腔a的存在，压力使得靠近空腔a中心位置的第一基底1发生的形变相对更大，而远离空腔a中心位置的第一基底11发生的形变相对较小。因此，温度敏感单元5远离空腔a中心位置，最大限度地减小压力对温度检测结果准确度的影响。
[0058]
为了能清楚的展示各个传感器的位置，在图4中的第一基底1上表面上用虚线表示出与之键合的第一基底1上凹槽6的轮廓。
[0059]
所述射频信号采集/解调电路包括：锁相环pll(扫频源)、低通滤波器、功率放大器、信号分离器以及射频增益相位检波电路；本发明所述的射频信号采集/解调电路基于网络分析仪架构及fscw雷达原理设计，如图2所示。
[0060]
所述锁相环pll用于射频激励信号；所述激励信号经所述低通滤波器组滤波后由功率放大器进行信号放大处理；所述信号分离器件用于将激励信号一部分激励多参数共面集成谐振型传感器，另一部分与多参数共面集成谐振型传感器的回波信号一同传输至射频增益相位检波电路，进而得到增益信息。
[0061]
其中hmc832芯片是一种高性能的频率合成器，具有集成的电压控制振荡器(vco)，覆盖1500mhz到3000mhz，能够在小数模式下工作，通过分频器可输出25mhz到3.0ghz超宽频率范围的频率，结合外部参考振荡器及环路滤波器可保持优秀的相位噪声及杂散性能。通过可编程逻辑门阵列fpga将值写入寄存器中，控制hmc832产生范围内所需射频信号。
[0062]
通过编辑锁相环寄存器可输出-10至-3dbm的输出功率，为了增加发送天线与接收天线间的传输距离，采用adi公司的ad8353rf单端功率放大器，可提供高达9dbm的线性输出功率及20db增益。为将输入信号和反射信号进行分离，系统采用微带二功分器(mpd-dc/3-2s)和安捷伦定向耦合器(86205a)，功率分配器负责将锁相环输出的rf信号功率平均分为两路，一路信号进入定向耦合器输入端口，经直通输出端输出正弦信号激励传感器，传感器回波信号经定向耦合器耦合输出端与功率分配器一起进入信号接收模块的两个通道。
[0063]
adi公司推出的用于rf/if幅度和相位测量的首款单片集成电路ad8302，能同时测量从低频到2.7ghz频率范围内两输入信号之间的幅度比和相位差。ad8302由两个精密宽带对数放大器、一个相位检测器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器组成。ad8302通过精密匹配的2个宽带对数放大器来实现对2个输入通道信号的幅度和相位测量，其幅度和相位测量方程式如下所示。
[0064][0065]vphs
＝v
φ
[|φ(v
ina
)-φ(v
inb
)|]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0066]
式中：v
ina
为a通道的输人信号幅度，v
inb
为b通道的输人信号幅度，v
slp
为斜率，v
mag
为幅度比较输出，φ(v
ina
)为a通道的输入信号相位，φ(v
inb
)为b通道的输人信号相位，v
φ
为斜率，v
phs
为相位比较输出。
[0067]
综合考虑采样精度、采样频率、通道数量、供电以及价格等方面的因素，系统使用adi公司的12位40msps双通道模数转换器ad9231，芯片内部有两个adc，可将两路差分模拟信号转换为两路数字信号，可将幅值相位检测模块输出的两通道模拟电压信号转换为数字信号，通过串口发送到上位机进行数据处理。
[0068]
本实例提供的多功能上位机软件中包含参数设置模块、实时数据采集与处理模块、数据分析模块、数据库交互模块。多功能上位机软件基于labview程序开发环境。上位机软件功能流程图如图5所示。
[0069]
所述参数设置模块用于进行串口设置、数据库路径设置以及校准库录入；电路和上位机需进行串口通信，电路通过串口向电脑的上位机发送数据，上位机将采集的原始数据进行处理，需选择正确的串口进行数据传输。并在测试前录入标准的数据对软件进行校准。此外，还需设置存储数据的路径。
[0070]
所述实时数据采集与处理模块用于进行数据实时显示、谐振点自动捕捉以及数据系统误差校准；上位机通过将串口传输的数据在界面实时显示正弦波曲线。实时捕捉谐振点。其中，数据系统误差校准分为方向性误差-d，源匹配误差-ms，频率响应反射跟踪误差-tr。单端口误差模型如图6所示。γm为校准前反射系数。γa为校准后的反射系数。校准公式如下公式所示。
[0071]
开路器：
[0072]
短路器：
[0073]
匹配负载：γ
l
＝d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0074]
所述数据分析模块包括多参数解耦和数据拟合。权利要求2所述的多参数解耦算法写入多功能上位机软件，可以将实时数据采集与处理模块的数据实时进行解耦分析。其中，在多参数解耦算法中需对数据进行拟合处理分析，可在线实时显示数据拟合信息。
[0075]
所述数据库交互模块包括数据保存于读取。
[0076]
所述数据分析模块用于进行多参数解耦以及数据拟合；
[0077]
所述数据库交互模块用于进行数据保存与读取。
[0078]
所述第一基底1和所述第二基底2均为耐高温陶瓷基底或耐高温压电基底。使用了耐高温基底与谐振型器件，不仅显著提升了温度敏感单元5和压力敏感单元4的工作温度，实现了对高温环境中的构件进行实时健康监测，而且可以通过温度补偿防止高温对压力敏感单元4检测结果准确度的影响，同时具有结构简单、体积小、制造成本低等优点。
[0079]
所述第一基底1和所述第二基底2的材料均可以选用硅酸镓镧、铌酸锂等高温压电基底，ltcc、htcc等耐高温陶瓷基底。
[0080]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0081]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种多功能实时无线监测解调系统，其特征在于，包括：多参数共面集成谐振型传感器、射频信号采集/解调电路以及上位机；所述多参数共面集成谐振型传感器与所述射频信号采集/解调电路连接；所述射频信号采集/解调电路与所述上位机连接；所述多参数共面集成谐振型传感器包括：第一基底、第二基底、温度敏感单元与压力敏感单元；所述第一基底的下表面设置凹槽；所述第二基底的上表面与所述第一基底的下表面键合在一起，使所述凹槽处形成密闭的空腔；所述压力敏感单元设置在空腔的中心位置对应的所述第一基底的上表面处；所述温度敏感单元设置在第一基底的上表面，且与所述压力敏感单元相距设定距离；温度敏感单元与压力敏感单元连接；所述射频信号采集/解调电路用于采集/解调所述多参数共面集成谐振型传感器的回波信号；所述上位机用于根据采集/解调电路解调后的信息进行解耦分析与处理，得到检测结果。2.根据权利要求1所述的一种多功能实时无线监测解调系统，其特征在于，所述射频信号采集/解调电路包括：锁相环pll、低通滤波器、功率放大器、信号分离器以及射频增益相位检波电路；所述锁相环pll用于产生射频激励信号；所述激励信号经所述低通滤波器组滤波后由功率放大器进行信号放大处理；所述信号分离器件用于将激励信号一部分激励多参数共面集成谐振型传感器，另一部分与多参数共面集成谐振型传感器的回波信号一同传输至射频增益相位检波电路，进而得到增益信息。3.根据权利要求1所述的一种多功能实时无线监测解调系统，其特征在于，所述上位机包括：参数设置模块、实时数据采集与处理模块、数据分析模块以及数据库交互模块；所述参数设置模块用于进行串口设置、数据库路径设置以及校准库录入；所述实时数据采集与处理模块用于进行数据实时显示、谐振点自动捕捉以及数据系统误差校准；所述数据分析模块用于进行多参数解耦以及数据拟合；所述数据库交互模块用于进行数据保存与读取。4.根据权利要求1所述的一种多功能实时无线监测解调系统，其特征在于，所述第一基底和所述第二基底均为耐高温陶瓷基底或耐高温压电基底。5.根据权利要求1所述的一种多功能实时无线监测解调系统，其特征在于，所述第一基底和所述第二基底的材料为ltcc、htcc、lgs或铌酸锂。

技术总结
本发明公开一种多功能实时无线监测解调系统，该系统中多参数共面集成谐振型传感器与射频信号采集/解调电路连接；射频信号采集/解调电路与所述上位机连接；多参数共面集成谐振型传感器包括：第一基底、第二基底、温度敏感单元与压力敏感单元；第一基底的下表面设置凹槽；第二基底的上表面与第一基底的下表面键合在一起，使凹槽处形成密闭的空腔；压力敏感单元设置在空腔的中心位置对应的第一基底的上表面处；温度敏感单元设置在第一基底的上表面，且与压力敏感单元相距设定距离；温度敏感单元与压力敏感单元连接；本发明能够在高温高压、高旋、狭小等恶劣下进行实时监测。狭小等恶劣下进行实时监测。狭小等恶劣下进行实时监测。


技术研发人员：梁晓瑞 谭秋林 王浩 程文华
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2023.03.02
技术公布日：2023/7/11