一種溫度檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種溫度檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法
[技術(shù)領(lǐng)域]
[0001] 本發(fā)明涉及一種溫度檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法。
[【背景技術(shù)】]
[0002] 在工業(yè)、醫(yī)療、軍事和生活等許多地方，溫度都是一個(gè)重要的測(cè)量參數(shù)。溫度測(cè)量 使用的傳感器種類(lèi)繁多，根據(jù)其是否需要電源供給可分為有源溫度傳感器和無(wú)源溫度傳感 器，根據(jù)其是否需要線纜連接可分為有線溫度傳感器和無(wú)線溫度傳感器。有源溫度傳感器 及有線溫度傳感器需要傳感器與信號(hào)傳輸系統(tǒng)之間具有物理連接，使得其在如旋轉(zhuǎn)部件、 無(wú)損監(jiān)測(cè)、化學(xué)腐蝕、密封環(huán)境等特殊高溫場(chǎng)合中難以滿(mǎn)足要求，而無(wú)源無(wú)線溫度傳感器具 有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以合理避開(kāi)且能很好地解決這些問(wèn)題，所以目前無(wú)源無(wú)線溫度傳感器 得到了廣泛的研究和應(yīng)用。無(wú)源無(wú)線溫度傳感器基于LC諧振原理，采用溫度敏感并且變化 規(guī)律的材料制作傳感器，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，傳感器的電容隨之變化，形成溫度和電容之間 的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0003] 無(wú)源無(wú)線溫度傳感器的測(cè)量包括頻率激勵(lì)和頻率檢測(cè)兩個(gè)步驟。頻率激勵(lì)信號(hào)產(chǎn) 生方法包括基于VC0的掃頻信號(hào)發(fā)生器、單片集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、直接數(shù)字式頻率合成 器、環(huán)形振蕩器等?；赩C0的掃頻信號(hào)發(fā)生器受熱穩(wěn)定性及電源電壓穩(wěn)定性影響較大，較 難保證精度；單片集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和直接數(shù)字式頻率合成器通常采用專(zhuān)用芯片實(shí)現(xiàn)， 成本高；環(huán)形振蕩器線路簡(jiǎn)單起振容易，但是在設(shè)計(jì)完成后頻率固定不可調(diào)。
[0004] 無(wú)源無(wú)線溫度傳感器的頻率測(cè)量需實(shí)現(xiàn)PS級(jí)的時(shí)間測(cè)量。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器可實(shí) 現(xiàn)PS級(jí)時(shí)間到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器可采用專(zhuān)用TDC芯片如ACAM的TDC-GP22、TI 的TDC7200,也可采用FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。采用專(zhuān)用集成芯片測(cè)量精度高，應(yīng)用靈活多變，但其 成本較高，難以應(yīng)用于成本控制嚴(yán)格的場(chǎng)合；和專(zhuān)用TDC芯片相比，采用FPGA設(shè)計(jì)的TDC 同樣可達(dá)到一定的測(cè)量精度且測(cè)量范圍靈活多變，此外還具有低成本的優(yōu)點(diǎn)。FPGA設(shè)計(jì)的 TDC通常采用延遲線，延遲線分辨率取決于延遲線基本延遲單元的精確度，各延遲單元的延 遲時(shí)間隨供電電壓和溫度而變化，此外每個(gè)電路的一致性較難保證，其隨機(jī)誤差隨參與測(cè) 量的單元數(shù)量增加。
[
【發(fā)明內(nèi)容】
]
[0005] 本發(fā)明克服了上述技術(shù)的不足，提供了一種激勵(lì)信號(hào)頻率靈活性、諧振頻率查找 速度、諧振頻率檢測(cè)精度、結(jié)構(gòu)及成本都有明顯優(yōu)勢(shì)的無(wú)源無(wú)線溫度檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方 法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案：
[0007] -種溫度檢測(cè)系統(tǒng)，包括有相位時(shí)鐘發(fā)生器1，所述相位時(shí)鐘發(fā)生器1連接有TDC 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器2和時(shí)鐘相位處理器3,所述TDC時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器2連接有處理器4,所述 處理器4順次連接有編碼器5、延時(shí)器6、激勵(lì)信號(hào)處理器7,所述激勵(lì)信號(hào)處理器7無(wú)線連 接有振蕩傳感器8,所述振蕩傳感器8無(wú)線連接有感應(yīng)信號(hào)處理器9,所述感應(yīng)信號(hào)處理器9 分別與TDC時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器2和時(shí)鐘相位處理器3連接，所述時(shí)鐘相位處理器3與TDC時(shí) 間數(shù)字轉(zhuǎn)換器2連接。
[0008] 所述延時(shí)器6包括有多個(gè)設(shè)有延時(shí)單元選擇器的延時(shí)單元61、與非門(mén)62,所述前 一級(jí)延時(shí)單元61延時(shí)輸出端與后一級(jí)延時(shí)單元61輸入端連接，所述與非門(mén)62輸入端與末 級(jí)延時(shí)單元61輸出端連接，所述與非門(mén)62輸出端與首級(jí)延時(shí)單元61輸入端連接。
[0009] 所述TDC時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器2包括有TDC粗側(cè)計(jì)數(shù)器21和TDC細(xì)測(cè)計(jì)數(shù)器22,所述 TDC細(xì)測(cè)計(jì)數(shù)器22包括有差分延遲線結(jié)構(gòu)和與之連接的編碼邏輯器。
[0010] 所述振蕩傳感器8為阻尼振蕩傳感器。
[0011] -種溫度檢測(cè)方法，其步驟如下：
[0012] a、設(shè)定相位時(shí)鐘發(fā)生器1產(chǎn)生若干個(gè)頻率相同、相位不同的時(shí)鐘信號(hào)作為時(shí)鐘相 位處理的輸入信號(hào)，分別為clkO、clkl，其中clkO為0°相移，頻率為1/T0, clkl為180° 相移，頻率為1/T0,且clkO為粗計(jì)數(shù)時(shí)基信號(hào)，clkl為細(xì)計(jì)數(shù)信號(hào)，設(shè)定檢測(cè)通過(guò)感應(yīng)信號(hào) 處理器9接收到的一個(gè)感應(yīng)信號(hào)的振蕩時(shí)間為T(mén)x，Tx = ηΧΤ0+Τ1+Τ2-Τ3-Τ4,其中T0為時(shí) 基信號(hào)周期，T1為第一感應(yīng)信號(hào)上升沿到clkl第一個(gè)上升沿時(shí)鐘信號(hào)之間的時(shí)間，T2為 clkl第一個(gè)上升沿與clkO第一個(gè)上升沿之間的時(shí)間，T3為第一個(gè)感應(yīng)信號(hào)上升沿到clkl 上升沿之間的時(shí)間，T4為clkl上升沿與n+lclkO上升沿之間的時(shí)間；
[0013] b、處理器4向編碼器5發(fā)送啟動(dòng)數(shù)據(jù)，編碼器5通過(guò)延時(shí)器6輸出一個(gè)特定頻率 的初始激勵(lì)信號(hào)；
[0014] c、激勵(lì)信號(hào)通過(guò)激勵(lì)信號(hào)處理器7輻射到振蕩傳感器8中，并維持一定時(shí)間后停 止激勵(lì)；
[0015] d、延時(shí)一定時(shí)間后，時(shí)鐘相位處理器3檢測(cè)感應(yīng)信號(hào)處理器9是否接收到振蕩傳 感器8的感應(yīng)信號(hào)；
[0016] e、當(dāng)時(shí)鐘相位處理器3檢測(cè)感應(yīng)信號(hào)處理器9接收到感應(yīng)信號(hào)，即檢測(cè)到第一個(gè) 感應(yīng)信號(hào)的上升沿時(shí)，TDC細(xì)測(cè)計(jì)數(shù)器22開(kāi)始檢測(cè)T1，將第一個(gè)感應(yīng)信號(hào)上升沿后的第一 個(gè)clkl上升沿送入TDC細(xì)測(cè)計(jì)數(shù)器22中作為細(xì)測(cè)起始部分的結(jié)束信號(hào)，得出T1數(shù)值，同 時(shí)檢測(cè)感應(yīng)信號(hào)第一個(gè)上升沿后elk。的第一個(gè)上升沿信號(hào)，啟動(dòng)以elk。為粗計(jì)數(shù)時(shí)基信號(hào) 的TDC粗側(cè)計(jì)數(shù)器21開(kāi)始檢測(cè)T0,并且時(shí)鐘相位處理器3檢測(cè)是否到達(dá)第二感應(yīng)信號(hào)上升 沿，否則按頻率步進(jìn)制修正激勵(lì)信號(hào)，返回步驟b ;
[0017] f、當(dāng)時(shí)鐘相位處理器3檢測(cè)到第二個(gè)感應(yīng)信號(hào)的上升沿后，再檢測(cè)到clkO的上升 沿時(shí)，TDC粗側(cè)計(jì)數(shù)器21停止計(jì)數(shù)，得出ηΤΟ,同時(shí)當(dāng)時(shí)鐘相位處理器3檢測(cè)到第二個(gè)感應(yīng) 信號(hào)的上升沿時(shí)，TDC細(xì)測(cè)計(jì)數(shù)器22開(kāi)始檢測(cè)Τ3,將第二個(gè)感應(yīng)信號(hào)上升沿后的首個(gè)clkl 上升沿送入TDC細(xì)測(cè)計(jì)數(shù)器22中作為細(xì)測(cè)起始部分的結(jié)束信號(hào)，得出T3數(shù)值，否則返回步 驟f ;
[0018] g、處理器4通過(guò)公式 計(jì)算得到T2和T4,其中，式中c代表時(shí) 鐘相移90°倍數(shù)，σ代表等分象限的角度值，k代表起始信號(hào)上升沿到來(lái)時(shí)是否與時(shí)鐘相 位處理單元輸出的上升沿同步，同步則k = 0,否則k = 1，T0代表時(shí)基信號(hào)周期，得到頻率 f = 1/Τχ = 1/ηΤ0+Τ1+Τ2-Τ3-Τ4 ；
[0019] h、處理器4通過(guò)
計(jì)算出當(dāng)前電容值，由電容-溫度轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算出 當(dāng)前被測(cè)溫度，同時(shí)修正編碼器輸入使激勵(lì)信號(hào)以當(dāng)前檢測(cè)到的頻率產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，加快 下次檢測(cè)速度。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是：
[0021] 1、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，成本低廉，采用編碼控制的時(shí)鐘發(fā)生器可以靈活 的改變激勵(lì)信號(hào)頻率，可根據(jù)需要進(jìn)行頻率范圍的修訂。
[0022] 2、本發(fā)明的溫度檢測(cè)靈活性好：本發(fā)明采用編碼器和延時(shí)單元陣列構(gòu)成的時(shí)鐘發(fā) 生器，通過(guò)給予編碼器不同的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)不同頻率的激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生，在未檢測(cè)到信號(hào)時(shí)通過(guò) 頻率步進(jìn)設(shè)定值對(duì)激勵(lì)信號(hào)頻率修正，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)采用該檢測(cè)信號(hào)頻率作為激勵(lì)信號(hào) 頻率，結(jié)合頻率步進(jìn)進(jìn)行頻率微調(diào)，提高后續(xù)檢測(cè)速度，采用該結(jié)構(gòu)的時(shí)鐘發(fā)生器移植和修 改方便，可實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用場(chǎng)合下的頻率范圍的信號(hào)產(chǎn)生。
[0023] 3、本發(fā)明的溫度測(cè)量精度高：TDC分辨率取決于延遲線基本延遲單元的精確度， 各延遲單元的延遲時(shí)間隨供電電壓和溫度而變化，此外每個(gè)電路的一致性較難保證，導(dǎo)致 其隨機(jī)誤差隨參與測(cè)量的單元數(shù)量增加。本發(fā)明通過(guò)相移時(shí)鐘將細(xì)測(cè)部分的時(shí)間計(jì)數(shù)縮短 至原有差分延遲線結(jié)構(gòu)的二分之一，使差分延遲線內(nèi)部元件數(shù)量減少至原來(lái)的二分之一， 減少了延遲線測(cè)量部分的單元數(shù)量，同時(shí)采用頻率延時(shí)測(cè)量法測(cè)量一定數(shù)量的時(shí)鐘信號(hào)， 減小單周期信號(hào)的測(cè)量誤差，提高了頻率測(cè)量精度，即提高了溫度的測(cè)量精度。
[【附圖說(shuō)明】]
[0024] 圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明延時(shí)器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明時(shí)間測(cè)量原理圖。
[【具體實(shí)施方式】]
[0027] 下面結(jié)合附圖與本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：
[0028] 如圖1所示，一種溫度檢測(cè)系統(tǒng)，包括有相位時(shí)鐘發(fā)生器1，所述相位時(shí)鐘發(fā)生器1 連接有TDC時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器2和時(shí)鐘相位處理器3,所述TDC時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器2連接有處 理器4,所述處理器4順次連接有編碼器5、延時(shí)器6、激勵(lì)信號(hào)處理器7,所述激勵(lì)信號(hào)處理 器7無(wú)線連接有振蕩傳感器8,所述振蕩傳感器8無(wú)線連接有感應(yīng)信號(hào)處理器9,所述感應(yīng) 信號(hào)處理器9分別與TDC時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器2和時(shí)鐘相位處理器3連接，所述時(shí)鐘相位處理 器3與TDC時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器2連接。
[0029] 所述延時(shí)器6包括有多個(gè)設(shè)有延時(shí)單元選擇器的延時(shí)單元61、與非門(mén)62,所述前 一級(jí)延時(shí)單元61延時(shí)輸出端與后一級(jí)延時(shí)單元61輸入端連接，所述與非門(mén)62輸入端與末 級(jí)延時(shí)單元61輸出端連接，所