一種溫度檢測系統(tǒng)及其檢測方法
【專利說明】一種溫度檢測系統(tǒng)及其檢測方法
[技術(shù)領(lǐng)域]
[0001] 本發(fā)明涉及一種溫度檢測系統(tǒng)及其檢測方法。
[【背景技術(shù)】]
[0002] 在工業(yè)、醫(yī)療、軍事和生活等許多地方，溫度都是一個重要的測量參數(shù)。溫度測量 使用的傳感器種類繁多，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傳輸系統(tǒng)之間具有物理連接，使得其在如旋轉(zhuǎn)部件、 無損監(jiān)測、化學腐蝕、密封環(huán)境等特殊高溫場合中難以滿足要求，而無源無線溫度傳感器具 有其獨特的優(yōu)勢，可以合理避開且能很好地解決這些問題，所以目前無源無線溫度傳感器 得到了廣泛的研究和應(yīng)用。無源無線溫度傳感器基于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，當溫度發(fā)生變化時，傳感器的電容隨之變化，形成溫度和電容之間 的對應(yīng)關(guān)系。
[0003] 無源無線溫度傳感器的測量包括頻率激勵和頻率檢測兩個步驟。頻率激勵信號產(chǎn) 生方法包括基于VC0的掃頻信號發(fā)生器、單片集成函數(shù)信號發(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)信號發(fā)生器和直接數(shù)字式頻率合成器通常采用專用芯片實現(xiàn)， 成本高；環(huán)形振蕩器線路簡單起振容易，但是在設(shè)計完成后頻率固定不可調(diào)。
[0004] 無源無線溫度傳感器的頻率測量需實現(xiàn)PS級的時間測量。時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器可實 現(xiàn)PS級時間到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器可采用專用TDC芯片如ACAM的TDC-GP22、TI 的TDC7200,也可采用FPGA設(shè)計實現(xiàn)。采用專用集成芯片測量精度高，應(yīng)用靈活多變，但其 成本較高，難以應(yīng)用于成本控制嚴格的場合；和專用TDC芯片相比，采用FPGA設(shè)計的TDC 同樣可達到一定的測量精度且測量范圍靈活多變，此外還具有低成本的優(yōu)點。FPGA設(shè)計的 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 遲時間隨供電電壓和溫度而變化，此外每個電路的一致性較難保證，其隨機誤差隨參與測 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，提供了一種激勵信號頻率靈活性、諧振頻率查找 速度、諧振頻率檢測精度、結(jié)構(gòu)及成本都有明顯優(yōu)勢的無源無線溫度檢測系統(tǒng)及其檢測方 法。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案：
[0007] -種溫度檢測系統(tǒng)，包括有相位時鐘發(fā)生器1，所述相位時鐘發(fā)生器1連接有TDC 時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器2和時鐘相位處理器3,所述TDC時間數(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、延時器6、激勵信號處理器7,所述激勵信號處理器7無線連 接有振蕩傳感器8,所述振蕩傳感器8無線連接有感應(yīng)信號處理器9,所述感應(yīng)信號處理器9 分別與TDC時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器2和時鐘相位處理器3連接，所述時鐘相位處理器3與TDC時 間數(shù)字轉(zhuǎn)換器2連接。
[0008] 所述延時器6包括有多個設(shè)有延時單元選擇器的延時單元61、與非門62,所述前 一級延時單元61延時輸出端與后一級延時單元61輸入端連接，所述與非門62輸入端與末 級延時單元61輸出端連接，所述與非門62輸出端與首級延時單元61輸入端連接。
[0009] 所述TDC時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器2包括有TDC粗側(cè)計數(shù)器21和TDC細測計數(shù)器22,所述 TDC細測計數(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] -種溫度檢測方法，其步驟如下：
[0012] a、設(shè)定相位時鐘發(fā)生器1產(chǎn)生若干個頻率相同、相位不同的時鐘信號作為時鐘相 位處理的輸入信號，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為粗計數(shù)時基信號，clkl為細計數(shù)信號，設(shè)定檢測通過感應(yīng)信號 處理器9接收到的一個感應(yīng)信號的振蕩時間為Tx，Tx = ηΧΤ0+Τ1+Τ2-Τ3-Τ4,其中T0為時 基信號周期，T1為第一感應(yīng)信號上升沿到clkl第一個上升沿時鐘信號之間的時間，T2為 clkl第一個上升沿與clkO第一個上升沿之間的時間，T3為第一個感應(yīng)信號上升沿到clkl 上升沿之間的時間，T4為clkl上升沿與n+lclkO上升沿之間的時間；
[0013] b、處理器4向編碼器5發(fā)送啟動數(shù)據(jù)，編碼器5通過延時器6輸出一個特定頻率 的初始激勵信號；
[0014] c、激勵信號通過激勵信號處理器7輻射到振蕩傳感器8中，并維持一定時間后停 止激勵；
[0015] d、延時一定時間后，時鐘相位處理器3檢測感應(yīng)信號處理器9是否接收到振蕩傳 感器8的感應(yīng)信號；
[0016] e、當時鐘相位處理器3檢測感應(yīng)信號處理器9接收到感應(yīng)信號，即檢測到第一個 感應(yīng)信號的上升沿時，TDC細測計數(shù)器22開始檢測T1，將第一個感應(yīng)信號上升沿后的第一 個clkl上升沿送入TDC細測計數(shù)器22中作為細測起始部分的結(jié)束信號，得出T1數(shù)值，同 時檢測感應(yīng)信號第一個上升沿后elk。的第一個上升沿信號，啟動以elk。為粗計數(shù)時基信號 的TDC粗側(cè)計數(shù)器21開始檢測T0,并且時鐘相位處理器3檢測是否到達第二感應(yīng)信號上升 沿，否則按頻率步進制修正激勵信號，返回步驟b ;
[0017] f、當時鐘相位處理器3檢測到第二個感應(yīng)信號的上升沿后，再檢測到clkO的上升 沿時，TDC粗側(cè)計數(shù)器21停止計數(shù)，得出ηΤΟ,同時當時鐘相位處理器3檢測到第二個感應(yīng) 信號的上升沿時，TDC細測計數(shù)器22開始檢測Τ3,將第二個感應(yīng)信號上升沿后的首個clkl 上升沿送入TDC細測計數(shù)器22中作為細測起始部分的結(jié)束信號，得出T3數(shù)值，否則返回步 驟f ;
[0018] g、處理器4通過公式 計算得到T2和T4,其中，式中c代表時 鐘相移90°倍數(shù)，σ代表等分象限的角度值，k代表起始信號上升沿到來時是否與時鐘相 位處理單元輸出的上升沿同步，同步則k = 0,否則k = 1，T0代表時基信號周期，得到頻率 f = 1/Τχ = 1/ηΤ0+Τ1+Τ2-Τ3-Τ4 ；
[0019] h、處理器4通過
計算出當前電容值，由電容-溫度轉(zhuǎn)換關(guān)系計算出 當前被測溫度，同時修正編碼器輸入使激勵信號以當前檢測到的頻率產(chǎn)生激勵信號，加快 下次檢測速度。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是：
[0021] 1、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)，成本低廉，采用編碼控制的時鐘發(fā)生器可以靈活 的改變激勵信號頻率，可根據(jù)需要進行頻率范圍的修訂。
[0022] 2、本發(fā)明的溫度檢測靈活性好：本發(fā)明采用編碼器和延時單元陣列構(gòu)成的時鐘發(fā) 生器，通過給予編碼器不同的數(shù)據(jù)實現(xiàn)不同頻率的激勵信號產(chǎn)生，在未檢測到信號時通過 頻率步進設(shè)定值對激勵信號頻率修正，當檢測到信號時采用該檢測信號頻率作為激勵信號 頻率，結(jié)合頻率步進進行頻率微調(diào)，提高后續(xù)檢測速度，采用該結(jié)構(gòu)的時鐘發(fā)生器移植和修 改方便，可實現(xiàn)具體應(yīng)用場合下的頻率范圍的信號產(chǎn)生。
[0023] 3、本發(fā)明的溫度測量精度高：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間隨供電電壓和溫度而變化，此外每個電路的一致性較難保證，導致 其隨機誤差隨參與測量的單元數(shù)量增加。本發(fā)明通過相移時鐘將細測部分的時間計數(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)量減少至原來的二分之一， 減少了延遲線測量部分的單元數(shù)量，同時采用頻率延時測量法測量一定數(shù)量的時鐘信號， 減小單周期信號的測量誤差，提高了頻率測量精度，即提高了溫度的測量精度。
[【附圖說明】]
[0024] 圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明延時器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明時間測量原理圖。
[【具體實施方式】]
[0027] 下面結(jié)合附圖與本發(fā)明的實施方式作進一步詳細的描述：
[0028] 如圖1所示，一種溫度檢測系統(tǒng)，包括有相位時鐘發(fā)生器1，所述相位時鐘發(fā)生器1 連接有TDC時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器2和時鐘相位處理器3,所述TDC時間數(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、延時器6、激勵信號處理器7,所述激勵信號處理 器7無線連接有振蕩傳感器8,所述振蕩傳感器8無線連接有感應(yīng)信號處理器9,所述感應(yīng) 信號處理器9分別與TDC時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器2和時鐘相位處理器3連接，所述時鐘相位處理 器3與TDC時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器2連接。
[0029] 所述延時器6包括有多個設(shè)有延時單元選擇器的延時單元61、與非門62,所述前 一級延時單元61延時輸出端與后一級延時單元61輸入端連接，所述與非門62輸入端與末 級延時單元61輸出端連接，所