一种用于图书档案库的小波加权式声表面波温度传感器的关键问题研究

张静端

(东华大学图书馆,上海 201620)



一种用于图书档案库的小波加权式声表面波温度传感器的关键问题研究

张静端

(东华大学图书馆,上海 201620)

本文提出把声表面波温度传感器用于图书档案库的温度控制系统中.当图书档案库中温度变化时,该温度传感器的输出频率与温度成线性关系,从而达到测量温度的目的.同时还提出将输入换能器变迹加权函数、换能器的指条数对声表面波功率的影响作为两个关键问题进行了研究,并且解决了这两个关键问题.在声表面波温度传感器的研究中,用小波函数对输入换能器进行变迹加权,导致于抑制了该温度传感器频率特性曲线的旁瓣.换能器的指条数越多,产生的体声波越弱(即换能器的指条数越多,产生的声表面波越强).只要换能器的指条数大于40条时,产生的体声波可以忽略,而产生的声表面波是很强的.并且对该温度传感器的设计、制作及实验进行了详细研究.

图书档案库;声表面波温度传感器;旁瓣;换能器的指条数

1　引言

图书档案库对温度、湿度要进行控制和调节.当温度和湿度状况适应于图书和档案保护条件时,能够延长图书和档案的寿命.在图书和档案保护技术的实际工作中,对温度和湿度的调控要引起高度的注意,以科学的态度和方法去认识、解决这个问题[1～6].

因为图书及档案只要在一定的温度和湿度下才能很好的保存,所以图书档案库的温度一般都是在14～240C,相对湿度应控制在45～60% 之间[1，2].

本文重点研究用于图书档案库的温度传感器.由于图书档案库储藏功能的具体特性,所以对温度传感器提出了严格的要求如下:(1)要求温度传感器具有高可靠性和高稳定性;(2)要求温度传感器具有高灵敏度;(3)要求温度传感器响应时间快[7～19].

温度传感器种类繁多,常用的有热电偶、热电阻(金属热电阻和半导体热电阻)、集成温度传感器等.

热电偶是用两种不同金属材料制成的.两种不同金属材料两端接合成回路,当接合点的温度变化时,在回路中产生微小的热电势,利用这个热电势达到测量温度的目的.它有一个直接测量温度端叫热端,另一端叫冷端(也叫补偿端),并且冷端需要温度补偿电路,因而热电偶测量温度的电路相对比较复杂,成本比较高.一般测量温度范围为-50～1600℃.

热电阻包括金属热电阻和半导体热电阻.金属热电阻通常有铂电阻和铜电阻.铂电阻的阻值与温度之间接近线性关系,常用的型号有Pt10、Pt100、 Pt1000,其中Pt100铂电阻的测量温度范围为-200～850℃,并且铂电阻是低温区最常用的一种温度传感器,其测量精度高,性能稳定.在温度精度要求不高情况下,可采用铜电阻.在-50～150℃的温度范围内,铜电阻的阻值与温度之间成线性关系,常用的型号有Cu50和 Cu100.半导体热电阻有严重的非线性,互换性比较差,测量温度范围为-50～300℃.

传统的温度传感器,如热电偶、热电阻(金属热电阻和半导体热电阻)存在三个缺点:(1)在一些温度范围内线性度差;(2)热惯性大;(3)响应时间慢.

集成温度传感器与传统的温度传感器相比,具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点.常用的集成温度传感器有LM135、LM235、LM335、LM3991、LM45,AD22103(电压输出型),AD590(电流输出型)等.这些常用的集成温度传感器输出信号都是模拟信号,所以容易受到干扰信号的影响.另外,也有数字信号输出集成温度传感器,如DS18B20,该集成温度传感器具有良好的抗干扰信号性能.

声表面波温度传感器具有八个优良特性:(1)由于材料温度特性稳定,所以该温度传感器具有高可靠性和高稳定性;(2)一致性和重复性好,易于加工;(3)温度灵敏度高;(4)由于热容量和热导率高,所以响应时间快:(5)良好的线性度;(6)抗干扰信号性能强;(7)由于该传感器的输出频率高,所以容易制作成无线温度传感器;(8)成本低.

图书档案库的温度控制系统要求温度传感器具有高可靠性、高稳定性、高灵敏度及响应速度快外,还希望选用无线温度传感器.通过对各种温度传感器的研究和分析,声表面波温度传感器能够满足图书档案库温度测量的要求.

声表面波温度传感器现在仍是个较新的课题,它目前需要解决下列四个关键问题:(1)寻找温度系数较大的新的压电晶体材料;(2)设想对压电晶体表面进行适当的掺杂或镀上能够改变声表面波温度系数的绝缘膜;(3)输入换能器的变迹加权;(4)抑制体声波.如果解决了这四个关键问题,声表面波温度温度传感器的研制与开发会有新的突破.

本文重点研究一种用于图书档案库的声表面波式小波加权的温度传感器.当图书档案库中温度变化时,该温度传感器的输出频率与温度成线关系,从而达到了测量温度的目的.本文提出了将输入换能器变迹加权、输入输出换能器的指条数对声表面波功率的影响(即抑制体声波)作为两个关键问题进行了研究.将小波函数用于输入换能器变迹加权中,抑制了该温度传感器频率特性曲线的旁瓣.当输入输出换能器产生的声表面波功率与总功率比大(即它们产生体声波功率与总功率比小)时,输入输出换能器具有良好的频率特性.最后对该温度传感器的设计、制作及实验进行了详细研究.

2　工作原理

图1是声表面波温度传感器的工作原理图.在图1中,输入换能器与输出换能器及放大器构成了一个振荡器,其振荡器的振荡频率.

(1)

式中,ν是声表面波的传播速度,λ是叉指换能器的指条周期,λ=2(a+b),a是指条宽度,b是指间.

当声表面波温度传感器的压电基片表面温度发生变化时,引起声表面波的传播速度v和指条周期λ(即指条宽度a 和指间 b)变化,导致于该温度传感器的振荡频率(即输出频率)发生变化,即.

(2)

(3)

从公式(3)中知道,当被测量温度T发生变化时,引起声表面波温度传感器的振荡频率f1发生变化,从而达到测量温度T的目的.由于声表面波温度传感器的输出频率f1高,所以容易制作成无线温度传感器,如图1所示.

3　声表面波温度传感器的关键问题及其解决方法

输入换能器变迹加权、输入输出换能器的指条数对声表面波功率的影响作为声表面波温度传感器的两个关键问题.在下面对这两个关键问题提出了解决的方法.

3.1输入换能器的变迹加权及其解决方法

输入换能器变迹加权是关键问题.输入换能器变迹加权可以采用小波函数、余弦平方函数及其它函数.小波函数对输入换能器频率特性曲线的旁瓣抑制最佳[9～19].因此,在本文采用小波函数对输入换能器进行了变迹加权.

输入换能器指条重叠包络按照小波函数的包络函数进行变迹加权设计.尺度为2-1的Morlet小波函数[10～12].

(4)

输入换能器的指条长度.

(5)

式中,n是从1到100的整数,k是常数,k=1131.371.

在图1中所示的输入换能器的指条重叠包络按式(5)所示的函数进行设计.输入换能器的指条长度计算如下所示.

在图2(a)中,当声表面波的传播时间t=0,n=1时,将t=0,n=1代入式(5)中得到输入换能器的指条1的长度.

在图2(a)中,当声表面波的传播时间t=t1时,声表面波的传播时间.

(6)

式中,a是输入换能器的指条宽度,b是输入换能器的指间宽度,v是声表面波的传播速度.

从表1知道指条宽度a=14.143μm,指间宽度b=14.143μm,1280Y=XLiNbO3压电基片的声表面波传播速度v=3960μm/μs.

将a=b=14.143μm,v=3960μm/μs代入式(6)中得到：

将t1=0.007142929293μs,n=2代入式(5)中得到输入换能器的指条2和2′的长度.

L2=L2′=1600e-2·(0.007142929293)2=1599.84μm

将t=2t1=2×0.007142929293=0.014285858μs,n=3代入式(5)中得到输入换能器的指条3和3′的长度

同理,在图2(a)中,分别将3t1,n=4;4t1,n=5;…;99t1,n=100代入式 (5) 中,得到表2所示的输入换能器的指条长度.根据表1和表2的参数能够设计出输入换能的指条,如图2(a)所示.从图2(a)能够设计出输入换能器,如图2(b)所示.

表1　输入换能器和输出换能器的设计参数

表2　输入换能器的指条长度(μm)

3.2输入输出换能器的指条数对声表面波功率的影响及其解决方法

当输入输出换能器产生声表面波功率与总功率比大(即它们产生体声波功率与总功率比小)时,输入输出换能器具有良好的频率特性.

体声波能够产生带内波纹,引起幅值和相位的畸变,也能增加插入损耗.体声波与换能器的指条数有关.换能器的指条数越多,产生的体声波越弱(即换能器的指条数越多,产生的声表面波越强).在表3中,只要换能器的指条数大于40条时,产生的体声波可以忽略.

表3　换能器的指条数与功率关系

输出换能器是指条相等重叠、均匀周期的叉指换能器.它把声表面波信号变为电信号,并且它指条数比输入换能器指条数少,所以它的带宽比输入换能器的带宽大得多,导致于声表面波温度传感器的带宽由输入换能器的带宽决定.

在表1中,输入换能器的指条数是199条,输出换能器的指条数是48条,所以输入输出换能器产生的体声波可以忽略,而产生的声表面波是很强的,导致于输入输出换能器具有良好的频率特性曲线,如图5所示.

4　传感器的制作及实验

在1280Y-XLiNbO3压电基片上,制造出了声表面波温度传感器,如图3所示.表4是图3所示声表面波温度传感器的实际测量数据.根据表4数据和最小二乘法,建立温度T与声表面波温度传感器的输出频率f1之间的函数关系,即,

f1=69.976719-5.322857×10-5T

(7)

在图4中,f1的曲线是式(7)所示的函数曲线,实验点是表4所示的实际测量数据,f1的曲线和实验数据之间的相对线性度误差.

(8)

从图5所示输入输出换能器的频率特性曲线知道:小波函数对输入换能器的加权能够有效抑制频率特性曲线的旁瓣.

将T=0℃,T=100℃分别代入式(7)中得到f1(0℃)和f1(100℃)的值,从而可求出声表面波温度传感器的满度值.

f1FS=f1(0℃)-f1(100℃

=(69.976719-5.322857×10-5×0)

-(69.976719-5.322857×10-5×100)

=0.005322857(MHZ)

(9)

从图4、表4和式(7)知道

|Δf1max|=|69.973637-(69.976719

-5.322857×10-5×60)|

=0.0001117142(MHZ)

(10)

将式(9)和式(10)代入式(8)中得到该温度传感器的相对线性误差.

(11)

从式(11)知道该温度传感器的相对线性度误差是2.1%.

实验结果表明:(1)从表4和图4知道被测的温度 T(℃)与声表面波温度传感器输出频率成线性关系,从而达到测量温度的目的;(2)从图5所示输入输出换能器的频率特性曲线知道小波函数对输入换能器的加权能够有效抑制频率特性曲线的旁瓣;(3)由于铌酸锂晶体具有很高的居里温度( 1200℃ ),在很大的温度范围内有稳定的物理和化学性能,所以铌酸锂制作的温度传感器可以在更宽温度范围及更高温度(1000℃左右)中使用.图书档案库的温度一般都是在14～24℃,所以在本文中,用铌酸锂制作的温度传感器只作了0～100℃实验.从实验结果知道声表面波温度传感器能够用于图书档案馆库温度控制系统中.

5　结论

本文用声表面波器件制作出了温度传感器,把声表面波温度传感器用于图书档案库的温度控制系统中.提出了将输入换能器变迹加权函数、换能器的指条数对声表面波功率的影响作为两个关键问题进行了研究,并且解决了这两个关键问题.最后对该温度传感器的设计、制作及实验进行了详细研究.从而得到了六个结论:(1)在声表面波温度传感器的研究中,用小波函数对输入换能器进行变迹加权,导致于抑制了该温度传感器频率特性曲线的旁瓣;(2)换能器的指条数越多,产生的体声波越弱(即换能器的指条数越多,产生的声表面波越强).只要换能器的指条数大于40条时,产生的体声波可以忽略,而产生的声表面波是很强的;(3)该温度传感器具有声表面波器件的优良特性,即可靠性高、生产的重复性高,良好的稳定性及响应时间快;(4)该温度传感器具有灵敏度高、线性度好及抗干扰性能强等特性;(5)由于该温度传感器的输出频率高,所以容易制作成无线温度传感器;(6)该温度传感器适应用于图书档案馆库及其它类似的场所使用.

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张静端女,1963生于陕西西安,本科,工程师,研究方向为传感器技术及图书馆管理系统.

E-mail:zhangjingduna2@163.com

Study of a Wavelet weighting Surface Acoustic Wave Temperature Sensor Applied in Library and Archives

ZHANG Jiang-duan

(DonghuaUniversityLibrary,Shanghai201620,China)

We propose to apply the surface acoustic wave (SAW) temperature sensor in the temperature control system of library and archive.When the temperature of library and archive changes,the output frequency of the SAW temperature sensor is linear with the temperature,thus the temperature can be measured.We also present the trace weighted function of the input transducer,and the influence of transducer electrode-numbers on the SAW power as two key problems of the SAW temperature sensor.The solutions to these problems are achieved in this study.The wavelet function is used as the trace weighted function of the input transducer,so that the sidelobes for the frequency characteristic curve of the SAW temperature sensor are suppressed.The more the transducer electrode number are,the weaker the bulk acoustic wave (BAW) is (i.e.,the more the transducer electrode-numbers are,the stronger the SAW is).As long as transducer electrode numbers are more than 40,the excited bulk acoustic wave (BAW) can be ignored,but the excited SAW is very strong.The design,fabrication and experiment for the SAW temperature sensor have been studied in detail.

library and archive;surface acoustic wave (SAW) temperature sensor;sidelobes;transducer electrode numbers

2015-10-22;

2015-12-11：责任编辑：马兰英

国家自然科学基金(No.61274078);教育部博士点基金(No.20120075110006);上海市教育委员会科研创新项目(No.13ZZ049)

TN011.4

A

0372-2112 (2016)05-1162-06

电子学报URL:http://www.ejournal.org.cn10.3969/j.issn.0372-2112.2016.05.021