一种温度检测系统及其检测方法
【专利说明】一种温度检测系统及其检测方法
[技术领域]
[0001] 本发明涉及一种温度检测系统及其检测方法。
[【背景技术】]
[0002] 在工业、医疗、军事和生活等许多地方，温度都是一个重要的测量参数。温度测量 使用的传感器种类繁多，根据其是否需要电源供给可分为有源温度传感器和无源温度传感 器，根据其是否需要线缆连接可分为有线温度传感器和无线温度传感器。有源温度传感器 及有线温度传感器需要传感器与信号传输系统之间具有物理连接，使得其在如旋转部件、 无损监测、化学腐蚀、密封环境等特殊高温场合中难以满足要求，而无源无线温度传感器具 有其独特的优势，可以合理避开且能很好地解决这些问题，所以目前无源无线温度传感器 得到了广泛的研究和应用。无源无线温度传感器基于LC谐振原理，采用温度敏感并且变化 规律的材料制作传感器，当温度发生变化时，传感器的电容随之变化，形成温度和电容之间 的对应关系。
[0003] 无源无线温度传感器的测量包括频率激励和频率检测两个步骤。频率激励信号产 生方法包括基于VC0的扫频信号发生器、单片集成函数信号发生器、直接数字式频率合成 器、环形振荡器等。基于VC0的扫频信号发生器受热稳定性及电源电压稳定性影响较大，较 难保证精度；单片集成函数信号发生器和直接数字式频率合成器通常采用专用芯片实现， 成本高；环形振荡器线路简单起振容易，但是在设计完成后频率固定不可调。
[0004] 无源无线温度传感器的频率测量需实现PS级的时间测量。时间数字转换器可实 现PS级时间到数字的转换，时间数字转换器可采用专用TDC芯片如ACAM的TDC-GP22、TI 的TDC7200,也可采用FPGA设计实现。采用专用集成芯片测量精度高，应用灵活多变，但其 成本较高，难以应用于成本控制严格的场合；和专用TDC芯片相比，采用FPGA设计的TDC 同样可达到一定的测量精度且测量范围灵活多变，此外还具有低成本的优点。FPGA设计的 TDC通常采用延迟线，延迟线分辨率取决于延迟线基本延迟单元的精确度，各延迟单元的延 迟时间随供电电压和温度而变化，此外每个电路的一致性较难保证，其随机误差随参与测 量的单元数量增加。
[
【发明内容】
]
[0005] 本发明克服了上述技术的不足，提供了一种激励信号频率灵活性、谐振频率查找 速度、谐振频率检测精度、结构及成本都有明显优势的无源无线温度检测系统及其检测方 法。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：
[0007] -种温度检测系统，包括有相位时钟发生器1，所述相位时钟发生器1连接有TDC 时间数字转换器2和时钟相位处理器3,所述TDC时间数字转换器2连接有处理器4,所述 处理器4顺次连接有编码器5、延时器6、激励信号处理器7,所述激励信号处理器7无线连 接有振荡传感器8,所述振荡传感器8无线连接有感应信号处理器9,所述感应信号处理器9 分别与TDC时间数字转换器2和时钟相位处理器3连接，所述时钟相位处理器3与TDC时 间数字转换器2连接。
[0008] 所述延时器6包括有多个设有延时单元选择器的延时单元61、与非门62,所述前 一级延时单元61延时输出端与后一级延时单元61输入端连接，所述与非门62输入端与末 级延时单元61输出端连接，所述与非门62输出端与首级延时单元61输入端连接。
[0009] 所述TDC时间数字转换器2包括有TDC粗侧计数器21和TDC细测计数器22,所述 TDC细测计数器22包括有差分延迟线结构和与之连接的编码逻辑器。
[0010] 所述振荡传感器8为阻尼振荡传感器。
[0011] -种温度检测方法，其步骤如下：
[0012] a、设定相位时钟发生器1产生若干个频率相同、相位不同的时钟信号作为时钟相 位处理的输入信号，分别为clkO、clkl，其中clkO为0°相移，频率为1/T0, clkl为180° 相移，频率为1/T0,且clkO为粗计数时基信号，clkl为细计数信号，设定检测通过感应信号 处理器9接收到的一个感应信号的振荡时间为Tx，Tx = ηΧΤ0+Τ1+Τ2-Τ3-Τ4,其中T0为时 基信号周期，T1为第一感应信号上升沿到clkl第一个上升沿时钟信号之间的时间，T2为 clkl第一个上升沿与clkO第一个上升沿之间的时间，T3为第一个感应信号上升沿到clkl 上升沿之间的时间，T4为clkl上升沿与n+lclkO上升沿之间的时间；
[0013] b、处理器4向编码器5发送启动数据，编码器5通过延时器6输出一个特定频率 的初始激励信号；
[0014] c、激励信号通过激励信号处理器7辐射到振荡传感器8中，并维持一定时间后停 止激励；
[0015] d、延时一定时间后，时钟相位处理器3检测感应信号处理器9是否接收到振荡传 感器8的感应信号；
[0016] e、当时钟相位处理器3检测感应信号处理器9接收到感应信号，即检测到第一个 感应信号的上升沿时，TDC细测计数器22开始检测T1，将第一个感应信号上升沿后的第一 个clkl上升沿送入TDC细测计数器22中作为细测起始部分的结束信号，得出T1数值，同 时检测感应信号第一个上升沿后elk。的第一个上升沿信号，启动以elk。为粗计数时基信号 的TDC粗侧计数器21开始检测T0,并且时钟相位处理器3检测是否到达第二感应信号上升 沿，否则按频率步进制修正激励信号，返回步骤b ;
[0017] f、当时钟相位处理器3检测到第二个感应信号的上升沿后，再检测到clkO的上升 沿时，TDC粗侧计数器21停止计数，得出ηΤΟ,同时当时钟相位处理器3检测到第二个感应 信号的上升沿时，TDC细测计数器22开始检测Τ3,将第二个感应信号上升沿后的首个clkl 上升沿送入TDC细测计数器22中作为细测起始部分的结束信号，得出T3数值，否则返回步 骤f ;
[0018] g、处理器4通过公式 计算得到T2和T4,其中，式中c代表时 钟相移90°倍数，σ代表等分象限的角度值，k代表起始信号上升沿到来时是否与时钟相 位处理单元输出的上升沿同步，同步则k = 0,否则k = 1，T0代表时基信号周期，得到频率 f = 1/Τχ = 1/ηΤ0+Τ1+Τ2-Τ3-Τ4 ；
[0019] h、处理器4通过
计算出当前电容值，由电容-温度转换关系计算出 当前被测温度，同时修正编码器输入使激励信号以当前检测到的频率产生激励信号，加快 下次检测速度。
[0020] 本发明的有益效果是：
[0021] 1、本发明的结构简单易于实现，成本低廉，采用编码控制的时钟发生器可以灵活 的改变激励信号频率，可根据需要进行频率范围的修订。
[0022] 2、本发明的温度检测灵活性好：本发明采用编码器和延时单元阵列构成的时钟发 生器，通过给予编码器不同的数据实现不同频率的激励信号产生，在未检测到信号时通过 频率步进设定值对激励信号频率修正，当检测到信号时采用该检测信号频率作为激励信号 频率，结合频率步进进行频率微调，提高后续检测速度，采用该结构的时钟发生器移植和修 改方便，可实现具体应用场合下的频率范围的信号产生。
[0023] 3、本发明的温度测量精度高：TDC分辨率取决于延迟线基本延迟单元的精确度， 各延迟单元的延迟时间随供电电压和温度而变化，此外每个电路的一致性较难保证，导致 其随机误差随参与测量的单元数量增加。本发明通过相移时钟将细测部分的时间计数缩短 至原有差分延迟线结构的二分之一，使差分延迟线内部元件数量减少至原来的二分之一， 减少了延迟线测量部分的单元数量，同时采用频率延时测量法测量一定数量的时钟信号， 减小单周期信号的测量误差，提高了频率测量精度，即提高了温度的测量精度。
[【附图说明】]
[0024] 图1为本发明结构示意图；
[0025] 图2为本发明延时器结构示意图；
[0026] 图3为本发明时间测量原理图。
[【具体实施方式】]
[0027] 下面结合附图与本发明的实施方式作进一步详细的描述：
[0028] 如图1所示，一种温度检测系统，包括有相位时钟发生器1，所述相位时钟发生器1 连接有TDC时间数字转换器2和时钟相位处理器3,所述TDC时间数字转换器2连接有处 理器4,所述处理器4顺次连接有编码器5、延时器6、激励信号处理器7,所述激励信号处理 器7无线连接有振荡传感器8,所述振荡传感器8无线连接有感应信号处理器9,所述感应 信号处理器9分别与TDC时间数字转换器2和时钟相位处理器3连接，所述时钟相位处理 器3与TDC时间数字转换器2连接。
[0029] 所述延时器6包括有多个设有延时单元选择器的延时单元61、与非门62,所述前 一级延时单元61延时输出端与后一级延时单元61输入端连接，所述与非门62输入端与末 级延时单元61输出端连接，所