張靜端

(東華大學(xué)圖書館,上海 201620)

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一種用于圖書檔案庫的小波加權(quán)式聲表面波溫度傳感器的關(guān)鍵問題研究

張靜端

(東華大學(xué)圖書館,上海 201620)

本文提出把聲表面波溫度傳感器用于圖書檔案庫的溫度控制系統(tǒng)中.當(dāng)圖書檔案庫中溫度變化時,該溫度傳感器的輸出頻率與溫度成線性關(guān)系,從而達(dá)到測量溫度的目的.同時還提出將輸入換能器變跡加權(quán)函數(shù)、換能器的指條數(shù)對聲表面波功率的影響作為兩個關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究,并且解決了這兩個關(guān)鍵問題.在聲表面波溫度傳感器的研究中,用小波函數(shù)對輸入換能器進(jìn)行變跡加權(quán),導(dǎo)致于抑制了該溫度傳感器頻率特性曲線的旁瓣.換能器的指條數(shù)越多,產(chǎn)生的體聲波越弱(即換能器的指條數(shù)越多,產(chǎn)生的聲表面波越強(qiáng)).只要換能器的指條數(shù)大于40條時,產(chǎn)生的體聲波可以忽略,而產(chǎn)生的聲表面波是很強(qiáng)的.并且對該溫度傳感器的設(shè)計、制作及實驗進(jìn)行了詳細(xì)研究.

圖書檔案庫;聲表面波溫度傳感器;旁瓣;換能器的指條數(shù)

1　引言

圖書檔案庫對溫度、濕度要進(jìn)行控制和調(diào)節(jié).當(dāng)溫度和濕度狀況適應(yīng)于圖書和檔案保護(hù)條件時,能夠延長圖書和檔案的壽命.在圖書和檔案保護(hù)技術(shù)的實際工作中,對溫度和濕度的調(diào)控要引起高度的注意,以科學(xué)的態(tài)度和方法去認(rèn)識、解決這個問題[1～6].

因為圖書及檔案只要在一定的溫度和濕度下才能很好的保存,所以圖書檔案庫的溫度一般都是在14～240C,相對濕度應(yīng)控制在45～60% 之間[1，2].

本文重點研究用于圖書檔案庫的溫度傳感器.由于圖書檔案庫儲藏功能的具體特性,所以對溫度傳感器提出了嚴(yán)格的要求如下:(1)要求溫度傳感器具有高可靠性和高穩(wěn)定性;(2)要求溫度傳感器具有高靈敏度;(3)要求溫度傳感器響應(yīng)時間快[7～19].

溫度傳感器種類繁多,常用的有熱電偶、熱電阻(金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻)、集成溫度傳感器等.

熱電偶是用兩種不同金屬材料制成的.兩種不同金屬材料兩端接合成回路,當(dāng)接合點的溫度變化時,在回路中產(chǎn)生微小的熱電勢,利用這個熱電勢達(dá)到測量溫度的目的.它有一個直接測量溫度端叫熱端,另一端叫冷端(也叫補(bǔ)償端),并且冷端需要溫度補(bǔ)償電路,因而熱電偶測量溫度的電路相對比較復(fù)雜,成本比較高.一般測量溫度范圍為-50～1600℃.

熱電阻包括金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻.金屬熱電阻通常有鉑電阻和銅電阻.鉑電阻的阻值與溫度之間接近線性關(guān)系,常用的型號有Pt10、Pt100、 Pt1000,其中Pt100鉑電阻的測量溫度范圍為-200～850℃,并且鉑電阻是低溫區(qū)最常用的一種溫度傳感器,其測量精度高,性能穩(wěn)定.在溫度精度要求不高情況下,可采用銅電阻.在-50～150℃的溫度范圍內(nèi),銅電阻的阻值與溫度之間成線性關(guān)系,常用的型號有Cu50和 Cu100.半導(dǎo)體熱電阻有嚴(yán)重的非線性,互換性比較差,測量溫度范圍為-50～300℃.

傳統(tǒng)的溫度傳感器,如熱電偶、熱電阻(金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻)存在三個缺點:(1)在一些溫度范圍內(nèi)線性度差;(2)熱慣性大;(3)響應(yīng)時間慢.

集成溫度傳感器與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比,具有靈敏度高、線性度好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點.常用的集成溫度傳感器有LM135、LM235、LM335、LM3991、LM45,AD22103(電壓輸出型),AD590(電流輸出型)等.這些常用的集成溫度傳感器輸出信號都是模擬信號,所以容易受到干擾信號的影響.另外,也有數(shù)字信號輸出集成溫度傳感器,如DS18B20,該集成溫度傳感器具有良好的抗干擾信號性能.

聲表面波溫度傳感器具有八個優(yōu)良特性:(1)由于材料溫度特性穩(wěn)定,所以該溫度傳感器具有高可靠性和高穩(wěn)定性;(2)一致性和重復(fù)性好,易于加工;(3)溫度靈敏度高;(4)由于熱容量和熱導(dǎo)率高,所以響應(yīng)時間快:(5)良好的線性度;(6)抗干擾信號性能強(qiáng);(7)由于該傳感器的輸出頻率高,所以容易制作成無線溫度傳感器;(8)成本低.

圖書檔案庫的溫度控制系統(tǒng)要求溫度傳感器具有高可靠性、高穩(wěn)定性、高靈敏度及響應(yīng)速度快外,還希望選用無線溫度傳感器.通過對各種溫度傳感器的研究和分析,聲表面波溫度傳感器能夠滿足圖書檔案庫溫度測量的要求.

聲表面波溫度傳感器現(xiàn)在仍是個較新的課題,它目前需要解決下列四個關(guān)鍵問題:(1)尋找溫度系數(shù)較大的新的壓電晶體材料;(2)設(shè)想對壓電晶體表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿诫s或鍍上能夠改變聲表面波溫度系數(shù)的絕緣膜;(3)輸入換能器的變跡加權(quán);(4)抑制體聲波.如果解決了這四個關(guān)鍵問題,聲表面波溫度溫度傳感器的研制與開發(fā)會有新的突破.

本文重點研究一種用于圖書檔案庫的聲表面波式小波加權(quán)的溫度傳感器.當(dāng)圖書檔案庫中溫度變化時,該溫度傳感器的輸出頻率與溫度成線關(guān)系,從而達(dá)到了測量溫度的目的.本文提出了將輸入換能器變跡加權(quán)、輸入輸出換能器的指條數(shù)對聲表面波功率的影響(即抑制體聲波)作為兩個關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究.將小波函數(shù)用于輸入換能器變跡加權(quán)中,抑制了該溫度傳感器頻率特性曲線的旁瓣.當(dāng)輸入輸出換能器產(chǎn)生的聲表面波功率與總功率比大(即它們產(chǎn)生體聲波功率與總功率比小)時,輸入輸出換能器具有良好的頻率特性.最后對該溫度傳感器的設(shè)計、制作及實驗進(jìn)行了詳細(xì)研究.

2　工作原理

圖1是聲表面波溫度傳感器的工作原理圖.在圖1中,輸入換能器與輸出換能器及放大器構(gòu)成了一個振蕩器,其振蕩器的振蕩頻率.

(1)

式中,ν是聲表面波的傳播速度,λ是叉指換能器的指條周期,λ=2(a+b),a是指條寬度,b是指間.

當(dāng)聲表面波溫度傳感器的壓電基片表面溫度發(fā)生變化時,引起聲表面波的傳播速度v和指條周期λ(即指條寬度a 和指間 b)變化,導(dǎo)致于該溫度傳感器的振蕩頻率(即輸出頻率)發(fā)生變化,即.

(2)

(3)

從公式(3)中知道,當(dāng)被測量溫度T發(fā)生變化時,引起聲表面波溫度傳感器的振蕩頻率f1發(fā)生變化,從而達(dá)到測量溫度T的目的.由于聲表面波溫度傳感器的輸出頻率f1高,所以容易制作成無線溫度傳感器,如圖1所示.

3　聲表面波溫度傳感器的關(guān)鍵問題及其解決方法

輸入換能器變跡加權(quán)、輸入輸出換能器的指條數(shù)對聲表面波功率的影響作為聲表面波溫度傳感器的兩個關(guān)鍵問題.在下面對這兩個關(guān)鍵問題提出了解決的方法.

3.1輸入換能器的變跡加權(quán)及其解決方法

輸入換能器變跡加權(quán)是關(guān)鍵問題.輸入換能器變跡加權(quán)可以采用小波函數(shù)、余弦平方函數(shù)及其它函數(shù).小波函數(shù)對輸入換能器頻率特性曲線的旁瓣抑制最佳[9～19].因此,在本文采用小波函數(shù)對輸入換能器進(jìn)行了變跡加權(quán).

輸入換能器指條重疊包絡(luò)按照小波函數(shù)的包絡(luò)函數(shù)進(jìn)行變跡加權(quán)設(shè)計.尺度為2-1的Morlet小波函數(shù)[10～12].

(4)

輸入換能器的指條長度.

(5)

式中,n是從1到100的整數(shù),k是常數(shù),k=1131.371.

在圖1中所示的輸入換能器的指條重疊包絡(luò)按式(5)所示的函數(shù)進(jìn)行設(shè)計.輸入換能器的指條長度計算如下所示.

在圖2(a)中,當(dāng)聲表面波的傳播時間t=0,n=1時,將t=0,n=1代入式(5)中得到輸入換能器的指條1的長度.

在圖2(a)中,當(dāng)聲表面波的傳播時間t=t1時,聲表面波的傳播時間.

(6)

式中,a是輸入換能器的指條寬度,b是輸入換能器的指間寬度,v是聲表面波的傳播速度.

從表1知道指條寬度a=14.143μm,指間寬度b=14.143μm,1280Y=XLiNbO3壓電基片的聲表面波傳播速度v=3960μm/μs.

將a=b=14.143μm,v=3960μm/μs代入式(6)中得到：

將t1=0.007142929293μs,n=2代入式(5)中得到輸入換能器的指條2和2′的長度.

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

將t=2t1=2×0.007142929293=0.014285858μs,n=3代入式(5)中得到輸入換能器的指條3和3′的長度

同理,在圖2(a)中,分別將3t1,n=4;4t1,n=5;…;99t1,n=100代入式 (5) 中,得到表2所示的輸入換能器的指條長度.根據(jù)表1和表2的參數(shù)能夠設(shè)計出輸入換能的指條,如圖2(a)所示.從圖2(a)能夠設(shè)計出輸入換能器,如圖2(b)所示.

表1　輸入換能器和輸出換能器的設(shè)計參數(shù)

表2　輸入換能器的指條長度(μm)

3.2輸入輸出換能器的指條數(shù)對聲表面波功率的影響及其解決方法

當(dāng)輸入輸出換能器產(chǎn)生聲表面波功率與總功率比大(即它們產(chǎn)生體聲波功率與總功率比小)時,輸入輸出換能器具有良好的頻率特性.

體聲波能夠產(chǎn)生帶內(nèi)波紋,引起幅值和相位的畸變,也能增加插入損耗.體聲波與換能器的指條數(shù)有關(guān).換能器的指條數(shù)越多,產(chǎn)生的體聲波越弱(即換能器的指條數(shù)越多,產(chǎn)生的聲表面波越強(qiáng)).在表3中,只要換能器的指條數(shù)大于40條時,產(chǎn)生的體聲波可以忽略.

表3　換能器的指條數(shù)與功率關(guān)系

輸出換能器是指條相等重疊、均勻周期的叉指換能器.它把聲表面波信號變?yōu)殡娦盘?并且它指條數(shù)比輸入換能器指條數(shù)少,所以它的帶寬比輸入換能器的帶寬大得多,導(dǎo)致于聲表面波溫度傳感器的帶寬由輸入換能器的帶寬決定.

在表1中,輸入換能器的指條數(shù)是199條,輸出換能器的指條數(shù)是48條,所以輸入輸出換能器產(chǎn)生的體聲波可以忽略,而產(chǎn)生的聲表面波是很強(qiáng)的,導(dǎo)致于輸入輸出換能器具有良好的頻率特性曲線,如圖5所示.

4　傳感器的制作及實驗

在1280Y-XLiNbO3壓電基片上,制造出了聲表面波溫度傳感器,如圖3所示.表4是圖3所示聲表面波溫度傳感器的實際測量數(shù)據(jù).根據(jù)表4數(shù)據(jù)和最小二乘法,建立溫度T與聲表面波溫度傳感器的輸出頻率f1之間的函數(shù)關(guān)系,即,

f1=69.976719-5.322857×10-5T

(7)

在圖4中,f1的曲線是式(7)所示的函數(shù)曲線,實驗點是表4所示的實際測量數(shù)據(jù),f1的曲線和實驗數(shù)據(jù)之間的相對線性度誤差.

(8)

從圖5所示輸入輸出換能器的頻率特性曲線知道:小波函數(shù)對輸入換能器的加權(quán)能夠有效抑制頻率特性曲線的旁瓣.

將T=0℃,T=100℃分別代入式(7)中得到f1(0℃)和f1(100℃)的值,從而可求出聲表面波溫度傳感器的滿度值.

f1FS=f1(0℃)-f1(100℃

=(69.976719-5.322857×10-5×0)

-(69.976719-5.322857×10-5×100)

=0.005322857(MHZ)

(9)

從圖4、表4和式(7)知道

|Δf1max|=|69.973637-(69.976719

-5.322857×10-5×60)|

=0.0001117142(MHZ)

(10)

將式(9)和式(10)代入式(8)中得到該溫度傳感器的相對線性誤差.

(11)

從式(11)知道該溫度傳感器的相對線性度誤差是2.1%.

實驗結(jié)果表明:(1)從表4和圖4知道被測的溫度 T(℃)與聲表面波溫度傳感器輸出頻率成線性關(guān)系,從而達(dá)到測量溫度的目的;(2)從圖5所示輸入輸出換能器的頻率特性曲線知道小波函數(shù)對輸入換能器的加權(quán)能夠有效抑制頻率特性曲線的旁瓣;(3)由于鈮酸鋰晶體具有很高的居里溫度( 1200℃ ),在很大的溫度范圍內(nèi)有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能,所以鈮酸鋰制作的溫度傳感器可以在更寬溫度范圍及更高溫度(1000℃左右)中使用.圖書檔案庫的溫度一般都是在14～24℃,所以在本文中,用鈮酸鋰制作的溫度傳感器只作了0～100℃實驗.從實驗結(jié)果知道聲表面波溫度傳感器能夠用于圖書檔案館庫溫度控制系統(tǒng)中.

5　結(jié)論

本文用聲表面波器件制作出了溫度傳感器,把聲表面波溫度傳感器用于圖書檔案庫的溫度控制系統(tǒng)中.提出了將輸入換能器變跡加權(quán)函數(shù)、換能器的指條數(shù)對聲表面波功率的影響作為兩個關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究,并且解決了這兩個關(guān)鍵問題.最后對該溫度傳感器的設(shè)計、制作及實驗進(jìn)行了詳細(xì)研究.從而得到了六個結(jié)論:(1)在聲表面波溫度傳感器的研究中,用小波函數(shù)對輸入換能器進(jìn)行變跡加權(quán),導(dǎo)致于抑制了該溫度傳感器頻率特性曲線的旁瓣;(2)換能器的指條數(shù)越多,產(chǎn)生的體聲波越弱(即換能器的指條數(shù)越多,產(chǎn)生的聲表面波越強(qiáng)).只要換能器的指條數(shù)大于40條時,產(chǎn)生的體聲波可以忽略,而產(chǎn)生的聲表面波是很強(qiáng)的;(3)該溫度傳感器具有聲表面波器件的優(yōu)良特性,即可靠性高、生產(chǎn)的重復(fù)性高,良好的穩(wěn)定性及響應(yīng)時間快;(4)該溫度傳感器具有靈敏度高、線性度好及抗干擾性能強(qiáng)等特性;(5)由于該溫度傳感器的輸出頻率高,所以容易制作成無線溫度傳感器;(6)該溫度傳感器適應(yīng)用于圖書檔案館庫及其它類似的場所使用.

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張靜端女,1963生于陜西西安,本科,工程師,研究方向為傳感器技術(shù)及圖書館管理系統(tǒng).

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：責(zé)任編輯：馬蘭英

國家自然科學(xué)基金(No.61274078);教育部博士點基金(No.20120075110006);上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目(No.13ZZ049)

TN011.4

A

0372-2112 (2016)05-1162-06

電子學(xué)報URL:http://www.ejournal.org.cn10.3969/j.issn.0372-2112.2016.05.021