CN101251599B - 无线无源声表面波混合参数测量传感器及参数分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有结构简单并且能够同时进行两种物理量(如温度、压力和应变等)检测的声表面波传感器，和对传感器检测到的物理量反馈信号如何应用声表面波延迟线理论进行参数分析的方法。与现有相同原理的传感器相比，本发明克服了以往声表面波传感器只能检测单个物理量或者即使能够测量2个物理量但结构相对复杂的缺陷。充分利用叉指换能器所产生的声表面波能量信号向两个方向同时传递的特点，使得本发明能够同时检测两个物理量。本发明所设计传感器的结构简单，具有易于批量生产加工、体积小、重量轻、零老化率等显著特点，理论分析验证可通过一定方法使得被测量的两个物理量的反馈信号经数据处理产生相互独立检测信号。

Description

无线无源声表面波混合参数测量传感器及参数分析方法

技术领域

本发明属于声表面波传感技术领域，具体涉及一种具有可以同时检测外界两个待测物理量变化的无线无源声表面波混合参数测量传感器，和对传感器检测到的物理量反馈信号如何应用声表面波延迟线理论进行参数分析的方法。

背景技术

由于声表面波传感器结构简单、体积小、重量轻、稳定性好、无线连接、无须电源驱动并且敏感度高，可用于多种复杂恶劣环境中，自上个世纪八十年代，美、德、日等国家广泛开展对声表面波无线无源传感器的研究，在已经发表的专利和技术文献中，报道了采用声表面波器件实现无线无源传感器的各种方法。声表面波传感器采用表面声波传感技术，直接从射频信号中获取工作能量，无需集成电源驱动电路，所需能量由外界获得，并且产生相应的数据处理算法和测量方法。

无线无源声表面波传感器已经在很多领域取得成功应用。尽管在现有方案1中声表面波传感器的结构简单，但传感器仅被用来测量单一物理量，不能对两个物理量在一个传感器中同时测量；在现有方案2中传感器可以同时测量两个物理量，但传感器的结构又过于复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单并且能够同时进行两种物理量(如温度和压力)检测的无线无源声表面波混合参数测量传感器，和对传感器检测到两个物理量的反馈信号如何应用声表面波延迟线理论进行参数分析的方法。该无线无源声表面波混合参数测量传感器能够实现两种物理量的同时检测，并且具有无线无源、结构简单、体积小、重量轻和零老化率等特点，适合在复杂环境下工作。

本发明所采用的技术方案是：如图1和图2所示，本发明的无线无源声表面波混合参数测量传感器包括压电基质3、叉指换能器4、参考反射器2、第一反射器1、第二反射器6五部分。在压电基质3中有一部分为物理量感应机构5，这部分的厚度可以根据所检测的物理量的种类和量程的不同(如压力的大小)，在设计时进行相应的调整。在一些情况下，物理量感应机构5的厚度也可以和压电基质3的厚度一致。传感器的压电基质3是由具有压电特性的材料构成，叉指换能器4、参考反射器2、第一反射器1和第二反射器6是经过微加工工艺沉积在压电基质3表面具有特定形状的金属薄膜。叉指换能器4经叉指换能器引出线7与外部天线直接相连接，或经过无源阻抗匹配网络和天线连接，直接从无线射频发射的查询信号中获取传感器驱动所需能量，并返回由参考反射器2、第一反射器1和第二反射器6反射回的相应于检测物理量带有不同相位信息的信号。在进行物理量检测时，参考反射器2作为参考反射器，第一反射器1检测第一物理量，第二反射器6检测第二物理量，参考反射器2的反馈信号通过与第一反射器1的反馈信号和第二反射器6的反馈信号相比较来测得相对相位差，从而测得两个物理量的实际值。在参考反射器2作为参考反射器的情况下，由于参考反射器2、第一反射器1和第二反射器6的反馈信号在传感器以外传播路径上所消耗的时间是相同的，所以相互抵消。这样参考反射器2的反馈信号通过与第一反射器1的反馈信号相比较的相位差，和参考反射器2的反馈信号通过与第二反射器6的反馈信号相比较的相位差只反映两个待测物理量所产生的相位变化。在两个物理量其中一个可以精确测得的情况下(现假设第一物理量可精确测得)，通过加权因子将载有第二物理量信息的反馈信号中含有第一物 理量的信息除去，从而准确测得测第二物理量的信息，实现两个物理量的同时测量。

本发明目的在于解决现有技术存在的问题，基于声表面波的延迟线理论，发明出一种无线无源声表面波混合参数测量传感器，和对传感器检测到的物理量反馈信号如何应用声表面波延迟线理论进行参数分析的方法。与现有的相同原理传感器相比，本发明具有以下技术特点：根据声表面波信号产生特点，通过充分利用叉指换能器4向两个方向传递的能量，将参考反射器2、第一反射器1和第二反射器6置于叉指换能器4的两侧，使得本发明能够在保证一定信号强度的前提下，同时检测两个物理量。本发明解决了现有技术中传感器只能被用来测量单一物理量，不能对两个物理量在一个传感器中同时测量的问题；由于本发明结构简单，解决了现有技术中传感器可以同时测量两个物理量，但传感器结构又过于复杂的问题；通过一定参数分析方法使得被测量的两个物理量产生相互独立的反馈信号，解决了传感器反馈信号的检测问题。

附图说明

图1是本发明实施例的传感器结构主视图。

图2是本发明实施例的传感器结构侧视图。

图3是本发明实施例的传感器封装结构主视图。

图4是本发明实施例的传感器封装结构侧视图。

图中：1.第一反射器，2.参考反射器，3.压电基质，4.叉指换能器，5.物理量感应机构，6.第二反射器，7.叉指换能器引出线，8.密封腔体，9.压力感应膜片，10.压力进入口。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图，详细介绍本发明的内容。

本发明的实施例是针对轮胎压力监测系统所设计的无线无源声表面波温度和压力参数测量传感器。图3是本发明实施例的传感器封装结构主视图，图4是本发明实施例的传感器封装结构侧视图。

传感器的压电基质3是Y切Z方向的铌酸锂压电晶体薄片，参考反射器2、第一反射器1、第二反射器6和叉指换能器4是经过微加工工艺置于压电基质3上面具有特定形状的金属铝薄膜。参考反射器2、第一反射器1、第二反射器6和叉指换能器4的金属指条方向垂直于压电基质3上表面的Z方向。由叉指换能器4所产生的表面声波，由参考反射器2、第一反射器1和第二反射器6所反射的表面声波是沿着压电基质3上表面Z方向进行传播的。传感器的整体同时受到温度和压力变化的影响，在传感器的密封腔体8中的压力为恒定值，外界压力变化由压力进入口10进入作用在压力感应膜片9上，由于密封腔体8中参考压力与由压力进入口10进入的压力有一定的压力差，因此压力感应膜片9发生相应弹性形变使得压电基质3发生变形，从而感受压力的变化。当作用在传感器压电基质3上的压力和温度发生变化时，压电基质3表面的特性被改变，在压电基质3表面叉指换能器4与参考反射器2、第一反射器1和第二反射器6之间的距离就会发生相应的变化，从而影响到声表面波在压电基质3上的传播时间，因此反射波的相位会随压力和温度的变化做出相应的变化。

叉指换能器4经叉指换能器引出线7与外部天线直接相连接，或经过无源阻抗匹配网络和天线连接，直接从无线射频发射的查询信号中获取传感器驱动所需能量，并返回由参考反射器2、第一反射器1和第二反射器6反射回相应于温度和压力值的带有不同相位信息的信号。在进行温度和压力值检测时，参考反射器2作为参考反射器，第一反射器1检测温度，第二反射器6检测压力，参考反射器2的反馈信号通过与第一反射器1的反馈信号和第二反射器6的反馈信号相比较来测得相对相位差，从而测得温度和压力两个物理量。在两个待测物理量中由于参考反射器2和第一反射器1只受到温度变化的影响，可以精确测得温度值，由于参考反射器2的反馈信号和第二反射器6的反馈信号的相位差包含温度与压力的共同影响，因此不能够简单的通过参考反射器2的反馈信号和第二反射器6的反馈信号的相位差来检测压力的数值，可以通过加权因子将第二反射器6的反馈信号与参考反射器2的反馈信号比较的相位信息中含有温度影响的相位信息除去，使得信号只包括压力变化的相位信息，从而准确测得压力值。

下面通过详细的理论分析说明如何通过对传感器检测到的物理量反馈信号应用声表面波延迟线理论进行参数分析的方法。通过此方法，可使得处理后的反馈信号分别相互独立的反映被测量的温度和压力两个物理量。

定义d₁是在压电基质3表面上参考反射器2与叉指换能器4之间的距离；d₂是在压电基质3表面上第一反射器1与叉指换能器4之间的距离；d₃是在压电基质3表面上第二反射器6与叉指换能器4之间的距离。在本设计中参考反射器2反馈信号通过与第一反射器1反馈信号和第二反射器6反馈信号的比较测得的相对相位差，只反映温度和压力影响所产生的相位变化。

中频信号频率与相位的变化是随着反射器反馈信号时间延迟的不同而改变的。由于在时间的延迟上受温度和压力变化的影响对较小，因此相位的变化能够更加准确地反映温度和压力所发生的一系列变化。由系统叉指换能器4接收的初始信号可由下式给出

S(t)＝Acos[(ω₀+μt/2)t+θ₀]    (1)

其中ω₀是信号的初始频率值；μ是2π的整数倍；t是时间；θ₀和A分别是信号的初始相位和初始幅值。

相应由叉指换能器4返回的信号通过混频器和低通滤波器后的响应可以被表示为

其中，ω_i＝μt_i，

B_i为信号的幅值。

从上面的公式可以看出，频率μt_i和相位转移

_i都与延迟时间t_i相关。由于通常情况下ω₀比μt_i大很多，因此相位对延迟时间的影响比频率更显著。

在本实施例中，参考反射器2反馈信号和第一反射器1反馈信号的相位差被用来测量外界温度的变化，这一部分对压力的变化不敏感，因此可以通过它们之间反馈信号的相位的变化直接测得准确温度值。参考反射器2反馈信号和第一反射器1反馈信号的相位变化的差异可用如下公式表示

_T＝[ω₀-μ(t₂+t₁)/2 ](t₂-t₁)＝Kτ_T    (3)

其中，K＝ω₀-μ(t₂+t₁)/2，τ_T＝t₂-t₁，且

τ_T＝2d_T/v， ${\mathrm{\τ}}_T^0=2d_T^0/v---\left(4\right)$

其中，τ_T ⁰是声表面波在初始温度T₀下从参考反射器2到第一反射器1再返回参考反射器2产生的总延迟时间；d_T ⁰是在初始温度T₀下参考反射器2和第一反射器1之间的距离；τ_T和d_T是在温度T下测得的相应数值；v是声表面波在压电基质3上的传播速度。与声表面波速度成反比的延迟时间对温度的变化十分敏感，从现有技术中可知延迟时间τT和温度T之间有下面的关系

${\mathrm{\τ}}_T=2d_T/v={\mathrm{\τ}}_T^0\[1+\mathrm{\α}(T-T_0)\]---\left(5\right)$

其中α是传感器中压电基质3的温度系数。

由方程(3)和(5)，可得到下面的方程

其中， $a=\mathrm{\αK}{\mathrm{\τ}}_T^0,$ , $b=K{\mathrm{\τ}}_T^0(1-\mathrm{\α}{T}_0).$

从上式可知，如果相应的相位偏差为Δ

_T，那么温度的变化值可以表示为

上式中，等式右面的所有变量都是已知的，因此可以通过测得相位变化的差值而得到温度的变化值。

由于传感器设计结构与材料本身特性的原因，从第二反射器6反馈回信号的延迟时间t₃，同时受到温度和压力的共同影响。为了从第二反射器6的反射信号中分离出压力变化的信息，因此必须通过一定的补偿途径来消除温度对延迟时间的变化所造成的影响。在参考反射器2和第二反射器6之间所产生与压力变化对应的信号相位变化可以表示为

₃₁＝[ω₀-μ(t₃+t₁)/2](t₃-t₁)≈ω₀(t₃-t₁)    (8)

参考反射器2和第二反射器6之间的延迟时间τ₃₁可由下式给出

τ₃₁＝(t₃-t₁)＝2d₃₁/v＝2(d₃-d₁)/v    (9)

其中d₃₁是在温度T时刻d₃的长度减去d₁的长度。由于叉指换能器在压电基质3的两个相反方向上的能量传输特性是等效的，因此d₃₁不是参考反射器2和第二反射器6之间的实际物理距离，而是参考反射器2和第二反射器6分别与叉指换能器4距离绝对值的差值。

由于温度和压力的变化同时都会对d₃₁的值产生影响，现作如下定义：定义ε_TP为由温度和压力所共同引起的压电基质3对d₃₁产生的平均应变值，定义ε_T为仅由温度单独作用时所引起的压电基质3对d₃₁产生的平均应变值，定义ε_p为仅由压力单独作用时所引起的压电基质3对d₃₁产生的平均应变值。

如ε_T和ε_p是相互独立不相关的两个变量，则由方程(9)可得到下面的关系式

${\mathrm{\τ}}_{31}=2\[1+{\mathrm{\ϵ}}_P+\mathrm{\α}(T-T_0)\]d_{31}^0/\mathrm{\ν}={\mathrm{\τ}}_{31}^0\[1+{\mathrm{\ϵ}}_P+\mathrm{\α}(T-T_0)\]---\left(10\right)$

其中τ₃₁ ⁰和d₃₁ ⁰分别为在初始温度T₀和初始压力P₀下的时间延迟和距离，由方程(8)和(10)可得

Δ ₃₁＝ω₀ε_Pτ₃₁+ω₀ΔTατ₃₁    (11)

因此，由方程(11)和(7)可得如下等式

通过方程(3)和(12)，由压力造成的相位变化可表示为

_P＝(

₃-

₁)-W

_T    (13)

其中W为加权因子，可以表示为

$W=\frac{d_{31}}{d_0}=\frac{(d_3-d_1)}{(d_2-d_1)}---\left(14\right)$

从以上理论推导可以看出，由于加权因子W的引入，在传感器测量压力变化时方程(13)中由温度产生相位变化的影响被消除，由压力所引起的相位变化被独立出来，从而可以通过此传感器检测出压力的数值。

Claims (7)

1.一种无线无源声表面波传感器，包括：

换能器，用于向两个方向上发射相同的能量；

第一反射器和第二反射器，用于检测换能器发射的能量；

压电基质，用于传导所述换能器向第一反射器和第二反射器发射的能量；

其特征在于，还包括设置在压电基质上的参考反射器，所述第一反射器和第二反射器分别位于换能器的两侧，所述参考反射器位于第二反射器和第一反射器所在的直线上。

2.如权利要求1所述的无线无源声表面波传感器，其特征在于，所述压电基质还包括物理量感应机构，根据所检测的物理量的种类和量程的不同，所述物理量感应机构设置为不同厚度。

3.如权利要求1所述的无线无源声表面波传感器，其特征在于，所述压电基质由具有压电特性的材料构成。

4.如权利要求1所述的无线无源声表面波传感器，其特征在于，所述换能器为叉指换能器。

5.如权利要求1所述的无线无源声表面波传感器，其特征在于，所述换能器、参考反射器、第一反射器和第二反射器为金属薄膜。

6.一种无线无源声表面波传感器两个测量物理量的参数分析方法，其特征在于，传感器根据压力引起的相位变化计算对应的压力，所述压力引起的相位变化由以下公式计算得到：

其中，W为加权因子，

为由压力所产生的信号相位变化；

为由第二反射器所产生的信号相位变化；

为由参考反射器所产生的信号相位变化；

为由温度所产生的信号相位变化。

7.如权利要求6所述的无线无源声表面波传感器两个测量物理量的参数分析方法，其特征在于，所述加权因子 $W=\frac{(d_3-d_1)}{(d_2-d_1)},$ 其中，

d₁是参考反射器与叉指换能器的距离值；

d₂是第一反射器与叉指换能器的距离值；

d₃是第二反射器与叉指换能器的距离值。

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