CN102042844B - 声表面波测量传感器及参数分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种声表面波测量传感器及参数分析方法，该传感器包括：压电基底、叉指换能器及反射器；压电基底，用于感应待测物理量；叉指换能器与反射器经过表面微加工工艺沉积在压电基底上表面；叉指换能器经和它相连接的天线接收声表面波传感器工作所需驱动能量，并通过天线返回射频脉冲回波信号；反射器，用于产生射频脉冲回波信号。与现有的传感器相比，本发明具有以下技术特点：能够在保证一定信号强度的前提下，保证大范围和高精度对物理量进行检测；解决了现有技术中声表面波传感器在测量信号的范围和精度上只能满足其中一项指标，不可以兼顾的问题；结构简单；通过一定参数分析方法使得被测量的物理量产生相应反馈信号，解决了传感器大范围精确检测物理量的问题。

Description

声表面波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，具体涉及一种声表面波测量传感器及参数分析方法，该传感器为无线无源声表面波物理参数测量传感器，其可以同时大范围和高精确度检测外界待测物理量的变化，分析方法具体是指对该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无线无源声表面波传感器的研究。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。在现有方案中，声表面波传感器的结构简单，但由于声表面波传输的特性，传感器测量物理量的测量范围和精度不能同时保证，也就是说，如果保证声表面波传感器有大的测量范围，则测量精度就比较低；如果保证声表面波传感器有高的测量精度，则测量范围不会很大，在现有声表面波传感器中很难找到既有大的测量范围，同时又能保证高精度的声表面波传感器。在现有的另外一种方案中，由于声表面波传感器结构本身的原因，每一个传感器的测量周期只对传感器发出一个射频脉冲查询信号，因此获得的传感器信息量少，不能够实现大范围高精度的测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种声表面波测量传感器，其可克服现有的缺陷，能实现被测物理量的大范围高精确度检测，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。

本发明要解决的另一技术问题是提供应用该传感器的参数分析方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种声表面波测量传感器，包括：压电基底、叉指换能器、反射器及天线；

上述的压电基底，用于感应待测物理量；

上述的叉指换能器与所述的反射器经过表面微加工工艺沉积在所述的压电基底上表面；

上述的叉指换能器接收声表面波传感器工作所需驱动能量，并通过天线返回射频脉冲回波信号；

上述的反射器，用于反射在所述的压电基底上传输的声表面波从而产生射频脉冲回波信号。

优选地，上述的反射器包括第一反射器、第二反射器及第三反射器，所述的第一反射器、第二反射器及第三反射器位于由上述的叉指换能器产生的声表面波传输路径上。

优选地，上述的压电基底是采用压电晶体薄片制作而成。

优选地，上述的压电晶体薄片是Y切Z方向。

优选地，上述的第一反射器、第二反射器、第三反射器及叉指换能器的金属指条方向垂直于所述的压电基底上表面的Z方向。

上述的声表面波测量传感器，其还进一步包括有天线，上述的天线为外部天线或经过阻抗匹配网络的天线。

优选地，上述的叉指换能器与所述的反射器为金属薄膜。优选地，其为金属铝薄膜。

上述的声表面波测量传感器的参数分析方法，通过上述的叉指换能器从无线射频信号收发器发射的射频脉冲查询信号中获取声表面波传感器驱动所需能量，并返回由所述的第一反射器、第二反射器和第三反射器反射回对应待测物理量值的带有不同相位信息的RF脉冲回波信号；然后，使用两次传感器返回的针对不同的RF脉冲宽度的RF脉冲返回信号对待测物理量进行测量。

上述的在一个测量周期内使用两次传感器不同宽度的RF脉冲信号对待测物理量进行测量：首先声表面波传感器会接收一个脉冲宽度较窄的RF脉冲查询信号，将所述的第一反射器作为参考反射器，通过检测第一反射器和第二反射器反射的RF脉冲信号间的相对相位差，获得待测物理量所属的量值区间；然后声表面波传感器会接收一个脉冲宽度较宽的RF脉冲查询信号，把所述的第一反射器和第二反射器的组合作为参考反射器，通过检测参考反射器和所述的第三反射器反射的RF脉冲信号间的相对相位差，进一步获得待测物理量的准确值，然后对两次的测量结果进行分析处理，得到实际的待测物理量值。

上述的叉指换能器接收的一定频率下不加调制的标准正弦波信号由下式给出：

S(t)＝Acos[(ω₀+μt/2)t+θ₀]

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。

采用上述技术方案后，本发明是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物理参数测量传感器，和对声表面波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，通过控制RF脉冲查询信号的宽度，充分利用反射器所返回的信号，使得本发明能够在保证一定信号强度的前提下，保证大范围和高精度对物理量进行检测；解决了现有技术中声表面波传感器在测量信号的范围和精度上只能满足其中一项指标，不可以兼顾的问题；结构简单，通过改变RF脉冲查询信号的宽度巧妙解决了现有技术的难题；通过一定参数分析方法使得被测量的物理量产生相应反馈信号，解决了传感器大范围精确检测物理量的问题。

附图说明

图1是本发明传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明公开一种声表面波测量传感器，其包括：压电基底1、叉指换能器2、反射器3及天线4，其中；

压电基底1，其为待测物理量的感应机构，其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，温度的变化范围)，在设计时通过选取不同厚度的待加工晶圆的进行相应的调整。该压电基底1是由具有压电特性的晶圆材料构成，在本实施例中，该晶圆材料为Y切Z方向的铌酸锂压电晶体薄片。

叉指换能器2及反射器3经过表面微加工工艺沉积在压电基底1上表面，是具有特定形状和厚度的金属薄膜，在本实施例中，该金属薄膜为金属铝薄膜，另外，叉指换能器2与反射器3的金属指条方向垂直于压电基底1上表面的Z方向。

反射器3包括第一反射器31、第二反射器32及第三反射器33，该第一反射器31、第二反射器32及第三反射器33位于由叉指换能器2产生的声表面波传输路径上，会对经过的声表面波反射回部分能量给叉指换能器2，即由反射器3产生的射频脉冲回波信号。通过三个反射器的设置，其可以大范围精确测量物理量。

叉能换能器2通过叉指换能器引出线与外部天线直接相连接，或者，与经过阻抗匹配网络的天线4连接，直接从射频脉冲查询信号中获取声表面波传感器工作所需驱动能量，并返回由第一反射器31、第二反射器32及第三反射器33反射回的相应于检测物理量带有不同相位信息的射频脉冲回波信号。

在进行物理量检测时，可以将第一反射器31作为参考反射器，与第二反射器32的RF(RF，其为radio frequency的缩写，其意思是指射频)脉冲回波信号比较检测物理量，参考反射器的声表面波反馈信号通过与第二反射器32的RF脉冲回波信号相比较来测得相对相位差，由于相位与待测物理量具有一定的对应关系，从而测得物理量的实际值。在第一反射器31作为参考反射器的情况下，由于参考反射器与第二反射器32的声表面波反馈信号在声表面波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。这样参考反射器的射频脉冲回波信号通过与第二反射器32的声表面波反馈信号相比较的相位差，只反映待测物理量所产生的相位变化。

另外，本发明还可以将第一反射器31与第二反射器32的组合作为参考反射器，与第三反射器33的RF脉冲回波信号比较检测物理量。

实施时，由叉指换能器2把通过天线4接收到的特定频率的RF脉冲查询信号转换为能够在压电基底1上表面传输的表面声波，该声表面波的传输方向为压电基底1的上表面Z方向，由第一反射器31、第二反射器32和第三反射器33所反射的表面声波也是沿着压电基底1上表面Z方向进行传播的。由于声表面波传感器的压电基底1对外界温度变化敏感，当作用在声表面波传感器压电基底1上的温度发生变化时，声表面波在压电基底1上表面的传输特性被改变，在压电基底1上表面叉指换能器2与第一反射器31、第二反射器32和第三反射器33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底1上表面的传播时间，因此由第一反射器31、第二反射器32和第三反射器33所反射的声表面波的相位会随外界温度的变化做出相应的变化，与声表面波传感器温度相对应的射频脉冲返回信号的相位也会发生变化。

叉指换能器2经叉指换能器引出线与外部天线直接相连接，或与天线4经过无源阻抗匹配网络连接，直接从无线射频信号收发器发射的射频脉冲查询信号中获取声表面波传感器驱动所需能量，并返回由第一反射器31、第二反射器32和第三反射器33反射回对应温度值的带有不同相位信息的RF脉冲回波信号。由于无线无源声表面波传感器是通过天线接收和传递测量信息的，并且在实际工作中无法保证分别接在声表面波传感器信号收发系统上的天线和传感器上天线间的距离保持恒定不变，由于天线间的距离也可以影响传感器中第一反射器31、第二反射器32和第三反射器33返回的温度测量信号，因此，在每次测量中必须有参考反射器的存在才能够进行温度的测量。(根据设定脉冲查询信号的不同宽度，本发明所利用的参考反射器信号亦不同。)在RF脉冲信号测量过程中。由声表面波传感器的基本测量机理可知，只要通过分析声表面波传感器射频脉冲返回信号的相位变化来进行温度的测量，对相位变化来说，由于RF脉冲返回信号是周期变化的，因此测量得到的相位只能在0度到360度之间周期变化，如果声表面波传感器每次只对温度进行一次测量，测量结果在测量范围和测量精度之间只能够满足一项要求，通常不能满足一些实际测量的需求，因此本发明提出在对温度进行测量时，使用两次传感器的RF脉冲返回信号进行温度的测量，具体实现方法如下列叙述所示。

本发明还公开了一种上述的传感器的参数分析方法，在进行温度值检测时，为得到大范围精确的温度测量结果，温度检测分为两步来完成。首先声表面波传感器会接收一个脉冲宽度较窄的RF脉冲查询信号，这时第一反射器31作为参考反射器，通过检测第一反射器31和第二反射器32反射的RF脉冲信号间的相对相位差，可以首先获得被测量外界温度所属的温度区间，这一过程虽然不能够保证温度的测量有很高的精度，但可以知道待测温度的大概范围，为下一步准确高精度测量温度作为参照；然后声表面波传感器会接收一个脉冲宽度较宽的RF脉冲查询信号，这时第一反射器31和第二反射器32反射的RF脉冲返回信号较宽，它们之间有重叠的部分，因此把第一反射器31和第二反射器32同时作为参考反射器，看作一个反射器来处理，通过检测参考反射器和第三反射器33反射的RF脉冲信号间的相对相位差，可以进一步获得被测量外界温度准确的温度值，这部分的测量虽然不能够反映大范围的温度变化，但是可以提供很好的温度的测量精量精度，把这两次的温度测量结果综合分析，便可以得到实际的温度值。由于该传感器是无源传感器，传感器通过外界获得的能量有限，通过这种方式也可以使离叉指换能器2较远的第三反射器33反射回稳定的声表面波反射信号。可见，本发明中的参考反射器的选取是随RF脉冲查询信号宽度的变化而变化的，和以往固定参考反射器的方法是截然不同的，通过不同参考反射器的选取，便可以是声表面波传感器达到对外界温度的大范围准确测量。

下面通过详细的理论分析说明如何通过对声表面波传感器检测到的射频脉冲回波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对温度进行大范围精确度高的测量。

在本设计中可变参考反射器(可以是第一反射器31，也可以是第一反射器31和第二反射器32的组合)的反馈信号通过与第二反射器32射频脉冲回波信号或第三反射器33射频脉冲回波信号的比较测得的相对相位差，反映声表面波传感器受温度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变化的影响相对较小，达到纳秒数量级，用现有技术水平的硬件电路难以实现准确分辨，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。由声表面波传感器中叉指换能器2经与其相连接的外部天线4接收的一定频率下不加调制的标准正弦波信号可由下式给出：

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2返回的射频脉冲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，通过以第一反射器31作为参考反射器的射频脉冲回波信号和第二反射器32射频脉冲回波信号的相位差被用来测量外界温度的大概变化范围区间，通过以第一反射器31和第二反射器32共同作为参考反射器的射频脉冲回波信号和第三反射器33射频脉冲回波信号的相位差被用来测量外界温度的准确值。参考反射器(即第一反射器31)的射频脉冲回波信号和第二反射器32射频脉冲回波信号的相位变化的差异可用如下公式表示：

其中，K₁＝ω₀-μ(t₂+t₁)/2，τ_T1＝t₂-t₁，且

τ_T1＝2d_T1/v，

其中，

是声表面波在初始温度T₀下从第一反射器31到第二反射器32再返回第一反射器31产生的总延迟时间；

是在初始温度T₀下第一反射器31和第二反射器32之间的距离；τ_T1和d_T1是在温度T下测得的相应数值；v是声表面波在压电基底1上的传播速度。

参考反射器的射频脉冲回波信号(即第一反射器31和第二反射器32的组合)和第三反射器33射频脉冲回波信号的相位变化的差异可用如下公式表示：

其中，K₂＝ω₀-μ(t₃+t₁₂)/2，τ_T2＝t₃-t₁₂，且τ_T2＝2d_T2/v，

其中，

是声表面波在初始温度T₀下从参考反射器到第三反射器再返回参考反射器产生的总延迟时间；是在初始温度T₀下参考反射器和第三反射器之间的距离；τ_T2和d_T2是在温度T下测得的相应数值。

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：

${\mathrm{\τ}}_T=2d_T/v={\mathrm{\τ}}_T^0[1+\mathrm{\α}(T-T_0)]---\left(7\right)$

其中α是传感器中压电基底1的温度系数。

由方程(3)和方程(7)，可得到下面的方程

其中，

从上式可知，如果相应的相位偏差为

那么温度的变化值可以表示为：

同理由方程(5)和方程(7)，可得到下面的方程

方程(9)和方程(10)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。

根据声表面波传感器设计上的要求，在初始温度T₀下参考反射器和第三反射器33之间的距离和在初始温度T₀下第一反射器31和第二反射器32之间的距离

相比要大出很多，通常情况下

因此根据声表面波检测温度传感器的原理，可见通过方程(9)所反映的温度变化范围可以是比较宽的一个范围，但是传感器的绝对测量精度不高，只能通过方程(9)获得所测量温度的大概范围，而方程(10)可以达到方程(9)十倍以上的测量精度，但是测量范围有限，因此在基于方程(9)的前提下，通过方程(10)便可以得到宽范围和高测量精度的声表面波传感器的测量结果。

T₁和T₂之间有一定的函数关系。T₁对温度的分辨率不高，主要表示获得测量温度的大概范围，T₂温度在某个范围内的准确值。T＝|T₁/m|*360+T₂，其中m为整数，它的数值为当T₂变化360度时T₁变化的角度数然后对T₁/m的数值只取整数部分，这样T为传感器最终测得的温度值，并且相位的变化范围在0度到360*(m+1)度之间。因此可见，通过本发明这种结构的设计，以简单的方式实现了声表面波传感器对待测物理量的大范围精确测量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种声表面波测量传感器的参数分析方法，所述的声表面波测量传感器，包括：压电基底、叉指换能器、天线及反射器；

所述的压电基底，用于感应待测物理量；

所述的叉指换能器与所述的反射器经过表面微加工工艺沉积在所述的压电基底上表面；

所述的叉指换能器接收声表面波传感器工作所需驱动能量，并通过天线返回射频脉冲回波信号；

所述的反射器，用于反射在所述的压电基底上传输的声表面波从而产生射频脉冲回波信号;

所述的叉指换能器从无线射频信号收发器发射的射频脉冲查询信号中获取声表面波传感器驱动所需能量，并返回由所述的第一反射器、第二反射器和第三反射器反射回对应待测物理量的带有不同相位信息的射频脉冲回波信号；然后，使用两次传感器返回的针对不同射频脉冲宽度的射频脉冲回波信号对待测物理量进行测量；其特征在于：所述的在一个测量周期内使用两次传感器的不同宽度射频脉冲信号对待测物理量进行测量；首先声表面波传感器会接收一个脉冲宽度较窄的射频脉冲查询信号，将所述的第一反射器作为参考反射器，通过检测第一反射器和第二反射器反射的射频脉冲回波信号间的相对相位差，获得待测物理量所属的大概区间；然后声表面波传感器会接收一个脉冲宽度较宽的射频脉冲查询信号，把所述的第一反射器和第二反射器的组合作为参考反射器，通过检测参考反射器和所述的第三反射器反射的射频脉冲信号间的相对相位差，进一步获得待测物理量的准确值，然后对待测物理量两次的测量结果进行分析处理，得到实际的数值。

2.如权利要求1所述的声表面波测量传感器参数分析方法，其特征在于：所述的叉指换能器接收的一定频率下不加调制的标准正弦波信号由下式给出： 

S(t)=A cos[(ω₀+μt/2)t+θ₀]

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。 

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