CN102313614A - 提高延迟线型声表面波传感器检测精度的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提高延迟线型声表面波传感器检测精度的方法及系统，涉及一种SAW传感器检测方法及系统，包括以下步骤：步骤1：首先寻找时延和位相随被测温度的变化对应关系；步骤2：然后建立起时延差和相位差与被测温度间的对应关系；步骤3：最后得到相位差与被测温度间的对应关系；本发明采用结合时延测量和相位测量的解调，实质利用了相位的精确解调优势，解调过程计算量很小，便于在FPGA中实现，提高了解调精度，解决了延迟线型(SAW)波传感器相位解调过程中相位模糊问题；利用该方法实现温度检测精度可达0.05℃，检测范围至少在0℃～50℃范围，说明结合时延和相位测量进行解调的确可克服相位模糊问题。

Description

提高延迟线型声表面波传感器检测精度的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种SAW传感器检测方法及系统，特别涉及一种提高延迟线型声表面波传感器检测精度的方法。

背景技术

当前，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。

SAW传感器因其检测精度较高和无线无源的优点得到了广泛的研究。该种传感器可用在移动物体的许多参量如温度、压力、扭矩等的高精度测量，尤其是危险环境中这些参量的实时检测。

SAW传感器的信号可采用频率解调、时延解调和相位解调三种不同的方法。其中，相位解调可获得比较高的精度。但是，相位解调容易引起相位模糊问题，也就是如果一个2π的相位变化不会涵盖整个测量范围时，一个相位就会对应被测温度的多个值。因此，当使用相位求被测温度时，很难确定被测温度的实际值。

对于相位解调问题，Jan H.Kuypers等人给出了使用相位差之差来解调被测量的变化的方法。虽然这种方法可以通过降低相位差的灵敏度来避免产生相位模糊问题，但是这样却增加了相位解调的误差，同时计算量也会相应的增加。X.Q.Bao等人给出了相位解调的算法，但却没有讨论相位模糊的问题。杜锋等人也只是提了相位解调的相位偏移问题，并未对相位模糊做出讨论。

因此急需一种提高延迟线型声表面波传感器检测精度的方法及系统。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提出一种提高延迟线型声表面波传感器检测精度的方法及系统。

本发明的目的之一是提出一种提高延迟线型声表面波传感器检测精度的方法；本发明的目的之二是提出一种提高延迟线型声表面波传感器检测精度的系统。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的提高延迟线型声表面波传感器检测精度的方法，包括以下步骤：

步骤1：确定时延和位相随被测温度的变化对应关系，

所述延迟线型声表面波传感器的时延与被测温度T之间的关系，通过以下公式来表达：

τ_T＝τ_T0[1+α·(T-T₀)]

其中，τ_T0为初始温度为T₀时两个反射栅之间的时延差，α为基底材料的温度敏感系数，τ_T表示温度为T时反射栅间的时延差，τ₂₁₀表示温度为T₀时反射栅之间的时延差，τ₂₁为温度为T时反射栅之间的时延差；

所述延迟线型声表面波传感器的时延和位相随被测温度的变化对应关系，通过以下公式来表达：

其中，φ₂₁为温度为T时反射栅之间的相位差，f为信号频率，τ₂₁₀表示温度为T₀时反射栅之间的时延差，T₀表示初始温度，T表示被测温度；

步骤2：建立时延差和相位差与被测温度间的对应关系；

所述时延差随被测温度变化所产生的变化量通过以下公式来确定：

Δτ₂₁＝-τ₂₁₀α·(T-T₀)

所述相位差随被测温度变化所产生的变化量通过以下公式来确定：

其中，Δτ₂₁为时延差随被测温度变化所产生的变化量，Δφ₂₁为相位差随被测温度变化所产生的变化量；

步骤3：确定相位差与被测温度间的对应关系；所述实际被测温度通过以下公式来计算：

T＝T₁+n·ΔT

其中，T₁表示表示被测温度值，ΔT表示被测温度变化量，n表示相位变化的周期数。

进一步，所述步骤1中的初始温度为T₀时和被测温度为T时的时延差通过以下公式来表达：

τ₂₁＝τ₂₁₀[1+α·(T-T₀)]

其中，τ₂₁表示被测温度为T时反射栅之间的时延差。

进一步，所述T₁通过以下公式来计算：

进一步，所述相位变化的周期数通过以下公式来计算：

$n=\left[\frac{{\mathrm{\Δ\τ}}_{21}}{T_X}\right]$

其中，T_X表示信号周期，[]表示取整。

进一步，所述被测温度变化ΔT时通过以下公式来确定：

$\mathrm{\ΔT}=-\frac{T_X}{{\mathrm{\τ}}_{210}\mathrm{\α}}.$

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的提高延迟线型声表面波传感器检测精度的系统，包括SAW传感器、阅读器，所述阅读器用于向SAW传感器发射射频信号和接收回波信号，所述SAW传感器包括基片、阵列叉指换能器和反射栅，所述SAW传感器以压电晶体作为传感器的基底，所述基底上设置有至少一对并行的阵列叉指换能器，用于负责完成信号的电声转换和声电转换，每对叉指换能器包括输入换能器和输出换能器，所述反射栅用于反射回在基底上传递的声表面波。

进一步，所述阅读器包括接收机、发射机和FPGA芯片，所述接收机包括接收天线、自动增益控制单元AGC和模/数转换器ADC，所述接收天线接收数字信号，依次通过自动增益控制单元AGC、模/数转换器ADC处理后输入到FPGA芯片中进行信号处理，所述发射机包括发射天线和上变频芯片，所述上变频芯片将信号以射频信号的方式输出，通过发射天线发送基带脉冲信号。

进一步，所述接收机还包括ADC采样单元、数字控制振荡器NCO和有限长单位冲激响应滤波器FIR，所述ADC采样单元进行带通采样实现一次下变频，所述数字控制振荡器NCO用于，产生两路正交的正弦样本信号和余弦样本信号，所述正弦样本信号和余弦样本信号分别与ADC采样信号叠加后依次通过有限长单位冲激响应滤波器FIR和平方处理后解调输出，所述经过ADC采样单元采样后的数据在FPGA中进行二次下变频后再进行非相干解调。

进一步，所述声表面波传感器的基底为YZ切铌酸锂LiNbO3晶体或石英晶体。

进一步，在基底上制成叉指换能器的方法为半导体集成电路平面工艺，所述ADC采样芯片采用AD9254。

本发明的优点在于：本发明采用结合时延测量和相位测量的解调，虽然最初利用的是时延的测量，但是由于时延、位相和被测量的对应关系，实质利用了相位的精确解调优势，解调过程计算量很小，便于在FPGA中实现，在声表面波(SAW)传感器中，提高了解调精度。解决了延迟线型(SAW)波传感器相位解调过程中相位模糊问题。实验分析表明，利用该方法温度检测精度可达0.5℃，检测范围至少在0℃～50℃范围，说明结合时延和相位测量进行解调的确可克服相位模糊问题。

本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为延迟线型SAW芯片结构图；

图2为传感器系统结构；

图3为矢量分析仪测出的SAW芯片回波信号；

图4为阅读器分系统框图；

图5为接收机结构；

图6为带通采样后的频谱搬移；

图7为从硬件电路中得到的延迟型SAW芯片的回复信号；

图8为初始时延差和信号频率对相位测量的影响；

图9为相位差、时延差和被测量的关系；

图10为相位差与温度的关系图；

图11为时延差、相位差与温度的关系图。

图中，11为叉指换能器，12为第一反射栅，13为第二反射栅，14为第三反射栅，21为阅读器，22为无线电波，23为标签天线，24为声表面波射频芯片，25为声表面波，31为FPGA芯片，32为ADC转换，33为自动增益控制AGC，34为上变频芯片，35为发射天线，36为接收天线，41为ADC采样，42为数控振荡器NCO，43为有限长单位冲激响应滤波器FIR。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为延迟线型SAW芯片结构图；图2为传感器系统结构；图3为矢量分析仪测出的SAW芯片回波信号；图4为阅读器分系统框图；图5为接收机结构；图6为带通采样后的频谱搬移；图7为从硬件电路中得到的延迟型SAW芯片的回复信号；图8为初始时延差和信号频率对相位测量的影响；图9为相位差、时延差和被测量的关系；图10为相位差与温度的关系图；图11为时延差、相位差与温度的关系图。

本发明提供的提高延迟线型声表面波传感器检测精度的方法，包括以下步骤：

步骤1：确定时延和位相随被测温度的变化对应关系，

图1为延迟线型SAW芯片结构图，其中叉指换能器11，反射栅包括第一反射栅12、第二反射栅13和第三反射栅14，信号由叉指换能器11到第一反射栅12、第二反射栅13和第三反射栅14，后经反射后再回到叉指换能器11的时延分别为τ₁、τ₂和τ₃，与时延相对应的相位值分别为φ₁、φ₂和φ₃。

被测温度变化导致基底变形所引起的总延迟时间与被测温度T之间的关系，通过以下公式来表达：

τ_T＝τ_T0[1+α·(T-T₀)]

其中，τ_T0为初始温度为T₀时两个反射栅之间的时延差，α为基底材料的温度敏感系数，τ_T表示温度为T时反射栅间的时延差，τ₂₁₀表示温度为T₀时第一反射栅和第二反射栅之间的时延差，τ₂₁为温度为T时第一反射栅和第二反射栅之间的时延差；

所述延迟线型声表面波传感器的时延和位相随被测温度的变化对应关系，通过以下公式来表达：

其中，φ₂₁为温度为T时第一反射栅和第二反射栅之间的相位差，f为信号频率，τ₂₁₀表示温度为T₀时反射栅之间的时延差，T₀表示初始温度，T表示被测温度；当温度发生变化时，反射栅之间的时延差和相位差会发生变化，通过测定信号的时延和相位变化，就可测得相应的被测量变化。

步骤2：然后建立起时延差和相位差与被测温度间的对应关系；

所述时延差随被测温度变化所产生的变化量通过以下公式来确定：

Δτ₂₁＝-τ₂₁₀α·(T-T₀)

所述相位差随被测温度变化所产生的变化量通过以下公式来确定：

其中，Δτ₂₁为时延差随被测温度变化所产生的变化量，Δφ₂₁为相位差随被测温度变化所产生的变化量；

步骤3：确定相位差与被测温度间的对应关系；所述实际被测温度通过以下公式来计算：

T＝T₁+n·ΔT

其中，T₁表示被测温度值，ΔT表示被测温度变化量，n表示相位变化的周期数。

作为上述实施例的进一步改进，所述步骤1中的初始温度为T₀时和被测温度为T时的时延差通过以下公式来表达：

τ₂₁＝τ₂₁₀[1+α·(T-T₀)]

其中，τ₂₁表示被测温度为T时反射栅之间的时延差。

作为上述实施例的进一步改进，所述T1通过以下公式来计算：

作为上述实施例的进一步改进，所述相位变化的周期数通过以下公式来计算：

$n=\left[\frac{{\mathrm{\Δ\τ}}_{21}}{T_X}\right]$

其中，T_X表示信号周期，[]表示取整。

作为上述实施例的进一步改进，所述被测温度变化ΔT时通过以下公式来确定：

$\mathrm{\ΔT}=-\frac{T_X}{{\mathrm{\τ}}_{210}\mathrm{\α}}.$

本发明提供的提高延迟线型声表面波传感器检测精度的系统，包括SAW传感器和阅读器21，所述阅读器21用于向SAW传感器发射射频信号和接收回波信号，这中信号为无线电波22，所述SAW传感器包括基片、阵列叉指换能器11和反射栅，所述SAW传感器以压电晶体作为传感器的基底，所述基底上设置有至少一对并行的阵列叉指换能器11，用于负责完成信号的电声转换和声电转换，每对叉指换能器包括输入换能器和输出换能器，所述反射栅用于反射回在基底上传递的声表面波25。

当标签天线23接收到外界的无线电磁波信号时，将无线电信号传输到叉指换能器11；当标签天线23接收到叉指换能器11的无线电磁波信号时，将其发射出去。

叉指换能器11负责完成信号的电声转换和声电转换。当外界的电磁波信号通过标签天线23到达叉指换能器11时，通过叉指换能器11的逆压电效应将电磁波转化为声表面波，沿着基片表面传播；当叉指换能器11接收到反射栅反射回的声表面波信号时，通过叉指换能器11的压电效应将声表面波转化为电磁波，通过标签天线23发射出去。

声表面波为一种仅沿着物体表面传播的一种弹性波。反射栅是使用与叉指换能器相同的一种材料做成的栅条，当声表面波传播到反射栅时，反射栅会将一部分声表面波反射回去，一部分声表面波继续向前传播。FPGA芯片31负责原始信号的产生和信号的后续处理。上变频芯片用于将原始信号变为射频信号。数控振荡器NCO42，产生两路正交的正弦和余弦样本。无源无线的SAW传感器采用如图2所示的原理。传感器采用延迟线反射栅结构，以128°铌酸锂压电材料为基片，利用半导体平面工艺，将换能器和反射栅制作在该基片上。利用矢量分析仪测出的声表面波射频芯片24回波信号如图3所示。阅读器21采用如图4所示的结构。在图5中，发射机发送端的基带脉冲，采用上变频芯片34实现输出射频信号。接收机采用数字方式，ADC进行带通采样实现一次下变频，采样芯片采用AD9254，最高可达150MSPS，本方案用125M对915M载波的信号进行带通采样，对40ns的脉冲5倍过采样。ADC采样41后的频谱搬移如图6所示。

作为上述实施例的进一步改进，所述阅读器包括接收机、发射机和FPGA芯片，所述接收机包括接收天线36、自动增益控制单元AGC33和模/数转换器ADC转换32，所述接收天线接收数字信号，依次通过自动增益控制单元AGC33、模/数转换器ADC转换32处理后输入到FPGA芯片中进行信号处理，所述发射机包括发射天线35和上变频芯片34，所述上变频芯片将信号以射频信号的方式输出，通过发射天线发送基带脉冲信号。

作为上述实施例的进一步改进，所述接收机还包括ADC采样单元41、数字控制振荡器NCO42和有限长单位冲激响应滤波器FIR43，所述ADC采样单元进行带通采样实现一次下变频，所述数字控制振荡器NCO42用于，产生两路正交的正弦样本信号和余弦样本信号，正弦样本信号用图4中I路表示，余弦样本信号用图4中Q路表示，所述正弦样本信号和余弦样本信号分别与ADC采样信号叠加后依次通过有限长单位冲激响应滤波器FIR和平方处理后解调输出，所述经过ADC采样单元采样后的数据在FPGA中进行二次下变频后再进行非相干解调。

作为上述实施例的进一步改进，所述声表面波传感器的基底为YZ切铌酸锂LiNbO3晶体或石英晶体。

作为上述实施例的进一步改进，在基底上制成叉指换能器的方法为半导体集成电路平面工艺，所述ADC采样芯片采用AD9254。

图6带通采样后的频谱搬移，对采样后的数据在FPGA芯片中进行二次下变频，再进行非相干解调。

解调后得到的信号波形如图7所示，与图2矢量分析仪测出的SAW芯片回波信号很相似，说明阅读器分系统的方案具有可行性。图7为从硬件电路中得到的延迟型SAW芯片的回复信号，建立了传感器系统，讨论了初始时延差和频率对被测量的影响，其结果如图8所示。

由图8可以看出，当信号频率f不变，初始时延差τ₂₁₀变大时，相位差φ₂₁的变化率就会变大，这就相应的提高了相位检测的精度。但与此同时，在相同的温度范围内，相位模糊问题更加严重。当初始时延差τ₂₁₀变大时，时延差τ₂₁变化率也会增大，在相同的温度范围内，时延差τ₂₁的变化范围就会变小，这样就会增大时延差检测的难度，变相的增加了时延检测的精度。所以，在相位检测精度达到要求的情况下，我们应当尽量减小初始时延差τ₂₁₀，从而降低时延检测的精度要求，使系统更加容易实现。

由图8还可以看出，当初始时延差τ₂₁₀不变，信号频率f变大时，相位检测的精度会提高，故在时延差测量精度的范围内，应该尽可能的提高信号频率f，从而提高被测量检测的精度。与此同时，频率f变大使得相位模糊问题更加严重，故在相位检测精度满足要求的前提下，就可以尽量降低信号频率f，从而可以减小时延差测量的精度要求，降低系统测量的难度。

因此我们提出了结合时延测量和相位测量的解调思路：首先寻找位相随时延的变化对应关系；然后建立起为位相和被测温度间的对应关系，最后得到时延随测温度间的对应关系。虽然最初利用的是时延的测量，但是由于时延、位相和被测量的对应关系，实质利用了相位的精确解调优势，解调过程计算量很小，便于在FPGA芯片中实现。

利用该SAW传感器系统，实现了温度的大量程高精度的测量。图9是由实验得到的相位差、时延差和被测温度间的关系。由图可知，结合时延差τ₂₁和相位差φ₂₁的测量，我们就可以精确确定对应的温度。为了保证实时性，解调算法在FPAG中实现。实验中，SAW器件有三个反射栅，其中心频率为925MHz，该器件，温度敏感系数α＝-70ppm/℃。实验测试结果如图10所示。

图10中，横坐标表示被测量温度，纵坐标表示相位差。由此可见，相位差与温度在一定范围内也成线性关系，当温度变化超过29.27℃时，就会出现相位模糊。

在图11中，实线表示真值，小黑点表示测量值。为了清晰看出解调精度，我们仅给出了真值在0℃-50℃范围内的数据，实际测量范围会更大。由图可见，随着温度的升高，测量值基本在每个变化的真值温度上下波动。数据统计表明，不同真值温度的标准方差是一个随机量，最高为0.5℃。

在声表面波(SAW)传感器中，提高解调精度是关键技术之一。本专利讨论了延迟线型(SAW)波传感器相位解调过程中相位模糊问题，提出了一种新颖的的解决方法法。实验分析表明，利用该方法温度检测精度可达0.5℃，检测范围至少在0℃～50℃范围，说明结合时延和相位测量进行解调，的确可克服相位模糊问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.提高延迟线型声表面波传感器检测精度的方法及系统，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：确定时延和位相随被测温度的变化对应关系；

所述延迟线型声表面波传感器的时延与被测温度T之间的关系，通过以下公式来表达：

τ_T＝τ_T0[1+α·(T-T₀)]

其中，τ_T0表示初始温度为T₀时两个反射栅之间的时延差，α为基底材料的温度敏感系数，τ_T表示温度为T时反射栅间的时延差，τ₂₁₀表示温度为T₀时反射栅之间的时延差，τ₂₁表示温度为T时反射栅之间的时延差；

所述延迟线型声表面波传感器的时延和位相随被测温度的变化对应关系，通过以下公式来表达：

其中，φ₂₁表示温度为T时反射栅之间的相位差，f为信号频率，τ₂₁₀表示温度为T₀时反射栅之间的时延差，T₀表示初始温度，T表示被测温度；

步骤2：建立时延差和相位差与被测温度间的对应关系；

所述时延差随被测温度变化所产生的变化量通过以下公式来确定：

Δτ₂₁＝-τ₂₁₀α·(T-T₀)

所述相位差随被测温度变化所产生的变化量通过以下公式来确定：

其中，Δτ₂₁为时延差随被测温度变化所产生的变化量，Δφ₂₁为相位差随被测温度变化所产生的变化量；

步骤3：确定相位差与被测温度间的对应关系；

所述实际被测温度通过以下公式来计算：

T＝T₁+n·ΔT，

其中，T₁表示表示被测温度值，ΔT表示被测温度变化量，n表示相位变化的周期数。

2.根据权利要求1所述的提高延迟线型声表面波传感器检测精度的方法，其特征在于：所述步骤1中的初始温度为T₀时和被测温度为T时的时延差通过以下公式来表达：

τ₂₁＝τ₂₁₀[1+α·(T-T₀)]

其中，τ₂₁表示被测温度为T时反射栅之间的时延差。

3.根据权利要求1所述的提高延迟线型声表面波传感器检测精度的方法，其特征在于：所述T₁通过以下公式来计算：

4.根据权利要求1所述的提高延迟线型声表面波传感器检测精度的方法，其特征在于：所述相位变化的周期数通过以下公式来计算：

$n=\left[\frac{{\mathrm{\Δ\τ}}_{21}}{T_X}\right]$

其中，T_X表示信号周期，[]表示取整。

5.根据权利要求1所述的提高延迟线型声表面波传感器检测精度的方法，其特征在于：

所述被测温度变化ΔT时通过以下公式来确定：

$\mathrm{\ΔT}=-\frac{T_X}{{\mathrm{\τ}}_{210}\mathrm{\α}}.$

6.提高延迟线型声表面波传感器检测精度的系统，其特征在于：包括SAW传感器、阅读器，所述阅读器用于向SAW传感器发射射频信号和接收回波信号，所述SAW传感器包括基片、阵列叉指换能器和反射栅，所述SAW传感器以压电晶体作为传感器的基底，所述基底上设置有至少一对并行的阵列叉指换能器，用于负责完成信号的电声转换和声电转换，每对叉指换能器包括输入换能器和输出换能器，所述反射栅用于反射回在基底上传递的声表面波。

7.根据权利要求6所述的提高延迟线型声表面波传感器检测精度的系统，其特征在于：所述阅读器包括接收机、发射机和FPGA芯片，所述接收机包括接收天线、自动增益控制单元AGC和模/数转换器ADC，所述接收天线接收数字信号，依次通过自动增益控制单元AGC、模/数转换器ADC处理后输入到FPGA芯片中进行信号处理，所述发射机包括发射天线和上变频芯片，所述上变频芯片将信号以射频信号的方式输出，通过发射天线发送基带脉冲信号。

8.根据权利要求7所述的提高延迟线型声表面波传感器检测精度的系统，其特征在于：所述接收机还包括ADC采样单元、数字控制振荡器NCO和有限长单位冲激响应滤波器FIR，所述ADC采样单元进行带通采样实现一次下变频，所述数字控制振荡器NCO用于，产生两路正交的正弦样本信号和余弦样本信号，所述正弦样本信号和余弦样本信号分别与ADC采样信号叠加后依次通过有限长单位冲激响应滤波器FIR和平方处理后解调输出，所述经过ADC采样单元采样后的数据在FPGA中进行二次下变频后再进行非相干解调。

9.根据权利要求8所述的提高延迟线型声表面波传感器检测精度的系统，其特征在于：所述声表面波传感器的基底为YZ切铌酸锂LiNbO3晶体或石英晶体。

10.根据权利要求9所述的提高延迟线型声表面波传感器检测精度的系统，其特征在于：在基底上制成叉指换能器的方法为半导体集成电路平面工艺，所述ADC采样芯片采用AD9254。

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