CN102403981A - 谐振型声表面波无源无线阵列传感系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明属于声表面波传感技术领域，具体涉及一种谐振型声表面波无源无线阵列传感系统，系统包括信号发射接收处理单元、分布在相同或不同空间位置的多个传感器单元，每个传感器单元包括谐振型声表面波传感器、与每个谐振型声表面波传感器相配置的匹配回路、与匹配回路相连接并包括有射频编码开关的射频编码开关单元、与射频编码开关单元相连接的传感天线；信号发射接收处理单元负责发射一定频带内载波信号、控制射频编码开关导通或断开状态、并检测声表面波谐振器的回波频率特性。本系统既保留了谐振型无源无线传感器作用距离远的优点，又克服突破谐振型无源无线传感器不能大规模编码的缺点。

Description

谐振型声表面波无源无线阵列传感系统及其方法

技术领域

本发明属于声表面波传感技术领域，具体涉及一种谐振型声表面波无源无线阵列传感系统及其方法。

技术背景

在物联网和智能电网高速发展的今天，为了实时诊断和检测感知对象，传感器被广泛应用。声表面波传感器是上世纪八十年代以来发展起来的新型传感器，可以广泛的应用于监测温度、压力、应力、应变、加速度、流量等物理参量，也可以在敏感元件（声表面波谐振器）基片上，对声表面波传播路径覆盖选择性的化学吸附膜、生物膜来监测相应的物理及化学参量、生物参量。

现有的无源无线测温方案可以分为两类：基于延迟型传感器的无源无线测温系统和基于谐振型传感器的无源无线测温系统。

延迟型主要是利用激励信号与接收信号在时间上的时延或相位上的变化进行测量的。当外界被检测量发生变化时，将影响时延或相位。检测出该时延，就可感知被测量的大小。编码延迟线便于对多个传感器进行识别，但由于延迟线型传感器不能有效控制电-声-电转换过程中内在损耗，导致延迟线传感器的无线传输距离非常近。

谐振型声表面波传感器在一个或多个叉指换能器（IDT）的左右两边对称分布等间距的反射栅阵，形成谐振腔。由于谐振的特点，该传感器仅仅响应与谐振器固有频率相同或接近的激励信号，因此，可利用声表面波谐振器良好的频率选择性直接测量反映器件固有频率的谐振频率，从而感知被测量的大小。由于受频率资源及高频电路控制频率带宽的限制，谐振型声表面波传感器难以做到大规模阵列编码传感。

近期还出现了一种谐振编码型声表面波器件，名称为“谐振编码型声表面波无源无线阵列传感系统”的发明专利（申请号：02113480.4）采用谐振结构加上延迟时间不同的编码延迟结构来实现阵列传感系统。谐振编码型声表面波器件解决了谐振型声表面波的大规模阵列传感的问题，但是相比于谐振型声表面波器件，谐振编码型的声表面期间的频率选择性变差，传感器测量精度变差，而且声表面波具有更大散射损耗，传输损耗，无线作用距离变近。

发明内容

本发明的发明目的之一为：针对现有技术存在的问题，提出一种谐振型声表面波无源无线阵列传感系统，该系统不仅有谐振型无源无线传感器作用距离远的优点，传感信息精度高，而且可以实现大规模编码阵列传感。

本发明的发明目的之二为：针对现有技术存在的问题，提出一种谐振型声表面波无源无线阵列传感方法，该方法不仅有谐振型无源无线传感器作用距离远的优点，传感信息精度高，而且可以实现大规模编码阵列传感。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种谐振型声表面波无源无线阵列传感系统，其不同之处在于：包括信号发射接收处理单元、分布在相同或不同空间位置的多个传感器单元，每个传感器单元包括谐振型声表面波传感器、与每个谐振型声表面波传感器相配置的匹配回路、与匹配回路相连接并包括有射频编码开关的射频编码开关单元、与射频编码开关单元相连接的传感天线；每个射频编码开关均对应一个唯一的装置识别码；谐振型声表面波传感器的谐振频率分布在相同或不同的频率点；信号发射接收处理单元用于发射一定频带的包含有识别码和导通开关指令的载波信号来遥控与相应识别码对应的射频编码开关处于导通或断开状态，并检测该谐振型声表面波传感器的回波频率特性从而选择读取相应空间位置谐振型声表面波传感器的传感信号。

按以上方案，所述射频编码开关单元包括信号解调子单元、装置识别码存储子单元、识别码判别子单元、开关控制子单元及射频微开关；信号解调子单元用于接收来自信号发射接收处理单元发出的载波信号；信号解调子单元用于将载波信号解调成识别码、控制指令码和校验码后送至识别码判别子单元；识别码判别子单元用于判别识别码是否与装置识别码存储子单元存储的识别码一致；开关控制子单元用于执行控制指令码的相应动作以及向射频编码开关输出控制信号。

按以上方案，所述匹配回路为无源阻抗匹配器。

按以上方案，所述射频编码开关为射频微开关。

谐振型声表面波无源无线阵列传感方法，其不同之处在于：其依次包括以下步骤：

步骤1）、初始状态：所有传感器单元的射频编码开关置为断开；

步骤2）、信号发射接收处理单元发射包含有识别码和导通开关指令的载波信号，相应装置识别码的射频编码开关置为导通；

步骤3）、信号发射接收处理单元发射一宽频射频信号，经步骤2导通的射频编码开关对应的谐振型声表面波传感器接收宽频信号，然后反射带有传感信息的窄带回波信号；

步骤4）、信号发射接收处理单元接收带有传感信息的窄带回波信号；然后再次发射载波信号，该载波信号包含已导通射频编码开关的相同识别码及断开控制指令，将已导通射频编码开关重新置为断开，并且信号发射接收处理单元对窄带回波信号中包含的传感信息进行解析处理；

步骤5）、转至步骤2，信号发射接收处理单元轮询式发射包含有下一条识别码和导通控制指令的载波信号。

按以上方案，所述射频开关状态的设置方法具体如下：首先传感器天线接收信号发射接收处理单元的载波信号；然后信号解调子单元将载波信号解调成识别码、控制指令码和校验码后送至识别码判别子单元；识别码判别子单元判别接收到的识别码是否与装置识别码存储子单元存储的识别码一致；若一致则开关控制子单元执行控制指令码，置射频编码开关为导通或者断开；如果不一致，射频编码开关不动作。

本发明的总体构思是：用作传感器的谐振型声表面波传感器依次经匹配回路、射频编码开关单元和天线连接，初始条件下所有的射频编码开关都置为“断”状态，信号发射接收处理单元发射包含有识别码和指令控制码的载波信号，相应识别码的射频编码开关状态被置为“通”，信号发射接收处理单元又发射一宽频带的射频信号，射频编码开关被置为“通”的谐振器反射一包含有传感信息的射频信号，此带有传感信息的射频信号经过放大、滤波、AD转换等转换成我们感兴趣的物理参量信号，最后信号发射接收处理单元再发射同一识别码的载波信号，将第一步置为“通”的射频编码开关置回“断”状态，到此一个传感信息查询循环完成，然后信号发射接收处理单元轮询式发射包含有下一条识别码和导通控制指令的载波信号。

本射频编码开关控制谐振型声表面波无源无线阵列传感系统包括传感部分、射频编码开关部分和信号查询、接收和处理部分。其中传感器部分是由谐振频率分布可以相同也可以不同的频率点上的多个谐振型声表面波传感器，放置在相同或者不同的空间位置，各个传感器可以用于测量相同或者不同的被传感量。该系统及其方法用于无线信号查询控制及非接触获取、处理多个或阵列传感信号。本系统既保留了谐振型无源无线传感器作用距离远的优点，又克服突破谐振型无源无线传感器不能大规模编码的缺点。

附图说明

    图1为单个射频编码开关控制谐振型声表面波传感器构成图；

图2为谐振型声表面波谐振器结构图；

图3为射频编码开关控制单元构成图；

图4为射频编码开关控制流程图；

图5为信号发射接收处理单元的电路框图；

图6为射频编码开关控制谐振型声表面波阵列传感系统示意图；

图7为射频编码开关控制谐振型声表面波无源无线阵列传感系统传感信息查询的逻辑循环图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明具体实施方式。

如图1所示每一个传感器单元均由谐振型声表面波传感器、匹配回路、射频编码开关控制单元和传感天线相连构成。谐振型声表面波传感器的结构如图2所示。射频编码开关控制单元由信号解调子单元、装置识别码存储子单元、识别码判别子单元、开关控制子单元及射频微开关组成，如图3所示。射频编码开关控制单元在接收到信号发射接收处理单元的载波信号后，首先经过信号解调子单元解调装置识别码、控制指令码和校验码，再经过判别识别码子单元判别是否与装置识别码吻合，若吻合则开关控制子单元执行控制指令码的相应动作，置射频为开关为“通”或者“断”，射频编码开关控制单元控制流程如图4所示。

进一步说，如图1所示，一种谐振型声表面波无源无线阵列传感系统，其不同之处在于：包括信号发射接收处理单元、分布在相同或不同空间位置的多个传感器单元，每个传感器单元包括谐振型声表面波传感器、与每个谐振型声表面波传感器相配置的匹配回路、与匹配回路相连接并包括有射频编码开关的射频编码开关单元、与射频编码开关单元相连接的传感天线；每个射频编码开关均对应一个唯一的装置识别码；谐振型声表面波传感器的谐振频率分布在相同或不同的频率点；信号发射接收处理单元用于发射一定频带的包含有识别码和导通开关指令的载波信号来遥控与相应识别码对应的射频编码开关处于导通或断开状态，并检测该谐振型声表面波传感器的回波频率特性从而选择读取相应空间位置谐振型声表面波传感器的传感信号。

优选的，所述匹配回路为无源阻抗匹配器。

优选的，所述射频编码开关为射频微开关。

如图2所示，谐振型声表面波谐振器结构包括插指换能器1、反射栅2及铁电基底3，反射栅2分布在插指换能器1的两侧。

如图3所示，所述射频编码开关单元包括信号解调子单元、装置识别码存储子单元、识别码判别子单元、开关控制子单元及射频微开关；信号解调子单元用于接收来自信号发射接收处理单元发出的载波信号；信号解调子单元用于将载波信号解调成识别码、控制指令码和校验码后送至识别码判别子单元；识别码判别子单元用于判别识别码是否与装置识别码存储子单元存储的识别码一致；开关控制子单元用于执行控制指令码的相应动作以及向射频微开关输出控制信号。

如图7所示，一种谐振型声表面波无源无线阵列传感方法，其依次包括以下步骤：

步骤1）、初始状态：所有传感器单元的射频编码开关置为断开；

步骤2）、信号发射接收处理单元发射包含有识别码和导通开关指令的载波信号，相应装置识别码的射频编码开关置为导通；

步骤3）、信号发射接收处理单元发射一宽频射频信号，经步骤2导通的射频编码开关对应的谐振型声表面波传感器接收宽频信号，然后反射带有传感信息的窄带回波信号；

步骤4）、信号发射接收处理单元接收带有传感信息的窄带回波信号；然后再次发射载波信号，该载波信号包含已导通射频编码开关的相同识别码及断开控制指令，将已导通射频编码开关重新置为断开，并且信号发射接收处理单元对窄带回波信号中包含的传感信息进行解析处理；

步骤5）、转至步骤2，信号发射接收处理单元轮询式发射包含有下一条识别码和导通控制指令的载波信号。

如图4所示，所述射频开关状态的设置方法具体如下：首先传感器天线接收信号发射接收处理单元的载波信号；然后信号解调子单元将载波信号解调成识别码、控制指令码和校验码后送至识别码判别子单元；识别码判别子单元判别接收到的识别码是否与装置识别码存储子单元存储的识别码一致；若一致则开关控制子单元执行控制指令码，置射频编码开关为导通或者断开；如果不一致，射频编码开关不动作。

本系统的信号发射接收处理单元的电路框图如图5所示，它由计算机（中央处理器）接口连接一个可调本振，该可调本振依次连接功率放大器，调制控制单元，接收发送开关和天线，发送查询信号；查询信号的回波经由天线和发送接收开关、滤波器、射频放大器、鉴频器和A/D转换器后接入计算机（中央控制器）输出显示信号。

信号发射接收处理单元与多个射频编码开关控制谐振型声表面波传感器配合构成了射频编码开关控制谐振型声表面波阵列传感系统如图6所示。信号发射接收处理单元通过无线载波控制，保证任何时刻多个射频编码开关中只有一个开关处于“通”状态，达到选定读取特定谐振型声表面波传感器传感信息的目的。通过轮询达到读取整个阵列传感器传感信息的目的。整个射频编码开关控制谐振型声表面波无源无线阵列传感系统传感信息查询的逻辑循环如图7所示。

实施例1：空间上离散分布的多个射频编码开关控制谐振型声表面波无源无线温度传感器实现对变电站电容器组阵列的温度检测。

采用图1、图2、图3、图5和图6所示的结构，选用谐振频率分布在业余无线段433MHz的声表面波谐振器作为温度敏感元件。测量温度在-12摄氏度至120摄氏度之间变化，将引起谐振器谐振频率在1.3MHz内变化，因此发射频率区间为432MHz-434MHz。信号发射接收处理单元的天线选择平板倒F天线，传感器天线选择小型螺旋天线，作用距离超过3米。谐振器选择用100个相同声表面波谐振器。可调本振可以通过DDS或者VCO实现，依据图7传感信息查询逻辑，依次查询100个电容器的温度。

实施例2：空间上离散分布的多个射频编码开关控制谐振型声表面波无源无线压力传感器实现对大型长途货车胎压的监测。

大型长途货车的轮胎数目肯定在6个以上，相邻轮胎的间距最大可以超过两米，为了达到能够实时监测胎压，保证货车行车安全的目的，可以在每个轮胎上安装射频编码开关控制谐振型声表面波无源无线压力传感器，信息发射出来单元发射天线为平板天线置于货车底盘上，采用图1、图2、图3、图5和图6所示的结构，谐振频率可以选定为433MHz，依据图7传感信息查询逻辑，依次查询每个的轮胎的胎压。

其中传感器部分是由谐振频率分布可以相同也可以不同的频率点上的多个谐振型声表面波传感器，放置在相同或者不同的空间位置，各个传感器可以用于测量相同或者不同的被传感量。其中传感器部分是由谐振频率分布可以相同也可以不同的频率点上的多个谐振型声表面波传感器，放置在相同或者不同的空间位置，各个传感器可以用于测量相同或者不同的被传感量。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.谐振型声表面波无源无线阵列传感系统，其特征在于：包括信号发射接收处理单元、分布在相同或不同空间位置的多个传感器单元，每个传感器单元包括谐振型声表面波传感器、与每个谐振型声表面波传感器相配置的匹配回路、与匹配回路相连接并包括有射频编码开关的射频编码开关单元、与射频编码开关单元相连接的传感天线；每个射频编码开关均对应一个唯一的装置识别码；谐振型声表面波传感器的谐振频率分布在相同或不同的频率点；信号发射接收处理单元用于发射一定频带的包含有识别码和导通开关指令的载波信号来遥控与相应识别码对应的射频编码开关处于导通或断开状态，并检测该谐振型声表面波传感器的回波频率特性从而选择读取相应空间位置谐振型声表面波传感器的传感信号。

2.如权利要求1所述的谐振型声表面波无源无线阵列传感系统，其特征在于：所述射频编码开关单元包括信号解调子单元、装置识别码存储子单元、识别码判别子单元、开关控制子单元及射频微开关；信号解调子单元用于接收来自信号发射接收处理单元发出的载波信号；信号解调子单元用于将载波信号解调成识别码、控制指令码和校验码后送至识别码判别子单元；识别码判别子单元用于判别识别码是否与装置识别码存储子单元存储的识别码一致；开关控制子单元用于执行控制指令码的相应动作以及向射频编码开关输出控制信号。

3.如权利要求1所述的谐振型声表面波无源无线阵列传感系统，其特征在于：所述匹配回路为无源阻抗匹配器。

4.如权利要求1或2或3所述的谐振型声表面波无源无线阵列传感系统，其特征在于：所述射频编码开关为射频微开关。

5.一种谐振型声表面波无源无线阵列传感方法，其特征在于：其依次包括以下步骤：

步骤1）、初始状态：所有传感器单元的射频编码开关置为断开；

步骤2）、信号发射接收处理单元发射包含有识别码和导通开关指令的载波信号，相应装置识别码的射频编码开关置为导通；

步骤3）、信号发射接收处理单元发射一宽频射频信号，经步骤2导通的射频编码开关对应的谐振型声表面波传感器接收宽频信号，然后反射带有传感信息的窄带回波信号；

步骤4）、信号发射接收处理单元接收带有传感信息的窄带回波信号；然后再次发射载波信号，该载波信号包含已导通射频编码开关的相同识别码及断开控制指令，将已导通射频编码开关重新置为断开，并且信号发射接收处理单元对窄带回波信号中包含的传感信息进行解析处理；

步骤5）、转至步骤2，信号发射接收处理单元轮询式发射包含有下一条识别码和导通控制指令的载波信号。

6.如权利要求5所述的谐振型声表面波无源无线阵列传感方法，其特征在于：所述射频开关状态的设置方法具体如下：首先传感器天线接收信号发射接收处理单元的载波信号；然后信号解调子单元将载波信号解调成识别码、控制指令码和校验码后送至识别码判别子单元；识别码判别子单元判别接收到的识别码是否与装置识别码存储子单元存储的识别码一致；若一致则开关控制子单元执行控制指令码，置射频编码开关为导通或者断开；如果不一致，射频编码开关不动作。

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