CN103557956A - 无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器，在叉指换能器的左侧布局3-5个包含温度信息反射器，右侧布局2-4个包含压力和温度信息的反射器，故当左侧包含温度信息的三个反射器中有任意一个反射器工作不正常或者产生的脉冲受到环境噪声和电磁干扰时，都不会影响温度点的正常温度输出。同理，当右侧响应温度和压力变化的两个反射器中有任意一个反射器工作不正常或者产生的脉冲受到环境噪声和电磁干扰时，经过温度相位补偿后，都不会影响压力点的正常压力输出。

Description

无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器

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。

背景技术

由于声表面波无源无线传感器具有非接触、快速、无电源、抗干扰、易编码、保密性好、成本低等优点，目前已广泛应用于许多领域。由它构成的传感器阵列，传感元之间可无信号线连接，阵列输出也无需引线连接，分布更容易，应用不受限制，特别适合一些应用环境复杂，不宜接触的工程结构和环境的遥测、传感和目标识别等领域。

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。针对上述缺陷，公告号为CN101251599B的发明专利公开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。

如图1所示，上述传感器在进行温度和压力值检测时，第一反射器B2检测温度，第二反射器B3检测压力，参考反射器B1 的反馈信号通过与第一反射器的反馈信号和第二反射器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。由于声表面波延迟线型传感器工作频率属于国家规定的工业控制频率段，且其不能抗环境噪声和强电磁干扰，实际应用时，除了环境噪声外还有各种其他无线干扰窄带信号，例如对讲机在433MHz附近存在强的电磁干扰。如果强电磁干扰和声表面波温度传感器的信号同频率，这样当声表面波延迟线型传感器中有一个或者多个反射器相位响应受环境噪声和电磁干扰影响等，即反射器产生的脉冲受到屏蔽或损耗较大，不足以从反馈时域信号中提取正常的反射峰对应的时域时延/相位响应，都会影响目前声表面波延迟线型传感器输出正确的检测结果，致使读写器最终无法正常接收传感信号。

发明内容

本发明提出一种无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器，以解决现有声表面波延迟线型传感器抗环境噪声和电磁干扰能力差的问题，其技术方案如下： 

一种无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器，包括：叉指换能器，用于向两个方向上发射相同的能量；位于叉指换能器两侧的反射器，用于检测叉指换能器发射的能量；压电基片，用于传导所述叉指换能器向各反射器发射的能量；其中，位于叉指换能器左侧的反射器的个数为3-5个，位于叉指换能器左侧的反射器的个数为2-4个。

进一步地，所述反射器孔径大小和布局如下：位于叉指换能器左侧的反射器中，最左端的反射器孔径与叉指换能器孔径相等或为其一半，其他反射器的孔径为叉指换能器孔径的一半，且错开设置；位于叉指换能器右侧的反射器中，最右端的反射器孔径与叉指换能器孔径相等或为其一半，其他反射器的孔径为叉指换能器孔径的一半，且错开设置。

进一步地，位于叉指换能器左侧的反射器的个数为3个：第一、第二、第三反射器依次远离所述叉指换能器，其中，第三反射器的孔径与叉指换能器的孔径中心在一条直线上，第一、第二反射器的孔径中心分别与叉指换能器孔径的下1/4处与上1/4处在一条直线上；位于叉指换能器右侧的反射器的个数为2个：第四、第五反射器依次远离所述叉指换能器，其中，第五反射器的孔径与叉指换能器孔径相等，且第五反射器的孔径中心与叉指换能器孔径在一条直线上，第四反射器的孔径中心与叉指换能器孔径的下1/4处在一条直线上。

进一步地，所述压电基片的两端涂覆有吸声胶。

进一步地，所述压电基片的材质为铌酸锂、钽酸锂、石英晶体或者硅酸镓镧晶体。

进一步地，所述压电基片为YZ LiNbO3压电材料，所述第一反射器与叉指换能器之间的距离为2400um，所述第二反射器与叉指换能器之间的距离为4000um，所述第三反射器与叉指换能器之间的距离为5600um，所述第四反射器与叉指换能器之间的距离为7200um，所述第五反射器与叉指换能器之间的距离为8800um。

进一步地，所述叉指反射器的电极和反射器的电极的材质为铝、铜、铂、铱或者金。

进一步地，所述压电基片的膜厚为0.2um。

进一步地，所述反射器的指条对数皆为10-50对，且反射器皆为短路状态。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果如下： 

1、本发明在叉指换能器的左侧布局3-5个包含温度信息反射器，右侧布局2-4个包含压力和温度信息的反射器，由于相位与待测物理量温度和压力具有一定的对应关系，因而，通过任意两个包含温度信息的反射器相位响应的相位差，可以得到温度点的温度；任意一个包含压力信息的反射器相位响应，经过温度相位补偿后，同理可以得到压力点的压力。故当左侧包含温度信息的三个反射器中有任意一个反射器工作不正常或者产生的脉冲受到环境噪声和电磁干扰时，都不会影响温度点的正常温度输出。同理，当右侧响应温度和压力变化的两个反射器中有任意一个反射器工作不正常或者产生的脉冲受到环境噪声和电磁干扰时，经过温度相位补偿后，都不会影响压力点的正常压力输出。

2、本发明另外通过合理选取包含温度信息反射器及包含压力信息反射器的的孔径大小，以及对其进行合理布局，可达到反射器时域响应具有更佳的效果，即反射器产生的反馈信号损耗小。

3、本发明在压电基片两端涂覆吸声胶，可有效消除声波的边缘反射，从而降低器件边缘反射引起的时域噪声。

附图说明

图1为现有技术无线无源声表面波传感器结构示意图；

图2 为本发明实施例一无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器俯视图；

图3为本发明实施例一无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器侧视图； 

图4为本发明实施例二无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器俯视图；

图5为本发明实施例一无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器时域响应曲线；

各图中：1、叉指换能器；2、反射器；3、与天线相连的引线；4、压电基片；5、吸声胶；6、粘胶；7、压力作用点；A1、第一反射器；A2、第二反射器；A3、第三个射器；A4、第四反射器；A5、第五反射器；d1、第一反射器离叉指换能器中心距离；d2、第二反射器离叉指换能器中心距离；d3、第三反射器离叉指换能器中心距离；d4、第四反射器离叉指换能器中心距离；d5、第五反射器离叉指换能器中心距离。B1、B2、B3分别为图1中参考反射器、第一和第二反射器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细地说明。

实施例一，参考图2及图3，其中图2为本实施例无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器俯视图，图3为本实施例无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器侧视图。

如上各图所示，本实施例无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器，包括：用于向两个方向上发射相同的能量的叉指换能器1、用于检测叉指换能器发射的能量反射器2及用于传导所述叉指换能器向各反射器发射的能量的压电基片4，叉指换能器1将压电基片4分成两部分，一部分与底座通过粘胶6粘结，另一端悬空。使用时，声表面波延迟线器件接触测温点，由于热胀冷缩，导致声表面波延迟线器件反射器响应发生相位变化，从而根据测量相位的变化，得到待测温度点的温度。而测量压力，由于压力作用在声表面波器件的压电基片上，使压电基片产生微小形变，带来SAW器件反射器响应发生相位变化，从而根据测量相位的变化，再提供温度相位补偿，即可得到待测压力点的压力。

本实施例位于叉指换能器左侧包含检测温度信息的反射器2的个数为3个，通过读取单元予以评价以实现对温度的实时检测，第一反射器A1、第二反射器A2、第三反射器A3依次远离所述叉指换能器1，其中，第三反射器A3的孔径与叉指换能器1的孔径相等，且二者孔径中心在一条直线上，第一反射器A1、第二反射器A2的孔径分别为叉指换能器1孔径的一半，且二者错开设置，本实施例第一反射器A1、第二反射器A2的孔径中心分别与叉指换能器孔径的下1/4处与上1/4处在一条直线上，3个反射器产生的脉冲由图5中第一回波、第二回波和第三回波信号组成，任意两个反射器相位响应的相位差，可以得到温度点的温度。当包含温度信息的三个反射器中有任意一个反射器工作不正常或者产生的脉冲受到环境噪声和电磁干扰时，都不会影响温度点的正常温度输出。

位于叉指换能器右侧包含检测压力和温度信息的反射器2的个数为2个，通过读取单元予以评价以实现对压力的实时检测，第四反射器A4、第五反射器A5依次远离所述叉指换能器1，其中，第四反射器A4的孔径分别为叉指换能器孔径的一半，且第四反射器A4的孔径中心分别与叉指换能器孔径的下1/4处在一条直线上，第五反射器A5的孔径与叉指换能器孔径相等，且二者孔径中心在同一直线上，如此，反射回的信号更强，第五反射器A5反射脉冲效果更好，当然，第五反射器A5的孔径也可为叉指换能器孔径的一半，这样布局时，且二者错开设置。2个反射器产生的脉冲由图5中第四回波和第五回波信号组成，包含压力和温度信息的两个反射器中任意一个反射器相位，由左侧包含温度信息的正常工作的反射器相位响应提供温度相位补偿后，可以得到压力点的压力。当响应温度和压力变化的两个反射器A4、A5中有任意一个反射器工作不正常或者产生的脉冲受到环境噪声和电磁干扰时，经过温度相位补偿后，都不会影响压力点的正常压力输出。

为了使反射器的时域响应相位达到最佳，本实施例一方面对各反射器的孔径做了调整，靠近叉指换能器的两个反射器A1、A2的孔径都为叉指换能器孔径的一半，并且沿声波传播方向上以两路分布，靠近基片外侧的一个反射器A3孔径和叉指换能器孔径相同；检测压力的2个反射器A4、A5 ，沿声波传播方向上以两路分布，孔径都为叉指换能器孔径的一半；另一方面对各反射器位置距离及各部件性能参数做了进一步限定，具体地，第一反射器与叉指换能器之间的距离d1为2400um，第二反射器与叉指换能器之间的距离d2为4000um，第三反射器与叉指换能器之间的距离d3为5600um，第四反射器与叉指换能器之间的距离d4为7200um，第五反射器与叉指换能器之间的距离d5为8800um。所述压电基片为YZ LiNbO3压电材料（LiNbO3为铌酸锂的化学式，YZ LiNbO3为铌酸锂材料的一种型号），当然也可为钽酸锂、石英晶体或者硅酸镓镧晶体。基片膜厚0.2um（该厚度可保证很好的温度和压力敏感度），中心频率433MHz，SAW波长8um，指条宽度 2um，指条间隔 2um，指条长度440um，叉指换能器孔径400um，叉指换能器指条对数为55对，反射器的指条对数都为20对，反射器为短路状态，当然也可为开路状态。反射器和叉指换能器电极都为铝材料，也可为铜、铂、铱或者金，膜厚都为3000埃米。本发明实施例一时域反射系数S11的响应曲线如图5所示，5个发射峰来自于SAW反射型延迟线的５个反射器，具有较为均一的损耗与信噪比，响应时域损耗为26～28dB,第1到第5个反射峰分别来自于反射器A1到A5，第一个反射峰对应时延为1.313us，第二个反射峰对应时延为2.230us，第三个反射峰对应时延为3.148us，第四个反射峰对应时延为4.067us，第五个反射峰对应时延为4.985us。通过对上述时延信号进行处理，可提取对应温度和压力参数。从上述检测结果看，本实施例实现了较低损耗，良好的信噪比。为了消除声波的边缘反射，所述压电基片的两端涂覆有吸声胶5。

实施例二，参考图4，与实施一的不同之处在于：本实施例包含检测温度信息的反射器的个数为4个，包含检测压力和温度信息的反射器的个数为3个，当然，位于叉指换能器左右两侧的反射器的个数并不局限于上述举例，具体设置可根据抗干扰强弱及成本方面综合考虑。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器，包括：

叉指换能器，用于向两个方向上发射相同的能量；

位于叉指换能器两侧的反射器，用于检测叉指换能器发射的能量；

压电基片，用于传导所述叉指换能器向各反射器发射的能量；

其特征在于，位于叉指换能器左侧的反射器的个数为3-5个，位于叉指换能器左侧的反射器的个数为2-4个。

2.根据权利要求1所述的无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器，其特征在于：所述反射器孔径大小和布局如下：

位于叉指换能器左侧的反射器中，最左端的反射器孔径与叉指换能器孔径相等或为其一半，其他反射器的孔径为叉指换能器孔径的一半，且错开设置；

位于叉指换能器右侧的反射器中，最右端的反射器孔径与叉指换能器孔径相等或为其一半，其他反射器的孔径为叉指换能器孔径的一半，且错开设置。

3.根据权利要求2所述的无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器，其特征在于：

位于叉指换能器左侧的反射器的个数为3个：第一、第二、第三反射器依次远离所述叉指换能器，其中，第三反射器的孔径与叉指换能器的孔径中心在一条直线上，第一、第二反射器的孔径中心分别与叉指换能器孔径的下1/4处与上1/4处在一条直线上；

位于叉指换能器右侧的反射器的个数为2个：第四、第五反射器依次远离所述叉指换能器，其中，第五反射器的孔径与叉指换能器孔径相等，且第五反射器的孔径中心与叉指换能器孔径在一条直线上，第四反射器的孔径中心与叉指换能器孔径的下1/4处在一条直线上。

4.根据权利要求1-3任一项所述的无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器，其特征在于：所述压电基片的两端涂覆有吸声胶。

5.根据权利要求4所述的无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器，其特征在于：所述压电基片的材质为铌酸锂、钽酸锂、石英晶体或者硅酸镓镧晶体。

6.根据权利要求5所述的无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器，其特征在于：所述压电基片为YZ LiNbO3压电材料，所述第一反射器与叉指换能器之间的距离为2400um，所述第二反射器与叉指换能器之间的距离为4000um，所述第三反射器与叉指换能器之间的距离为5600um，所述第四反射器与叉指换能器之间的距离为7200um，所述第五反射器与叉指换能器之间的距离为8800um。

7.根据权利要求6所述的无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器，其特征在于：所述叉指反射器的电极和反射器的电极的材质为铝、铜、铂、铱或者金。

8.根据权利要求7所述的无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器，其特征在于：所述压电基片的膜厚为0.2um。

9.根据权利要求8所述的无线无源声表面波延迟线型温度和压力传感器，其特征在于：所述反射器的指条对数皆为10-50对，且反射器皆为短路状态。

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