CN104296782B - 一种增强声表面波传感信号强度的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强声表面波传感信号强度的系统及其方法，该系统包含声表面波传感模块、阅读模块和无线供电模块；无线供电模块包含电能发射单元和电能接收单元，电能发射单元与阅读模块相连，电能接收单元与声表面波传感模块相连；声表面波传感模块包含声表面波传感器、激励电路、射频放大电路、天线和储能单元；阅读模块包含射频接口单元和逻辑控制单元。本发明利用无线供电技术使得阅读模块给声表面波传感模块中的储能单元充电，进而给激励电路和射频放大电路供电，使得声表面波传感信号可以通过射频放大电路增强后传递出去，极大地提高了声表面波传感信号的强度和传输距离。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种增强声表面波传感信号强度的系统及方法。
背景技术
声表面波是在固体半空间表面存在的一种沿表面传播，能量集中于表面附近的弹性波,其声速仅为电磁波速度的十万分之一，传播损耗很小。声表面波技术最早是由英国物理学家瑞利（Rayleigh）在19世纪80 年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地表面传播的声波。声表面波器件是在压电基片上采用微电子工艺技术制造的叉指形电声换能器和反射器耦合器等，利用基片材料的压电效应，通过输入叉指换能器（IDT）将电信号转换成声信号，并局限在基片表面传播，输出IDT将声信号恢复成电信号，实现电——声——电的变换过程，完成电信号处理，获得各种用途的电子器件。采用先进微电子加工技术制造的声表面波器件具有体积小、重量轻、可靠性高、一致性好、多功能以及设计灵活等优点，在通信、电视、遥控和报警系统中已得到广泛应用。随着加工工艺的飞速发展，SAW器件的工作频率已覆盖10 MHz～2.5
GHz，是现代信息化产业不可或缺的关键元器件。
声表面波传感器工作方式分成延迟线型和谐振性，它的一个重要特性是可以通过无线无源的方式响应并反馈高频电波，声表面波传感器将被测量的变化通过声表面波敏感，传感器的工作能量来自于收发天线，阅读器发射的射频查询脉冲经传感器天线接收进入叉指换能器(Inter-digital
Transducer, IDT)，通过逆压电效应将电信号转换为声表面波信号，被测量的变化表现为声表面波谐振频率的变化并由叉指换能器转化为电磁波后再次通过无线的方式发送出去给阅读器接收回波信号。传感器的激励来自于天线获取的电磁脉冲(该脉冲由阅读器发送)。
无线供电技术即无线电能传输技术（Wireless Power Transfer Technology）又称无接触电能传输（Contactless Power Transmission，CPT）技术，早在1890 年，由著名电气工程师（物理学家）尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla) 提出。无线电能传输有以下几种实现方式：电磁感应式、电磁共振式和辐射式，其中辐射式又包括无线电波式、微波式、激光式和超声波式。2007年，美国麻省理工学院的马林索尔贾希克（Marin Soljacic）等人在无线电能传输方面取得了新进展，他们用两米外的一个电源，“隔空”点亮了一盏60瓦的灯泡。2008年12月17日成立无线充电联盟（Wireless Power
Consortium），2010年8月31日，无线充电联盟在北京正式将Qi无线充电技术引入中国。最近，有几家公司已经生产出无线充电的手机、mp3、便携式电脑、电动汽车。如：2009年，TI和Fulton（eCoupled技术）公司合作开发电源芯片用于控制非接触式充电；2010年1月，在美国CES展览会上，海尔公司推出了“无尾电视”等。
由此可见，无线供电技术可以实现在一定距离上对设备的供电机制，而对于无线无源的声表面波传感器而言，可以将该技术和传感器发射电路相结合，利用无线供电技术对传感器上的储能器件--电容充电，电容的能量提供给回波放大电路，在传感器接收到阅读器的信号后，传感器所产生的回波信号经放大电路放大以后再发送出去，这就提高了回波信号的传输距离。
现有的无线无源声表面波传感器，由于其工作的特点，经过反射栅的多次反射后声表面波会逐渐减弱，回波信号也十分微弱，这对于阅读器接收信号十分不利，衰减的信号会影响无线通信的距离，使得信号的发送距离很短，无法远距离传输。尤其对于阅读器，不仅需要足够的发射功率，还需要极高的接收灵敏度。导致阅读器制作困难，造价十分高昂。此外由于回波信号微弱对天线的方向性要求也很高，这些都对无线无源声表面传感器的实际应用带来影响。
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发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种增强声表面波传感信号强度的系统及其方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种增强声表面波传感信号强度的系统，其特征在于，包含声表面波传感模块、阅读模块和无线供电模块；
所述无线供电模块包含电能发射单元和电能接收单元，所述电能发射单元与阅读模块相连，所述电能接收单元与声表面波传感模块相连；
所述声表面波传感模块包含声表面波传感器、激励电路、射频放大电路、天线和储能单元，所述声表面波传感器通过射频放大电路与天线相连，所述激励电路与声表面波传感器相连，所述储能单元分别与激励电路、射频放大电路、电能接收单元相连；
所述阅读模块包含射频接收单元和逻辑控制单元，所述逻辑控制单元分别和射频接口单元、电能发射单元相连，所述逻辑控制单元和外部网络相连。
作为本发明一种增强声表面波传感信号强度的系统进一步的优化方案，所述表面波传感器采用谐振型工作方式。
作为本发明一种增强声表面波传感信号强度的系统进一步的优化方案，所述表面波传感器采用延迟线型工作方式。
本发明还公开了一种基于该增强声表面波传感信号强度系统的控制方法，包含以下步骤：
步骤1），所述阅读模块中的逻辑控制单元接收到工作指令后，控制电能发射单元向所述声表面波传感模块一侧的电能接收单元通过无线的方式发送电能；
步骤2），所述电能接收单元将接收到的电能存储到储能单元中，所述储能单元分别给射频放大电路和激励电路供电；
步骤3），所述声表面波传感器在激励电路的作用下生成含有被测物理量信息的高频电信号，并将该高频信号传递给射频放大电路；
步骤4），所述含有被测物理量信息的信号经射频放大电路放大后，由天线发送给所述阅读模块；
步骤5），所述阅读模块的射频接口单元接收到来含有被测物理量信息的信号后，将该信号转换成数字信号传递给逻辑控制单元；
步骤6），所述逻辑控制单元读取接收到的含有被测物理量信息的数字信号后，将其传递给外部网络进行后续处理。
作为本发明一种增强声表面波传感信号强度的系统的控制方法进一步的优化方案，所述电能发射单元采用间隙供电模式向所述电能接收单元发送电能。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
由于传感器需要的能量很弱，用于声表面波传感器的无线供电模块体积很小，可以制作成通用模块电路，它可以很好的解决无线无源传感器的实际应用问题，使无线无源传感器成为正真实用的传感器。无线充电和阅读器射频激励方式最大不同是无线充电方式可以用效率更高的方式无线输送功率，采用“磁耦合共振”等技术，它消耗电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一。这种磁耦合共振的方式供应电能的效率要远远大于通过激发电磁脉冲产生的电能。这是采用本专利方法优于普通声表面波阅读器脉冲激励法的最重要原因。
附图说明
图1是声表面波传感模块结构图；
图2是阅读模块系统结构原理框图；
图3是系统整体结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明公开了种增强声表面波传感信号强度的系统及其控制方法，该系统主要包含声表面波传感模块、阅读模块和无线供电模块。
1）无线供电模块
无线供电模块包含电能发射单元和电能接收单元，所述电能发射单元与阅读模块相连，所述电能接收单元与声表面波传感模块相连。
所述阅读模块一侧的电能发射单元可以放置在阅读器中，和阅读器做成一体，也可以单独在阅读器外部。
电能发射单元采用间隙供电模式，即阅读模块中的射频接口单元通过检测有无传感器发出的电磁波信号，判断声表面波传感模块中的储能单元有无电能。若无电能，阅读模块的逻辑控制单元就调整电能发射单元的充电频率；若有电能，则使得系统可以自动确保最佳充电频率。所说的最佳充电频率是指保证阅读模块能够可靠读取传感，模块发出的声表面波信号的最低频率；通常该频率的上限是无线传感的最远距离。
2）声表面波传感模块
所述声表面波传感模块包含声表面波传感器、激励电路、射频放大电路、天线和储能单元，所述声表面波传感器通过射频放大电路与天线相连，所述激励电路与声表面波传感器相连，所述储能单元分别与激励电路、射频放大电路、电能接收单元相连；。
声表面波传感器采用谐振型或者延迟线型的工作方式，其采用无线无源的工作方式。
声表面波传感器由叉指换能器（IDT）、天线、反射栅和吸声材料附着在压电基片上组成。
所述声表面波传感器在激励电路的激励下产生谐振，谐振频率随被测物理量的变化而改变，谐振频率由叉指换能器送入射频放大电路（本发明以谐振型声表面波为主），通过射频放大电路放大，使得该信号的强度增强后，再经天线把该信号发出给阅读器。
储能单元通过电能接收单元传输来的电能给激励电路及射频放大电路供电，该单元包含整流电路、稳压电路和电容器，其核心是电容器，它的优点是充电时间短，没有充放电次数的限制，可以在很宽的温度范内工作。通过电能接收单元将无线电波中的能量转换成交变的电压信号，该信号经整流后对电容器进行充电，该过程也是一个滤波过程。电容器上的电压经稳压处理后作为声表面波传感模块的供电电源。
3）阅读模块
如图2所示，阅读模块包含射频接收单元和逻辑控制单元，所述逻辑控制单元分别和射频接收单元、电能发射单元相连，所述逻辑控制单元和外部网络相连。
阅读器的基本任务是和声表面波传感器建立通信关系，完成对声表面波传感器的读写操作，并控制电能发射单元给声表面波传感模块进行充电。射频接收单元是整个阅读器的射频前端，主要负责射频信号和声表面波信号的接收；逻辑控制单元是整个阅读器的控制中心，一般由微处理器、应用接口驱动和存储单元组成。
阅读器采取连续工作的方式，读取声表面波传感模块传递来的信息，提高了系统处理动态信号的能力。被测物理量的变化表现为声表面波谐振频率的变化并由叉指换能器转化为电磁波后通过无线的方式发送出去给阅读器的射频接口单元接收，最后通过逻辑控制单元传递给外部网络进行后续处理。
系统总体结构如图3所示。
本发明还公开了一种基于该增强声表面波传感信号强度系统的控制方法，包含以下步骤：
步骤1），所述阅读模块中的逻辑控制单元接收到工作指令后，控制电能发射单元向所述声表面波传感模块一侧的电能接收单元通过无线的方式发送电能；
步骤2），所述电能接收单元将接收到的电能存储到储能单元中，所述储能单元分别给射频放大电路和激励电路供电；
步骤3），所述声表面波传感器在激励电路的作用下生成含有被测物理量信息的高频电信号，并将该高频信号传递给射频放大电路；
步骤4），所述含有被测物理量信息的信号经射频放大电路放大后，由天线发送给所述阅读模块；
步骤5），所述阅读模块的射频接口单元接收到来含有被测物理量信息的信号后，将该信号转换成数字信号传递给逻辑控制单元；
步骤6），所述逻辑控制单元读取接收到的含有被测物理量信息的数字信号后，将其传递给外部网络进行后续处理。
所述电能发射单元采用间隙供电模式向所述电能接收单元发送电能。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种增强声表面波传感信号强度的系统的控制方法，其特征在于：
所述增强声表面波传感信号强度的系统包含声表面波传感模块、阅读模块和无线供电模块；
所述无线供电模块包含电能发射单元和电能接收单元，所述电能发射单元与阅读模块相连，所述电能接收单元与声表面波传感模块相连；
所述声表面波传感模块包含声表面波传感器、激励电路、射频放大电路、天线和储能单元，所述声表面波传感器通过射频放大电路与天线相连，所述激励电路与声表面波传感器相连，所述储能单元分别与激励电路、射频放大电路、电能接收单元相连；
所述阅读模块包含射频接收单元和逻辑控制单元，所述逻辑控制单元分别和射频接收单元、电能发射单元相连，所述逻辑控制单元和外部网络相连；
所述控制方法包含以下具体步骤：
步骤1），所述阅读模块中的逻辑控制单元接收到工作指令后，控制电能发射单元向所述声表面波传感模块一侧的电能接收单元通过无线的方式发送电能；
步骤2），所述电能接收单元将接收到的电能存储到储能单元中，所述储能单元分别给射频放大电路和激励电路供电；
步骤3），所述声表面波传感器在激励电路的作用下生成含有被测物理量信息的高频电信号，并将该高频电信号传递给射频放大电路；
步骤4），所述含有被测物理量信息的信号经射频放大电路放大后，由天线发送给所述阅读模块；
步骤5），所述阅读模块的射频接收单元接收到来含有被测物理量信息的信号后，将该信号转换成数字信号传递给逻辑控制单元；
步骤6），所述逻辑控制单元读取接收到的含有被测物理量信息的数字信号后，将其传递给外部网络进行后续处理。
2.根据权利要求1所述的增强声表面波传感信号强度的系统的控制方法，其特征在于，所述声表面波传感器采用谐振型工作方式。
3.根据权利要求1所述的增强声表面波传感信号强度的系统的控制方法，其特征在于，所述声表面波传感器采用延迟线型工作方式。
4.根据权利要求1所述的增强声表面波传感信号强度的系统的控制方法的控制方法，其特征在于，所述电能发射单元采用间隙供电模式向所述电能接收单元发送电能。
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