CN104406613B - 一种频率资源利用率高的声表面波传感器及其识别方法 - Google Patents

一种频率资源利用率高的声表面波传感器及其识别方法 Download PDF

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本发明公开了一种频率资源利用率高的声表面波传感器及其识别方法,包含共用一个天线的两个声表面波谐振器,谐振器A和谐振器B;谐振器A和谐振器B的频率与物理量的变化曲线如下:在测量的量程范围内,谐振器A和谐振器B的频率与物理量的变化曲线相反;谐振器A和谐振器B的频率与物理量的变化曲线的绝对值相同;谐振器A和谐振器B的频率与物理量的变化曲线不相交。本发明通过使用两个声表面波谐振器来组成一个传感器,这两个谐振器的频率组合特征在传感器量程范围内确定,不同的传感器具有不同的频率组合特征,通过对该特征的识别来区别传感器,由此两个频率组合特征不同的传感器可以占用同一个频段,从而使频率资源的利用率成倍地增加。

Description

一种频率资源利用率高的声表面波传感器及其识别方法
技术领域
本发明涉及一种声表面波传感器,特别涉及一种频率资源利用率高的声表面波传感器及其识别方法。
背景技术
线传感器技术在对移动物体的检测、以及在危险环境,如高温,高电磁辐射等场景中的测量应用中具有很大的应用前景。基于SAW的传感器是完全无源的(无电池),在许多应用中具有高可靠性。与无线的回波读写器配合,这些无源传感器的无线信息传输范围可以达到5米的距离。
传统的SAW传感器使用一个谐振器,通过检测该谐振器的谐振频率来获得所感知的物理量变化信息,在一个空间中如果需要测量多个位置的物理量变化,就需要放置多个SAW传感器。要识别不同的传感器通常的做法是为每个传感器分配一段独立的频率范围,根据传感器回波所在的频率区间来识别不同的传感器,即传感器的编号是通过频率区间来分辨的。这种方式对频率资源的占用较多,在频率资源有限的情况下,只能限制同一空间中可用传感器的数量,或降低测量的精度,或减小测量的量程。
在一个传感器中使用两个SAW谐振器,这两个谐振器的频率变化系数(即频率变化与外界物理量变化之间的关系)互不相同,通过测量这两个谐振器频率之差来获得外界物理量的变化情况,这种传感器通常称为差分式SAW传感器。差分式SAW传感器通常用于补偿SAW谐振器在生产工艺上的离散性所造成的频率偏差以及安装使用过程中外界电磁环境对SAW传感器谐振频率的影响。这类差分式SAW传感器与上述的单谐振器的SAW传感器一样,也需要分配不同的频率资源给不同的传感器以便进行识别,因此,它对频率资源的占用较多。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种频率资源利用率高的声表面波传感器。
实现本发明第一个目的的技术方案是一种频率资源利用率高的声表面波传感器,包含共用一个天线的两个声表面波谐振器,谐振器A和谐振器B;所述谐振器A和谐振器B的频率与物理量的变化曲线如下:在测量的量程范围内,谐振器A和谐振器B的频率与物理量的变化曲线相反;谐振器A和谐振器B的频率与物理量的变化曲线的绝对值相同;在测量的量程范围内,谐振器A和谐振器B的频率与物理量的变化曲线不相交。
所述谐振器A和谐振器B通过壳体和壳盖封装在一起,形成一个声表面波传感器芯片;所述谐振器A和谐振器B分别固定在一个压电基片上;所述两个压电基片固定在壳体内的底部;所述壳体和壳盖密封连接。所述谐振器A和谐振器B分别通过一个压电薄膜固定在一个压电基片上。
所述谐振器A和谐振器B分别通过各自的壳体和壳盖封装成一个声表面波传感器芯片,两个声表面波传感器芯片与天线构成频率资源利用率高的声表面波传感器;所述谐振器A和谐振器B分别固定在一个压电基片上;所述壳体和壳盖密封连接。所述谐振器A和谐振器B分别通过一个压电薄膜固定在一个压电基片上。
本发明的第二个目的是提供一种声表面波传感器的识别方法。
实现本发明的第二个目的的技术方案是一种声表面波传感器的识别方法,每个声表面波传感器均采用如权利要求1所述的频率资源利用率高的声表面波传感器,每个声表面波传感器的识别码IDn不相等;识别码IDn为谐振器A和谐振器B在物理量为零时的频率和;采用N个前述传感器进行测量,N为自然数,收集每个声表面波传感器的回波频率F,根据ID1=FA1+FB1,ID2=FA2+FB2,IDn=FAn+FBn,由此确定是哪一个声表面波传感器。
为了更清楚的表达,现将本文出现的技术术语的定义介绍如下:
声表面波谐振器:在压电材料上实现的一个换能装置;
声表面波传感器芯片:声表面波谐振器加上封装(壳体、壳盖);
声表面波传感器:声表面波传感器芯片加上天线。
现将本发明的原理阐述论证如下:本发明通过使用两个SAW谐振器,谐振器A和谐振器B,来组成一个传感器,这两个SAW谐振器的频率特性,即频率与物理量之间的变化曲线,比如频率-温度曲线、频率-压力曲线等,为方便描述,下面具体以温度作为例子进行说明,在本发明中,谐振器A和B的频率-温度曲线是线性的,或者可以在量程范围内近似等效为线性。
谐振器A的频率-温度关系为:FA=a+KT
谐振器B的频率-温度关系为:FB=b-KT
其中,T为温度,K为斜率,即频率除以温度,a、b为温度在0度时谐振器A、B的频率,FA、FB为谐振器A、B在温度为T时的谐振频率。
由此可以推导出以下两个公式:
FA+FB=a+b=ID (1)
FA-FB=a–b+2KT (2)
公式(1)中的ID等于两个谐振器在温度为零时的频率之和,是个常量,即不随温度变化而变化,可以用来作为传感器的识别码。
公式(2)可转换为:
T=(FA–FB–a+b)/2K (3)
当收集到谐振器A和B的回波信号,根据回波信号的频率FA和FB,依照公式(3),即可计算出温度信息。
下面继续论证如何快速且节约频率资源。如果有两个传感器S1、S2,每个传感器Si中均包含了符合本发明要求的Ai、Bi两个谐振器,它们的频率-温度关系分别为:FAi=ai+KTi,FBi=bi+KTi
如果将这两个传感器设置在同一个频段内,当我们采集回波时,由于不同的传感器所处位置的温度有可能是完全不同的,因此最多会在2×2=4个频点上检测到信号。
要正确地判断这2个传感器的温度,就需要识别出这4个频点各自分别属于哪个传感器。为了能够正确识别不同的传感器回波信号,需要对这2个传感器的参数进行挑选,只要满足ID1≠ID2的条件即可。
四个回波信号的频率分别为FA1、FB1、FA2、FB2,且各不相同,其中FA1+FB1=ID1,FA2+FB2=ID2。只需要证明FA1+FA2≠ID1或FA1+FB2≠ID1,即可说明这两个传感器可以被分别识别出来。
FA1+FA2=ID1-FB1+ID2-FB2 (4)
FA1+FB2=ID1-FB1+ID2-FA2 (5)
从公式(4)可以推导出,只有当FA2=FB1时,FA1+FA2=ID1
从公式(5)可以推导出,只有当FB2=FB1时,FA1+FB2=ID1
也就是说,当四个回波信号FA1、FB1、FA2、FB2的频率互不相同时,可以通过ID1、ID2的特征来区分出这四个回波信号分别属于哪个传感器。
如果一个传感器的某一个回波频率与另一个传感器的其中一个回波频点重叠,我们将只会收到三个频率,我们假定FB1=FB2=FB,则有:
FA1+FB=ID1,FA2+FB=ID2
我们对这三个频率值进行计算,即可识别出不同的传感器。只有当FA1+FA2=ID1或ID2时会无法识别,因此,我们只需证明FA1+FA2≠ID1或者ID2即可。
FA1+FA2=ID1+ID2-2FB (6)
根据公式(6),FA1+FA2=ID1的条件是FA2=FB2,FA1+FA2=ID2的条件是FA1=FB1,也就是说,只有当谐振器A和谐振器B的频率-温度曲线是相交时才会出现。根据我们对传感器设计的要求,在测量的量程范围内,谐振器A和谐振器B的频率-温度曲线是不相交的,因此可以保证可以正确识别出这两个传感器。
采用了上述技术方案后,本发明具有以下的有益效果:本发明提出了一种创新的基于声表面波谐振器的传感器实现方式,通过使用两个频率组合特征在传感器量程范围内确定的声表面波谐振器来组成一个传感器,不同的传感器具有不同的频率组合特征,通过对该特征的识别来区别传感器。因此,在满足一定的限制条件下,两个频率组合特征不同的SAW传感器可以占用同一个频段,从而使频率资源的利用率成倍地增加。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解,下面根据具体实施例并结合附图,对本发明作进一步详细的说明,其中
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的两个传感器中的谐振器频率关系示意图。
图3本发明的一种具体结构示意图。
附图中标号为:
天线1、声表面波谐振器2,谐振器A 21、谐振器B 22。
具体实施方式
(实施例1)
见图1,一种频率资源利用率高的声表面波传感器,包含共用一个天线1的两个声表面波谐振器2,谐振器A 21和谐振器B 22;因此在同一环境下会有两个不同的谐振频率点。谐振器A 21和谐振器B 22的频率与物理量的变化曲线如下:在测量的量程范围内,谐振器A 21和谐振器B 22的频率与物理量的变化曲线相反;谐振器A 21和谐振器B 22的频率与物理量的变化曲线的绝对值相同;在测量的量程范围内,谐振器A 21和谐振器B 22的频率与物理量的变化曲线不相交。
当每个声表面波传感器均采用本实施例的频率资源利用率高的声表面波传感器,每个声表面波传感器的识别码IDn不相等;识别码IDn为谐振器A和谐振器B在物理量为零时的频率和;采用N个前述传感器进行测量,N为自然数,收集每个声表面波传感器的回波频率F,根据ID1=FA1+FB1,ID2=FA2+FB2,IDn=FAn+FBn,由此确定是哪一个声表面波传感器。图2中FA1和FB1线分别表示传感器1中两个谐振器的频率-温度曲线,FA2和FB2分别表示传感器2中两个谐振器的频率-温度曲线。传感器1和传感器2所处的温度分别为T1和T2,它们产生的回波信号频率分别为FA1、FB1(传感器1)和FA2、FB2(传感器2)。如图2所示,传感器的两个谐振器的频率-温度曲线形成了一个喇叭口,从图2中看,该喇叭口是左大右小,同理,喇叭口为左小右大的一组谐振器也可以达到同样的作用。由此本实施例利用两个SAW谐振器在谐振频率上的相关性,来产生一个不随测量物理量变化而变化的“特性”,利用此“特性”使得该传感器可以通过回波频率来加以识别。通过选择不同“特性”的传感器,可以在同一个工作频段中放置两个传感器,从而提高频率资源的利用率。
具体的结构可以有两种,第一种频率资源利用率高的声表面波传感器如图3所示,谐振器A21和谐振器B22通过壳体3和壳盖4封装在一起,也即本结构中有一个声表面波传感器芯片。谐振器A21和谐振器B22分别通过一个压电薄膜6固定在一个压电基片5上;两个压电基片5固定在壳体3内的底部;壳体3和壳盖4密封连接。通过选择不同的压电基片材料、压电薄膜材料,使得谐振器A21和谐振器B22的频率特征曲线满足本发明中所要求的条件。本结构成品体积小,但工艺要求高。
第二种频率资源利用率高的声表面波传感器为两个共用一个天线1的声表面波传感器芯片。谐振器A21和谐振器B22分别通过壳体3和壳盖4封装于一个声表面波传感器芯片中;谐振器A21和谐振器B22分别通过一个压电薄膜6固定在一个压电基片5上;两个封装芯片固定在壳体3内的底部。本结构成品体积会稍大,但工艺相对简单。
在上述两个技术方案中,壳体3和壳盖4可以是金属壳体和金属壳盖,或者是陶瓷壳体和金属壳盖。压电基片5可以是石英、或者是铌酸锂、或者是钽酸锂,或其他压电晶体,压电薄膜6为氧化锌或者是氮化铝。
以上所述的具体实施例,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例而已,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 (6)

1.一种频率资源利用率高的声表面波传感器,其特征在于:包含共用一个天线(1)的两个声表面波谐振器(2),谐振器A(21)和谐振器B(22);所述谐振器A(21)和谐振器B(22)的频率与物理量的变化曲线如下:在测量的量程范围内,谐振器A(21)和谐振器B(22)的频率与物理量的变化曲线相反;谐振器A(21)和谐振器B(22)的频率与物理量的变化曲线的绝对值相同;在测量的量程范围内,谐振器A(21)和谐振器B(22)的频率与物理量的变化曲线不相交。
2.根据权利要求1所述的一种频率资源利用率高的声表面波传感器,其特征在于:所述谐振器A(21)和谐振器B(22)通过壳体(3)和壳盖(4)封装在一起,形成一个声表面波传感器芯片;所述谐振器A(21)和谐振器B(22)分别固定在一个压电基片(5)上;所述两个压电基片(5)固定在壳体(3)内的底部;所述壳体(3)和壳盖(4)密封连接。
3.根据权利要求2所述的一种频率资源利用率高的声表面波传感器,其特征在于:还包括两个压电薄膜(6);所述谐振器A(21)和谐振器B(22)分别通过一个压电薄膜(6)固定在一个压电基片(5)上。
4.根据权利要求1所述的一种频率资源利用率高的声表面波传感器,其特征在于:所述谐振器A(21)和谐振器B(22)分别通过各自的壳体(3)和壳盖(4)封装成一个声表面波传感器芯片,两个声表面波传感器芯片与天线(1)构成频率资源利用率高的声表面波传感器;所述谐振器A(21)和谐振器B(22)分别固定在一个压电基片(5)上;所述壳体(3)和壳盖(4)密封连接。
5.根据权利要求4所述的一种频率资源利用率高的声表面波传感器,其特征在于:还包括两个压电薄膜(6);所述谐振器A(21)和谐振器B(22)分别通过一个压电薄膜(6)固定在一个压电基片(5)上。
6.一种声表面波传感器的识别方法,其特征在于:每个声表面波传感器均采用如权利要求1所述的频率资源利用率高的声表面波传感器,每个声表面波传感器的识别码IDn不相等;识别码IDn为谐振器A和谐振器B在物理量为零时的频率和;采用N个前述传感器进行测量,N为自然数,收集每个声表面波传感器的回波频率F,根据ID1=FA1+FB1,ID2=FA2+FB2,IDn=FAn+FBn,由此确定是哪一个声表面波传感器,其中FA1和FB1分别表示传感器1中两个谐振器的频率-温度曲线,FA2和FB2分别表示传感器2中两个谐振器的频率-温度曲线,FAn和FBn分别表示传感器n中两个谐振器的频率-温度曲线。
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