CN104990625B - 一种谐振型声表面波传感器的无线测试电路及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于声表面波监测技术领域，提供一种谐振型声表面波传感器的无线测试电路，针对传统无线无源SAW传感器测试电路成本较高、检测速率慢、检测精度较的问题，本发明测试电路包括发射单元、接收单元、射频开关以及信号处理单元，其特性在于，所述发射单元包括依次连接的信号发生器和功率放大器，所述接收单元包括依次连接的低噪声放大器、功率探测器和低通滤波器，所述信号处理单元包括依次连接的A/D采集模块和数字信号处理器；发射单元和接收单元分别与射频开关连接，信号处理单元与接收单元连接。本发明能够有效简化电路结构、降低成本，同时有效提高检测电路的检测速率和检测精度。
Description
技术领域
本发明属于声表面波监测技术领域，具体为一种谐振型声表面波传感器的无线测试电路。
背景技术
无线测试系统是SAW无源传感器在实际应用中的关键技术之一。传感器作为现代科技的前沿技术，目前已经广泛应用于航空航天、工业制造等许多领域。而与传统传感器相比，SAW传感器具有高Q值、低成本、高稳定性等许多特点。同时SAW传感器还能够实现无线无源传感，这使得SAW传感器能够在高温、高压、高转速等极端恶劣环境中实现对温度、压力、湿度、气体等物理量的检测。SAW传感器一般分为谐振型和延迟线型，本发明采用的是谐振型。SAW谐振器由一个叉指换能器(IDT)以及在IDT两边对称分布的两组反射栅组成，IDT与反射栅构成一个谐振腔，使得SAW谐振器只对特定频率的射频信号产生响应，这个特定的频率即为SAW谐振器的谐振频率。随着外界条件的变化，SAW谐振器的谐振频率会随之改变，通过测试其谐振频率的变化就可以得到对应的待测物理量。
传统的测试电路一般采用振荡源产生低频信号，经过上变频得到高频信号对SAW传感器进行激励。在接收端对回波信号进行下变频处理得到中频信号，通过A/D采样后对中频信号进行数据处理以得到传感器的谐振频率。这样的电路结构复杂，需要一个稳定的本振信号源，同时对A/D采样要求很高。另外这样的电路成本较高，检测速率慢，检测精度较低。
发明内容
本发明的目的在于针对传统无线无源SAW传感器测试电路成本较高、检测速率慢、检测精度较低的问题，提供一种谐振型声表面波传感器的无线测试电路，该测试电路采用功率探测器得到回波信号的包络，而非采用下变频方式，这样既简化了电路的结构又降低了成本，同时通过将占空比为1:1的TTL开关控制信号的周期控制在500ns-2μs，即信号激励时间控制在250ns-1μs，功率探测器得到的回波信号包络将接近一个稳定的直流信号，大大降低了A/D采样和数据处理的难度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种谐振型声表面波传感器的无线测试电路，包括发射单元、接收单元、射频开关以及信号处理单元，其特性在于，所述发射单元包括依次连接的信号发生器和功率放大器，所述接收单元包括依次连接的低噪声放大器、功率探测器和低通滤波器，所述信号处理单元包括依次连接的A/D采集模块和数字信号处理器；发射单元和接收单元分别与射频开关连接，信号处理单元与接收单元连接。
进一步的，所述射频开关采用占空比为1:1、周期为500ns-2μs的TTL开关控制信号。
所述谐振型声表面波传感器的无线测试电路的测试方法，包括以下步骤：
步骤A：由发射单元信号发生器产生一系列功率相同，频率不同的扫频激励信号；
步骤B：将由步骤A产生的扫频激励信号经过功率放大器放大后，通过射频开关由天线传输至SAW传感器；
步骤C：SAW传感器产生回波信号由天线通过射频开关传输至接收单元；
步骤D：低噪声放大器将回波信号低噪声放大后通过功率探测器得到回拨信号包络，得到不同频率扫频激励信号对应的一系列稳定直流信号；
步骤E：将步骤D得到一系列稳定直流信号经过低通滤波器滤除其中的高频噪声信号后，通过A/D采样后，由数字信号处理器对数据进行处理，确定最小电压值对应的激励信号频率即为SAW传感器的谐振频率。
需要说明的是：射频开关采用占空比为1:1、周期为500ns-2μs的TTL开关控制信号，当TTL开关控制信号为低电平时，发射端与天线端连通，激励信号通过天线传递至SAW传感器，在逆压电效应的作用下将电能转化为机械能，通过IDT在压电基底上激励起声表面波；当TTL信号为高电平时，天线端与接收端连通，在压电效应的作用下将SAW传感器中的机械能转化为电能，通过IDT激励出与声表面波频率相同，幅度随时间指数衰减的射频信号，即回波信号。回波信号经低噪声放大后通过功率探测器得到其包络，已知信号激励时间控制为250ns-1μs，使检测得到的包络信号接近一个稳定的直流信号，当激励信号的频率等于SAW传感器的谐振频率时，所得到的电压值最小，而随着激励信号的频率远离SAW传感器的谐振频率，所得到的电压值会逐渐增大。
本发明的有益效果为：
本发明提供谐振型声表面波传感器的无线测试电路采用功率探测器得到回波信号的包络，与传统的下变频方式相比，不需要提供本振信号源，简化电路结构的同时降低了成本、提高了稳定性和可靠性；同时通过控制信号激励时间为250ns-1μs，使功率探测器检测到的包络信号接近一个稳定的直流信号，大大降低了A/D采样和信号处理的难度，有效提高检测电路的检测速率和检测精度。
附图说明
图1为本发明提出的谐振型声表面波传感器的无线测试电路的原理图。
图2为实施例1的原理图。
图3为实施例1中各信号的波形图。
图4为实施例1中不同激励时间下包络信号的波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。
一种谐振型声表面波传感器的无线测试电路，其结构如图1所示，包括发射单元、接收单元、射频开关以及信号处理单元，其中，发射单元包括信号发生器和功率放大器，接收单元包括低噪声放大器、功率探测器和低通滤波器，信号处理单元包括A/D采集模块和数字信号处理器；其测试方法包括以下步骤：
步骤A：由信号发生器产生一系列功率相同，频率不同的扫频激励信号。
步骤B：将由步骤A产生的扫频信号经过功率放大器放大后，通过射频开关由天线传输至SAW传感器。
步骤C：当TTL开关控制信号为低电平时，发射端与天线端连通，激励信号通过天线传递至SAW传感器，在逆压电效应的作用下将电能转化为机械能，通过IDT在压电基底上激励起声表面波。当TTL信号为高电平时，天线端与接收端连通，在压电效应的作用下将SAW传感器中的机械能转化为电能，通过IDT激励出与声表面波频率相同，幅度随时间指数衰减的射频信号。
步骤D：将由步骤C得到的回波信号由天线通过射频开关传输至接收单元。
步骤E：将回波信号低噪声放大后通过功率探测器得到其包络。将信号激励时间的长短控制在250ns-1μs，可以使检测到的包络信号接近一个稳定的直流信号，当激励信号的频率等于SAW传感器的谐振频率时，所得到的电压值最小，而随着激励信号的频率远离SAW传感器的谐振频率，所得到的电压值会逐渐增大。
步骤F：将这一系列直流信号经过低通滤波器滤除其中的高频噪声信号。
步骤G：将这一系列直流信号通过A/D采样后，由数字信号处理器对数据进行处理，电压值最小时对应的激励信号频率即为传感器的谐振频率。
实施例1
一种谐振型声表面波传感器的无线测试电路，其原理图如图2所示，其中，所述FPGA采用的是Cyclone IV芯片，其系统时钟为50MHz；
所述PLL，PA模块采用的是MAX1472芯片，其倍频倍数为32倍，PA输出功率为+10dbm；
所述射频单刀双掷开关采用的是ADG918芯片，由一个TTL方波信号控制其行为，当TTL信号为低电平时，发射端与天线相连；当TTL信号为高电平时，接收端与天线相连；
所述低噪声放大器采用的是ZX60-P103LN+同轴LNA，其增益为20dB；
所述D/A转换模块采用的是A/D采集模块采用的是AD9280芯片，其最大采样率为32MSPS；
所述功率探测器采用的是DZR185AA同轴检波器，其灵敏度为0.5mv/μw；
进一步的，SAW谐振器为中心频率在433.9MHz左右的石英SAW谐振器；
FPGA程序由Verilog HDL语言实现；通过直接数字合成(DDS)的方式产生13.4375MHz-13.59375MHz，功率为5dBm的扫频信号；扫频间隔为156.25Hz，扫频点数为1001个点，整个扫频时间为0.5s；将产生的低频信号通过D/A转换模块输入到倍频放大模块。
倍频放大模块将13.4375MHz-13.59375MHzm的扫频信号倍频32倍至430MHz-435MHz，功率由5dBm放大至10dBm。
由射频单刀双掷开关连接发射端与接收端，该单刀双掷开关由一个TTL方波信号控制，TTL控制信号由FPGA模块产生，当TTL信号为低电平时，发射端与天线端连通，激励信号通过天线传递至SAW传感器，在逆压电效应的作用下将电能转化为机械能，通过IDT在压电基底上激励起声表面波；当TTL信号为高电平时，天线端与接收端连通，在压电效应的作用下将SAW传感器中的机械能转化为电能，通过IDT激励出与声表面波频率相同，幅度随时间指数衰减的射频信号；然后将回波信号通过天线传递至接收单元。其中，TTL信号如图3中①所示，激励信号如图3中②所示，回波信号如图3中③所示。当激励信号的频率等于SAW传感器的谐振频率时，所得到的回波信号的幅值最大，随着激励信号的频率远离SAW传感器的谐振频率，所得到的回波信号的幅值会逐渐减小。
回波信号经过无线传输，功率会有极大的损耗，同时会引入许多环境噪声，所以在对回波信号进行处理之前要先将接收到的回波信号经过一个低噪声放大器，其增益为20dB；将经过低噪声放大后的信号通过一个功率探测器得到其信号包络，如图3中④所示；然后利用一个低通滤波器滤除包络信号中的高频噪音。
图4展示了不同TTL开关控制信号周期，即不同激励时间下，功率探测器检测到的回波信号包络。其中波形A为TTL开关控制信号周期为19μs时的回波信号包络；波形B为TTL开关控制信号周期为10μs时的回波信号包络；波形C为TTL开关控制信号周期为2μs时的回波信号包络。可以看出，当TTL开关控制信号周期为2μs时，回波信号的包络几乎为一个恒定的电压值，且该电压值与回波信号的幅值成反比。这样的信号对于A/D转换以及信号处理极其有利。所以本发明采用的TTL开关控制信号周期设定为2μs。当激励信号的频率等于SAW传感器的谐振频率时，所得到的电压值最小，而随着激励信号的频率远离SAW传感器的谐振频率，所得到的电压值会逐渐增大。
通过A/D采集模块，将一系列的电压信号采集并传输至FPGA模块。在FPGA模块中对采集到的电压值进行比较，最小电压值所对应的激励信号的频率即为SAW传感器的谐振频率。通过SAW传感器的谐振频率，就可以得到待测物理量的值。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (2)
1.一种谐振型声表面波传感器的无线测试电路，包括发射单元、接收单元、射频开关以及信号处理单元，其特性在于，所述发射单元包括依次连接的信号发生器和功率放大器，所述接收单元包括依次连接的低噪声放大器、功率探测器和低通滤波器，所述信号处理单元包括依次连接的A/D采集模块和数字信号处理器；发射单元和接收单元分别与射频开关连接，信号处理单元与接收单元连接；所述射频开关采用占空比为1:1、周期为500ns-2μs的TTL开关控制信号。
2.按权利要求1所述谐振型声表面波传感器的无线测试电路的测试方法，包括以下步骤：
步骤A：由发射单元信号发生器产生一系列功率相同，频率不同的扫频激励信号；
步骤B：将由步骤A产生的扫频激励信号经过功率放大器放大后，通过射频开关由天线传输至SAW传感器；
步骤C：SAW传感器产生回波信号由天线通过射频开关传输至接收单元；
步骤D：低噪声放大器将回波信号低噪声放大后通过功率探测器得到回波 信号包络，得到不同频率扫频激励信号对应的一系列稳定直流信号；
步骤E：将步骤D得到一系列稳定直流信号经过低通滤波器滤除其中的高频噪声信号后，通过A/D采样后，由数字信号处理器对数据进行处理，确定最小电压值对应的激励信号频率即为SAW传感器的谐振频率。
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