CN105117764B - 一种高性能防碰撞声表面波延迟线型无线传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高性能防碰撞声表面波延迟线型无线传感器系统。应答器传感芯片输入换能器为编码叉指换能器(输入相关换能器)，其编码为属于同一相容码组的相容码，采用同一相容码编码芯片的应答器，称为同类应答器。应答器传感芯片上，至少有两个沿声道排列的同频输出相关换能器，其优选编码为巴克码。同类应答器芯片，第一个输出换能器与输入换能器的起始延迟距离，各芯片彼此不同；各输出换能器的间距一致；设计应使在标称传感量测试范围内，同类应答器同时产生的电磁回波叠加后，所有回波峰都应能被阅读器分辨。阅读器应具有相容码产生和巴克码解调部件。本系统的防碰撞功能等于不同类应答器种类数目乘以时序容量。

Description

一种高性能防碰撞声表面波延迟线型无线传感器系统

【技术领域】

本发明涉及声表面波无线传感器，特别涉及一种高性能防碰撞声表面波延迟线型无线传感器系统。

【背景技术】

电力网设备温度实时监控，是智能电网的基础手段，市场需求迫切。由于电力网的特殊环境，常规温度传感器无法应用，采用声表面波无线传感器遥测技术是国际公认较优方案。

近年来开发的基于雷达原理的声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)无线传感器，不需外界电源，抗干扰能力强，能在各种恶劣环境(例如高温、强电磁干扰和核辐射等)中可靠工作，是常用IC传感器的补充，必将成为物联网的基础元件，在现代工业、农业、交通和环境保护等领域中发挥其独特作用。

SAW无线传感器的工作原理是：传感器的探头(应答器)周围环境物理量、化学量和生物量的变化会引起其中SAW传感芯片电气特性的偏移，通过检测这些偏移就能监测周围环境物理量、化学量和生物量等参量，在个体识别(标签)、物理、化学、生物传感器系统中将有极大应用前景。

例如，2008年初全国电力系统因雪灾造成的直接经济损失约为400亿元，占全国雪灾损失的22.3％。如果能采用SAW无线温度传感器直接监测电力网架空输电线温度，并采取有力预防措施，就可大大减小这些损失。特别是2011年日本核电站事故，使人们认识到在恶劣环境中能正常工作的传感器是多么的重要。如果核电站布局了SAW无线传感器，随时实时检测危险区域温度，就能使核电站运行有效和安全，推进未来核能源的广泛应用。

除非特别说明，在不会产生误解时，本说明书将把“无线传感器”中“无线”两字省略。

不失一般性，我们以最常采用的温度传感器为例，说明本发明相关事项。

现今，声表面波传感器系统，均采用雷达原理，由阅读器、应答器及后台处理三部分组成，图1示意了其基本框图。应答器即传感器探头，仅由声表面波传感芯片，微型天线和适用封装件构成，是无源无线部件。阅读器由激励脉冲产生发射、回波信号接收处理、后台接口及控制等电路和收发天线组成。后台处理是系统应用层。目前，阅读器发射的询问脉冲是矩形单频载波脉冲，芯片上实现电-声-电转换功能的换能器是相应的常规均匀叉指换能器，其长度配合脉冲宽度。

传感器系统的工作原理如下：阅读器主动发射询问脉冲，被应答器微型接收天线接收后，馈电到声表面波传感芯片的输入叉指换能器。当询问脉冲参数与输入叉指换能器参数相近时，由于(逆)压电效应，会产生高频回波，并由应答器微型发射天线发回到阅读器。由于回波特性(频率、相位、延时等)易受传感芯片所处环境影响，故被阅读器接收的回波已携带有传感器探头所处环境特征，例如温度等。所以处理回波特性，即可达到实时遥测目的。

根据声表面波传感芯片产生回波的机制，声表面波无线传感器芯片可分为三种：

第一种是声表面波谐振器型(图2)，其应答器芯片就是一个有适当温度特性的声表面波谐振器，它利用了声表面波谐振器的高Q谐振特性，此时应答器微型天线收发共用。

谐振型芯片，在被与其谐振频率相近的询问脉冲受迫激励时，会积累声能在叉指换能器与反射栅阵组成的声谐振结构中。在询问脉冲停止后，所积累的声能会转换为电磁波，并向外发射出衰减高频回波。此衰减高频回波的频率，是声表面波谐振器的固有谐振频率，与谐振器芯片所处环境特征有关，由接收到的频率比对其温度特性，即可实现遥测温度功能。

另外两种是声表面波延迟型，由于声速比电磁波速低得多，阅读器接收到的传感电磁回波，比发射的询问脉冲延迟较长时间(大于1us)，明显提高了阅读器的抗干扰性能(图1)。

其一，即第二种，是声表面波延迟反射型(图3)，其应答器芯片由一个叉指换能器和多个距离较远的金属条阵反射栅(反射栅组)构成。叉指换能器同时作为输入/输出声电换能元件，而金属条阵反射栅根数很少，反射率也小，是声回波产生结构。阅读器发射询问脉冲，被应答器接收天线接收后，激励芯片叉指换能器后产生的声脉冲，延迟传播到金属条阵处，被反射后，产生多个声回波脉冲，并返回到叉指换能器再转变为高频电磁回波，发回阅读器。此时收发天线是共有的，回波为多个反射峰串。由于芯片会受到所处环境影响，反射特性(例如反射峰间距)会随之变化，阅读器分析回波的反射特性变化，就可实现遥测功能。

其二，即第三种，是声表面波延迟线型(图4，图5)，其应答器芯片由一个输入叉指换能器和多个距离较远的短输出叉指换能器(输出换能器组)构成多输出延迟线。阅读器发射询问脉冲，被应答器接收天线接收后，激励输入叉指换能器产生的声脉冲，延迟传播到各输出换能器，产生高频电磁回波串，通过应答器发射天线发回阅读器。应答器可采用收发共用单天线结构(图4)，也可采用收发分离天线结构(图5)。传感回波产生结构为短叉指换能器组，电磁回波为多峰串。由于芯片会受到所处环境影响，回波传输特性(例如峰间距)会随之变化，阅读器分析回波特性变化，就可实现遥测功能。

经过近十多年的努力，国内外许多厂家虽已开发出多个试验系统，但由于现场干扰无法解决，致使推广应用受阻。例如，在电力网电力柜实时测温时，由于多个电力柜连接后，电力母排使无线传感高频信号无衰减传播，阅读器接收信号是多个传感回波相互叠加，需要系统具有防碰撞功能。例如，一个电力柜群一般有二三十个，如每个电力柜安装九个应答器，系统的防碰撞数至少要二百多才满足实用要求。

防碰撞声表面波传感器，就是指在阅读器有效范围内，即使有多个传感器同时存在，也能准确得到某个传感器传感信息。现今的声表面波传感器，应答器的本质防碰撞功能较弱。

在采用声表面波谐振器型应答器时，每个应答器需要近1MHz带宽，而无线电频段资源小于10MHz，即防碰撞数最多为十。

声表面波延迟型传感器，现有商品一般采用回波产生结构(反射栅组或输出叉指换能器组)起始延迟时间不同，即时分机制，来实现防碰撞功能。传感芯片上容许放置传感回波产生机构的时基位置数，称为时序容量，表示了芯片本质防碰撞功能，与芯片尺寸、阅读器性能和电极布局等有关，一般最多几十。例如德国艾迪克·莱默克诊断公司(LDIC)架空输电线温度实时监测的RITHERM无线无源SAW温度传感系统，防碰撞数仅为5(参见图6A和图6B)。

采用软件算法来扩充声表面波传感器的防碰撞功能，虽有进展，实用前景不明朗。

【发明内容】

我们在已授权专利ZL2010101761425“声表面波无源射频识别标签和传感器”中，公开了一种采用编码叉指换能器(相关换能器)代替常规均匀叉指换能器的标签芯片，来提高声表面波标签容量的技术，其实质就是利用相容码编码的相关换能器特有的码选择性，实现码分机制，来获得芯片的防碰撞功能。

我们在申请专利“一种具有防碰撞功能的声表面波延迟线型无线传感器”中，公开了一种采用码分时分方式实现防碰撞功能的声表面波延迟线型无线传感器系统，其主要创新点是将现有声表面波延迟线型无线传感器芯片上的常规均匀叉指换能器换为相关换能器，利用相关换能器对编码脉冲的码选择性，实现防碰撞功能。

提高传感回波的接收效果，是无线传感技术的主要目标，扩频通信中广泛应用的匹配相关接收技术是一种提高无线信号接收效果的优选方法。

由此，我们将匹配相关接收技术应用到声表面波延迟线型无线传感器，在本发明提出一种高性能防碰撞声表面波延迟线型无线传感器系统，由应答器、阅读器和后台处理单元组成。应答器采用的声表面波传感芯片，其输入声电换能用的常规均匀叉指换能器被编码叉指换能器(输入相关换能器)代替。输入相关换能器的编码，为属于同一相容码组的相容码，采用同一相容码编码的声表面波传感芯片的应答器，组成同类应答器。属于同一码组的相容码数目，称为该相容码组的度，也就是不同类应答器的种类数。

应答器采用的声表面波传感芯片，其传感电磁回波产生机构为输出换能器组，至少由两个(一般为三个)沿声道排列的同频输出叉指换能器构成。所述输出叉指换能器为编码叉指换能器(输出相关换能器)，其编码为伪随机码，优选巴克码。

对同类应答器芯片，其起始延迟距离，即第一个输出相关换能器与输入相关换能器的距离，各芯片彼此不同；各芯片上输出相关换能器间的间距一致；设计上述各距离时，应使在标称传感量测试范围内，同类应答器同时产生的电磁回波叠加后，所有回波峰都应能被阅读器分辨，获知其来源和传感信息。

声表面波延迟线型传感器系统的阅读器，具有相容码的产生和巴克码解调部件。

本发明，其防碰撞功能等于相容码组的度(即不同类应答器种类数目)乘以时序容量。例如，相容码组的度为8，时序容量为40，所举例传感器防碰撞数为8*40＝320，满足大部分实用要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明技术方案除具有现今SAW延迟线型无线传感器的所有特点外，还具有如下优点：

1.传感器防碰撞功能优异。如采用一13位相容码组，其相容码组度为8，传感器的防碰撞功能即为8。只要再结合13个起始延迟设计，传感器的防碰撞功能就超过100，已满足绝大多数应用。如采用相位检测方式提高阅读器性能，以及采用度更高的相容码组，本发明传感器防碰撞功能可近一千以上。

2.传感芯片上得到的询问声脉冲极窄，回波电脉冲也窄，提高了传感量的检测精度。

3.传感芯片上得到的询问声脉冲极窄，输出换能器的间距也可以变小，传感器芯片尺寸变短，传感器更小，成本也低。

4.本技术方案的编码技术，属于扩频技术应用，具有所有扩频通信技术的优点：抗干扰、实际发射射频功率小。

特别是，采用巴克码相关换能器作为阅读器芯片的传感信息输出换能器，阅读器采用巴克码匹配相关解调技术，抗干扰能力大大加强，极大提高了传感回波的检测灵敏度。

【附图说明】

图1A声表面波无线传感器遥测原理示意：延迟反射型；

图1B延迟型无线传感器的回波；

图1C延迟型无线传感器的回波时域照片；

图2声表面波谐振器型无线传感芯片示意；

图3声表面波延迟反射型无线传感芯片示意；

图4单天线声表面波延迟线型无线传感芯片示意；

图5双天线声表面波延迟线型无线传感芯片示意；

图6A德国艾迪克·莱默克诊断公司的SAW延迟反射型传感芯片，防碰撞数仅为5、采用时分串联方式布局反射栅组；

图6B德国艾迪克·莱默克诊断公司的SAW延迟反射型传感芯片的传感器回波。

图7编码为H0D的七位脉冲极性编码SAW相关换能器示意；

图8A SAW相关换能器自相关特性模拟用码H0357的反演编码载波示意；

图8B SAW相关换能器自相关特性模拟用编码H0357相关叉指换能器示意；

图8C SAW相关换能器自相关特性模拟图；

图9A SAW相关换能器互相关特性模拟用码H046D的反演载波示意；

图9B SAW相关换能器互相关特性模拟用编码H0357相关叉指换能器示意；

图9C SAW相关换能器互相关特性模拟图；

图10配套本发明的阅读器发射端框图

图11七位巴克码的自相关函数

图12延迟线型无线传感芯片时分机制输出换能器组布局示意(单天线)

图13延迟线型无线传感芯片时分机制输出换能器组布局示意(双天线)

图14本发明实施例：采用码分时分机制的声表面波延迟线型传感芯片示意(单天线)

图15本发明实施例：采用码分时分机制的声表面波延迟线型传感芯片示意(双天线)

图16配套阅读器接收端框图

【具体实施方式】

温家宝总理在2009年8月提出，要加快实施“感知中国”，即“智能传感网”的产业化。今年，中央开始推行“中国制造2025”和“互联网+”，这是我国经济发展的重大部署，是提高国力，实现“中国梦”的有力支撑。智能传感网，其基本特点是：无处不在的传感节点，随时感知环境变化并通过无线链路汇集到信息中心处理及告知用户，可无线联网的传感器是智能传感网的基础。

近年来开发的基于雷达原理的声表面波(SAW)无线传感器，不需外界电源，抗干扰能力强，能在各种恶劣环境(例如高温、强电磁干扰和核辐射等)中可靠工作，是常用IC传感器的补充，必将成为物联网的基础元件，在现代工业、农业、交通和环境保护等领域中发挥其独特作用。

不失一般性，我们以最常采用的温度传感器为例，说明本发明具体实施方式。

一、声表面波传感器简介

1.1SAW器件特点

SAW器件是在压电晶片上制作的无源微型电子元件，它利用淀积在压电晶片上的叉指换能器和反射栅阵等金属薄膜结构，基于(逆)压电效应，实现电磁波-声表面波的能量相互转换，产生、转换和控制声表面波，来完成稳频、滤波、延迟和传感等功能，已在雷达、通讯、音视频、遥控、传感等领域得到广泛应用。

SAW器件的能量转换不涉及电子-空穴过程，外界电磁辐射不会对其产生影响，所以SAW器件能在强电磁辐射环境中应用。

SAW器件的基本特点是：

·抗辐射，耐高低温，环境适应能力强，能在严酷环境中可靠工作；

·器件体积小，重量轻，可靠性高，采用微电子技术批量生产，一致性好；

·表面波在晶片表面传播，容易控制其传输性能，实现信号处理和传感功能。

·声表面波机电换能过程没有电载荷子参与，没有能量转换阈值，是无源器件；

1.2SAW传感器

SAW技术在信息敏感方面也表现出卓越的优势，SAW传感器的工作原理是：器件周围环境物理量、化学量和生物量的变化会引起SAW器件电气特性的偏移，通过检测这些偏移就能监测周围环境物理量、化学量和生物量等参量，在个体识别(标签)、物理、化学、生物传感器系统中将有极大应用前景。

SAW传感器灵敏度高、性能稳定、且与半导体工艺兼容，主要特点有：

·表面波在晶片表面传播，易受外界环境干扰，有直接传感功能；

·声波传输表面加载敏感膜，容易对其表面波实施改造，实现化学生物传感应用；

·叉指换能器有频率选择性，输出信号准数字化；

SAW传感器的传感机制主要有两种：只利用压电基片自身敏感性能的物理传感器和附加外部敏感膜的化学生物传感器。物理传感器关键是敏感结构设计，而化学生物传感器的关键是敏感膜的选择和生长方法。

SAW传感器的应用方式可分为两大类：有线传感器和无线传感器。

SAW有线传感器是指将SAW传感器作为探测电路的无源元件，例如振荡电路的反馈延迟线，稳频谐振器等。由于SAW传感器在环境参量的影响下其性能发生改变，导致探测电路的某个电参数随之变化，而得到环境参数值。这类SAW有线传感器，已实用化多年。

SAW无线传感器是一个功能元件，在外界特定无线电信号激励时，能无线发送回所处环境参量的传感敏感信息。SAW器件本质是无源的，即不需要外界提供电源即可工作，据文献报道，SAW标签与IC标签相比，在同样询问信号功率时，工作距离要大三十倍左右。而且SAW无线传感器能在严酷环境下可靠工作，因此SAW无线传感器近年来极受重视。

1.3SAW无线传感器

如上述，SAW无线传感器得到重视的原因是它具有其他类型传感器不具备的无线遥测功能。

一个SAW器件中，至少利用了一个叉指换能器实现电-声能量转换。叉指换能器是一个淀积在压电基片上、按一定规则交叉排列、形如两手手指交叉状的金属条阵薄膜结构，有两个不同极性汇流外引电极，具有频率选择性和直连天线收发无线电波的能力。高频叉指换能器直接连接天线后，SAW芯片就能接收询问共振电磁波，并发回携带传感信息的电磁回波，达到无线传感功能。

SAW无线传感器系统是基于雷达原理的反向散射射频识别方式工作的，它由三部分构成：阅读器、应答器和信息处理(含数据库)。应答器就是一个只由SAW无线传感芯片、小型天线和适应传感环境用外壳组成的组件，它是具有可控反射回波特性的人造反射目标。阅读器发出高频询问脉冲，应答器产生已被待测敏感参量调制(频率、相位或时延)的电磁回波脉冲，被阅读器接收后进行信息处理，得到待测参量的变化，完成一次传感实时检测。

按应答器检测原理又分为两种类型：延迟型和谐振型。

谐振型SAW传感器系统，应答器中的SAW敏感元件是一个SAW谐振器(图2)，它利用了SAW谐振器的谐振频率会受外界环境影响发生变化的特性，若测出处于待测环境处SAW谐振器谐振频率的变化，即可推测出环境参量的变化，实现无线传感功能。

延迟型传感器，采用了SAW抽头延迟线结构，利用SAW传播速度比电磁波低得多的特点，使反向散射回波比阅读器激励信号延时(起始回波延迟时间)一微秒以上，避免了激励信号和环境近距干扰等对有效信息回波的影响，比较适合有强电磁干扰的应用环境。

1.4SAW延迟型无线传感器

SAW延迟型无线传感器的回波产生方式有两种：采用叉指换能器的延迟线型和采用声反射器的延迟反射型。

SAW延迟反射型传感器系统工作原理如图1A、图1B和图1C所示。应答器中的压电材料芯片上制作有输入叉指换能器及声波反射器(也称为反射栅组)，声波反射器由互不相连的多个反射栅组成，作为带有特征值的反射目标。当阅读器发出的射频询问脉冲被应答器的天线接收到后，与天线直接相连的输入叉指换能器将接收到的电脉冲转换为在压电基片上传播的声表面波脉冲，并由此被声波反射器反射形成声回波脉冲串。因为基片上声波反射器状态与外界环境应力有关，则被反射器反射的声回波脉冲串将带有传感信息。声回波脉冲串再由输入叉指换能器转换为射频电磁脉冲串，并从天线发射回去。阅读器接收到电磁回波脉冲串后，放大和解码，输入计算机数据库，达到传感目的。图3为延迟反射型传感应答器芯片示意图。

延迟线型传感器(图4，图5)与延迟反射型传感器不同处是用多个并接的短输出叉指换能器代替反射栅组，作为回波电磁脉冲的源：在芯片表面传来的声表面波声脉冲，被输出换能器变换为电磁脉冲，经所联的发射天线返回阅读器。显然，对同样设计的传感器件，回波脉冲串的延时要比反射型小一半，但其幅度要大许多。这种传感器结构，与前述SAW反射型无线传感器只有一根天线不同，可以采用单天线和双天线两种设计。单天线结构中(图4)，作为回波源的输出换能器与询问信号输入换能器是相连的，共用天线。而双天线结构(图5)，两者分开，各自连有天线，收发干扰小。

延迟型传感器是利用回波信号在时间轴的时延或相位上的变化进行传感信息测量的，当外界环境参量发生变化时，将影响回波串间的时延(相位)，检测出该时延，就可感知环境参量的变化。SAW无线传感器的反射栅(或输出叉指换能器)一般为三个，以提高传感量检测精度。

对于物理型传感器，设计适当的基片敏感结构，使回波时延参数受待测环境应力影响稳定且极大。而对于化学生物型传感器，在压电基片声波脉冲传输路径位置淀积一敏感膜，通过敏感膜对待测化学生物量的敏感性，使敏感膜性质发生变化，进而影响声波脉冲传输性能，导致回波脉冲串间时延发生可检测变化，即可达到传感目的。

1.5SAW延迟型无线传感器的防碰撞功能

防碰撞是指在阅读器的可探测范围内，允许多个传感器同时存在，而不会影响传感信息的接收。目前未经特殊设计的传感器，其回波波形都是询问信号脉冲的简单重复时域排列，不同传感器的回波重叠后，难以区分，即传感器没有防碰撞能力。

现今SAW传感器防碰撞技术主要有三种：芯片设计、软件算法和个体隔离。个体隔离就是减小阅读器有效范围，保证阅读器只接收到一个传感器回波；软件算法就是利用各传感器回波信号的差异，通过算法来分离出各传感器信息，已有许多探讨，实用性不明确。

芯片设计方式具有本质防碰撞特征，设计不同传感器的起始回波延迟时间不同使其回波序列彼此隔开，称为时分方式，以得到防碰撞功能。例如德国艾迪克·莱默克诊断公司(LDIC)架空输电线温度实时监测的RITHERM无线无源SAW温度传感系统，防碰撞功能为五，如图6A和图6B所示。

由上所述，目前SAW延迟型无线传感器的防碰撞功能还不能满足实用需求。

二、采用码分机制实现芯片级防碰撞功能的SAW延迟线型无线传感器

本节将基于发明专利：声表面波无源射频识别标签和传感器(ZL2010101761425)，阐述采用码分机制实现芯片级防碰撞SAW延迟线型无线传感器的工作原理。

2.1SAW延迟线型传感器应答器的输入叉指换能器

应答器芯片的输入换能器接收射频询问脉冲激励，在芯片上得到询问声表面波脉冲，作为传感信息激励源输入。

现今的SAW延迟线型无线传感器的输入叉指换能器大都是常规等周期均匀换能器，采用单频载波窄脉冲激励，得到的询问声脉冲是载波脉冲和输入换能器的卷积，为宽度稍大于换能器时域长度的近似矩形脉冲。声脉冲沿声道前进，其特性被传感量调制，最后被输出叉指换能器组再次声电转换后，形成的电磁回波脉冲串，其宽度将又被扩展。

近年来许多文献报道，通过改变输入换能器设计，可以发挥SAW器件的潜力。例如：

美国专利US005469170和美国专利US006788204都提出：采用色散换能器作为SAW标签芯片的输入换能单元，并接收线性调频调制载波脉冲，可在芯片内形成极窄的询问声脉冲。由于询问声脉冲窄，有利于电磁回波检测精度。

2.2SAW相关换能器

SAW器件中叉指换能器实现了SAW器件特有的电-机-电无源能量转换机制，通过对叉指换能器参数的设计，可使其具有实时实现相关、卷积等复杂电信号处理功能，在需要高速实时处理的应用中，具有不可代替的应用。已在雷达和微弱信号检测中广泛应用的SAW相关器，就利用了编码叉指换能器的调制脉冲选择性，以下称具有此类特性的叉指换能器为相关换能器。

1998年W.Buff等报导了OCC技术：采用编码为S1(t)的相关换能器作为声表面波标签输入换能单元，用其时间反演编码S1(-t)调制载波源激励，在芯片内获得了极窄询问声脉冲。

目前，SAW相关换能器采用的编码方式也有两种：脉冲极性编码和正交频率编码。为简单计，本文只就前一种方式论述相关换能器的特性。

2.2.1脉冲极性编码SAW相关换能器

图7为七位脉冲极性编码SAW叉指换能器结构，换能器是多个极性不同的子换能器组合，通过子换能器电极汇流不同实现极性调制，其排列序即为编码，子换能器时域长度等于编码电脉冲的码片长度。图7中，每个子换能器长度是4个波长，换能器编码(以十六进制表示)是七位码H0D＝(0001101)，这是一个巴克码。

2.2.2SAW相关换能器对输入编码脉冲的相关性

对SAW相关换能器输入一个编码电脉冲后，输出为输入编码脉冲与编码换能器卷积生成的声信号，此时输入脉冲的参数要与相关换能器的参数匹配：载波频率对应于换能器周期，编码位数与子换能器数相同，脉冲码片长度对应于子换能器时域长度。当输入编码电脉冲的编码是此SAW相关换能器编码的时域反演时，其输出卷积信号称为自相关信号，如图8A、图8B和图8C所示，它具有极大幅度中心峰，峰宽约为输入脉冲码片长度，而旁瓣较小，其时域长度约为输入脉冲的两倍。输入编码电脉冲的编码为其他情况时，其输出卷积信号称为互相关信号，如图9A、图9B和图9C所示，为具有幅度起伏、但没有明显主峰、且时域长度同样约为输入脉冲两倍的杂散波。

如果我们选取一组码，它们之间的互相关特性很好，也就是说：采用其中一个码编码的SAW相关换能器，如输入一个编码为其时间反演的询问脉冲，则在其激励后，所产生的自相关响应是一个极窄的大幅度声脉冲，作为传感信息激励源，由此得到的应答器传感回波明显；而被其他码编码的询问脉冲激励后，产生的互相关信号，只是幅度较小的杂散波，由此得到的应答器回波极小。我们称为这一组码组成一个相容码组，每个成员称为相容码，其数目叫做相容码组的度。由此，采用相容码组成员编码的SAW相关换能器对该码组成员编码的输入电脉冲具有良好的码选择性，故称为码分机制。

图8A、图8B和图8C为SAW相关换能器的相关特性模拟，表示十三位码H0357＝(0001101010111)的自相关输出特性，其自相关峰高约为其码长13，而自相关旁瓣值最大仅为4，自相关特性良好。图9A、图9B和图9C表示该码和码H046D＝(0010001101101)的互相关输出特性，其互相关极值也为4，仅为峰值的30％。可认为码H0357和码H046D组成码长13的一个相容码组。

2.3相容码组

SAW相关换能器编码属于扩频通信技术的伪随机码，但现今广泛应用的周期伪随机码序列和巴克码等非周期码序列，没有考虑码间互相关特性。为具有防碰撞功能，我们要求系统采用的一组定码长扩频码，是需满足下列要求的集合：

a.每个成员的自相关特性旁瓣值尽量小；

b.成员间的互相关值尽量小；

c.成员数尽量多；

d.每个成员近似为平衡码；

满足上述要求的一组码，称为具有规定性能的一个相容码组。相容码组的性能由下列参数确定：码长n，各码平衡值的最大容许值ph，各码自相关特性旁瓣最大值的最大容许值PSL，码间互相关特性最大值的最大容许值FXG，并用(码长，ph，PSL，FXG)表示相容码组类。例如前述13位码相容码组可标记为(13，1，4，4)。

相容码组成员总数称为其度m，即采用该相容码组作为系统扩频码时，可能达到的本质防碰撞、可分辨不同类传感器的数目。

可采用计算机搜索方法，寻找相容码组。实际操作后，发现：对相容码组的要求越高，越难以得到可用的相容码组；码长越长，相容码组的度有可能增大，但与码长度没有同步增长关系。

已搜索到特征为(13，5，4，5)的相容码组，其最大度m为8。

2.4采用码分机制实现防碰撞功能

采用SAW相关换能器作为SAW无线传感器应答器芯片的输入换能单元，而且阅读器采用该相容码的时域反演码调制的电询问脉冲(称为匹配询问脉冲)对此应答器进行询问。由于同一相容码组的相关特性，此应答器仅被其匹配询问电脉冲产生芯片内极窄询问声脉冲峰，而对其它非匹配询问电脉冲没有明显响应。即采用同一相容码组编码的芯片具有良好的询问脉冲选择性，即有码选择性，由此实现了芯片级防碰撞功能。

如果我们优选了一组相容码，度为m，并设计制作了m种传感芯片，则我们得到了防碰撞性能为m的采用码分机制的SAW无线传感器。

2.5阅读器要求

由于采用了相关换能器作为传感器芯片的换能装置，阅读器发出的询问脉冲，也必须是编码脉冲，且能变换编码来匹配应答器。所以阅读器的发射端需增加码生成和调制部件，如图10。

三、采用时分机制实现芯片级防碰撞功能的SAW延迟线型无线传感器

采用时分机制实现芯片级防碰撞功能，已有实际应用，如前述德国艾迪克·莱默克诊断公司(LDIC)架空输电线温度实时监测的RITHERM无线无源SAW温度传感系统。图6A和图6B左为其芯片示意，采用了延迟反射型结构，不同芯片上反射栅组，距离输入叉指换能器距离(起始延迟距离)不同，防碰撞数仅为5(图6A和图6B)。

3.1天线

如前述，延迟线型传感芯片的天线可以有两种方式：收发共用单天线和收发分离双天线形式。

收发共用单天线形式，输入相关换能器与输出相关叉指换能器组的汇流电极连在一起，如图4所示。由于共用天线，除输出相关换能器组产生的主电磁回波串外，由于输出相关换能器反射回来并被输入换能器再转换的二次电磁回波串也会附加在上述主电磁回波串后。如果输出相关换能器组较长，主回波后部会和二次回波前部叠加，形成明显干扰。当然，二次回波幅度比主回波小许多，干扰效应影响不大。

收发分离天线双天线形式，输入换能器与输出相关换能器组的汇流电极不连在一起，各自接一天线，如图5所示。这克服了上述收发共用天线形式的不足，但付出了成本代价。

3.2采用巴克码相关换能器作为输出换能器

采用伪随机编码的相关换能器代替常用均匀叉指换能器作为声表面波延迟线型无线传感器应答器芯片的输出叉指换能器，是一种扩频通信中匹配相关接收技术应用。

3.2.1扩频通信

阅读器接收应答器传感回波，实质就是一种单向模拟信息通信应用。信息传输的可靠性，是通信技术的基本问题，是指通信系统可靠地传输信息的能力，可用整个系统的输出信噪比来衡量的，取决于通信系统的抗干扰能力。

信息理论中的香农信道容量公式明确表明，信道中传输系统的信噪比下降时，可以用增加系统传输带宽的办法来保持系统无差错传输信息能力，由此催生了扩频通信技术。

扩频通信，即扩展频谱通信，是围绕提高信息传输可靠性而提出的一种有别于常规通信系统的新技术。它将待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数(与待传输的信息信号无关)扩展频谱后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术将扩展了的频谱进行压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而达到传输信息目的。它有两个特点：

·传输信号的带宽远大于被传输的原始信息信号的带宽；

·传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常为伪随机编码信号。

3.2.2伪随机码

香农指出，在高斯白噪声干扰情况下，在平均功率受限信道中，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号，这是因为白噪声信号具有理想的δ函数自相关特性。

伪随机码(pseudo random code)又称伪噪声码(pseudo noise code)，简称PN码，是一种工程上能实现的具有类似白噪声特性的码。

大多数伪随机码是长周期码，在通信和雷达中广泛应用，具有优良的抗干扰性能。作为传感器芯片应用，码长越短越好，巴克码是优选。

3.2.3巴克码

巴克码(Barker code)是一种非周期码，它具有优秀的自相关特性：自相关函数峰高等于码长，而旁瓣绝对值不大于1。表明巴克码是一个非周期伪随机码。

目前已知的巴克码只有区区九种，且长度短，最长已知为十三位。用nHxxx表示码长n的巴克码(十六进制)如下：

2H0，2H1，3H1，4H01，4H02，5H02，7H0D，11H0ED，13H00CA。

作为通信码，要求其平衡值(码元对称性，即不同码值码元数目的差)要小，以及旁瓣比值低，较实用的巴克码为3H1，7H0D，11H0ED。

3.2.4巴克码相关换能器

以七位巴克码H0D＝(0001101)为例，该巴克码平衡值仅为1。其自相关函数如图11所示，相关峰高7，底部宽度为一个码元；自相关函数的旁瓣绝对高度为1，即为主峰的七分之一。

采用七位巴克码极性调制编码的相关换能器，如图7所示，其码元长为4个波长。

3.2.5巴克码相关换能器输出

用巴克码相关换能器作为延迟线型传感器的输出换能器，在输入换能器产生的激励声脉冲的作用下，将得到携带传感信息的电磁回波调制脉冲，如图12所示。为简化，认为激励声脉冲极窄，未计入对输出调制脉冲的展宽效应。

3.2.5优点

通用声表面波延迟线型无线传感器，其输出叉指换能器是均匀叉指换能器。其产生的电磁传感回波特征就是输入叉指换能器所产生的声脉冲的时延并展宽的仿形重复。每个脉冲展宽是由于输出换能器的长度，致使回波检测精度下降。

采用巴克码相关换能器作为声表面波延迟线型传感芯片的输出换能器，生成的传感回波被巴克码调制，使信息信号频谱展宽，成为扩频通信技术应用，具有扩频通信技术的所有优点：

抗干扰性能好。具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰等能力；对多径干扰不敏感。

频谱密度低，对其他通信系统的干扰小。

回波相关解调后的回波峰窄，有利于提高传感信息检测灵敏度。

3.3芯片布局

除输入叉指换能器外，由芯片上输出相关换能器组布局不同，可以有两种方式：串联和并联，简称为串联时分机制和并联时分机制。

图6A和图6B所示的德国艾迪克·莱默克诊断公司(LDIC)架空输电线温度实时监测的RITHERM无线无源SAW温度传感系统芯片，采用串联时分机制，即不同芯片上的回波产生机构作为整体，沿声道方向依次排列。由图6A和图6B可知，其防碰撞功能为五。

本发明采用了巴克码相关换能器作为输出换能器，其长度较通常的均匀换能器要长。这对采用串联时分机制芯片是不利的：大大减小了时基容量。因此不推荐应用串联时分输出换能器布局方式。

图12，图13为并联时分机制示意，即不同芯片上的输出相关换能器组是沿声道方向交叉排列，因而，不同芯片的回波，在同时获取时，也是交叉显示的。

图12中，由上至下的四列，表示以不同的起始回波延迟时间区分的时分机制芯片，以1,2,3，…，n表示不同芯片；由图可知，本例的防碰撞功能n＝9，实际应用时，可以达到数十，甚至一百。

每个芯片的输出换能器组由三个输出换能器构成，以a，b，c表示，顺序排列在芯片表面波声道上。

图12最下图，表示当所有应答器同时被相关接收时的回波脉冲显示，清楚标识出各应答器的回依次为1a，2a，3a，…，na；1b，2b，3b，…，nb；1c，2c，3c，…，nc。

图12为单天线结构，图13为双天线结构，其输出换能器布局是相同的。

注意，图11，图12,和图13中最下图与其上的各子图的内容不同，最下图的横坐标是回波时域表示，而其上各子图为芯片输出换能器组的几何位置表示，两者只有对应关系。

3.4输出叉指换能器组设计

延迟线型传感器的检测原理是：待测传感量变化时，声表面波回波间距也发生变化，检测其变化，就得到待测传感信息。

输入换能器与第一个输出换能器的距离，记为L0，表示该芯片的起始回波延迟距离。对延迟线型结构，实际起始回波延迟时间(设Vs为声表面波速)为：

T0＝L0/Vs

一般大于1us，以保证阅读器抗干扰能力。显见，比延迟反射型传感芯片的延迟时延小了一半，也就是说，要达到延迟反射型型芯片一样的抗干扰效果，L0要加长一倍，使得芯片长度增加明显。

从理论上说，一个输出换能器的回波，就可以获得传感信息。但由于：

·应答器与阅读器的相对运动状态，造成起始回波延迟时间的误差；

·芯片的温度特性，会导致T0的变化；

·芯片制作工艺容差，导致不同批次芯片有差异。

所以，作为传感芯片，至少有两个输出叉指换能器构成输出换能器组，起始回波延迟时间和回波间时距分别作为应答器区分和传感信息检测数据。设L1为两输出换能器间距，则回波间时距为：

T1＝L1/Vs

在一次近似下，认为T1与待传感信息量s有线性关系，线性系数为alpha：

T1(s)＝T1(s0)*{1+alpha*[s-s0]}

式中，T1(s0)是在待测信息参考值为s0时的回波时间距，而T1(s)是在待测信息值为s时，所测得的回波时间距。在应答器在s0状态校准时，可得到alpha和T1(s0)值，由此可得到待测传感信息s：

s＝[T1(s)-T1(s0)]/[alpha*T1(s0)]+s0

由上式可见，输出换能器间距L1越长，传感信息测量的精度越高。所以采用并联方式布局输出换能器组，传感信息测量的精度更高。

近来正发展阅读器采用相位检测回波间时距的技术，能使传感信息获取精度大大提高。但在只有两个输出换能器时，面临相位参考问题，极易产生相位测试误差360°以上的错误。由此，现今实用延迟型传感器都采用三个输出换能器构成输出换能器组：利用三个输出换能器间的时距比较，确定相位测试真值。相关说明可参考L.Reindl等发表的“HighPrecision Wireless Measurement of Temperature by Using Surface Acoustic WavesSensors"(Sensor 2003,Numberg,May,2003)。

当然，在设计时，应保证应答器在标称传感量测试范围内，所有芯片的回波均可满意分辨，如图12和图13中最下方所示。

3.5时分机制下防碰撞性能

由前述，时分机制下，芯片防碰撞功能等于在一定时间段内，可以分辨的回波脉冲起始延迟时基数目，即时序区内时基数目n，称为时序容量。

由于芯片长度是有限的，它与封装尺寸、生产工艺和性价比有关。

在确定的芯片长度时，输出换能器数目越多，有效时序区越短。

阅读器性能对防碰撞功能起主要作用。

四、本发明：采用码分时分机制实现芯片级防碰撞功能的SAW延迟线型无线传感器

本发明的实质是：将采用前述时分机制的芯片，其输入均匀叉指换能器用第二节所述相容码编码的相关换能器代替，即可得到采用码分时分机制实现防碰撞功能的声表面波延迟反射型传感芯片。

采用码分和并联时分机制的技术方案如图14和图15所示，分别为单天线和双天线结构。

4.1芯片

不失一般性，以图14示例说明采用码分时分机制实现防碰撞功能的声表面波延迟反射型传感芯片。芯片标识为Xx，大写字母X表示芯片编码分类，小写字母x代表时分序号1，2，…，n。

图14的芯片分为三类：A，B和C，各类芯片的叉指换能器均是同样码长的相关换能器，其编码为属于同一相容码组(10,0,3,4)的相容码；A：H16C＝(0101101100)，B:H1CA＝(0111001010)和C:H11D＝(0100011101)。

图14给出了三类五个芯片：A1、B1和C1为不同类、但起始延迟距离L0(此处为最小)相同的芯片；C1、C2和Cn为同一类、但起始延迟距离L0不同的芯片。

设阅读器发出的询问信号如图14左下方的编码(C类芯片编码H11D的时域反演编码)载波脉冲，被应答器天线接收后，馈电到芯片相关换能器，产生相关声脉冲，如图14上部中列所示：对匹配芯片(图14中C类芯片)，将得到典型的自相关声脉冲，幅度大，主峰窄(仅一个码元宽度)，且旁瓣低(1/3不到)；而对非匹配芯片(图14中A、B类芯片)，只能得到幅度不到40％的杂散互相关声脉冲。

所述声脉冲，是传感信息电磁回波的源，其特性明显影响回波特性。由于采用相关换能器和匹配询问脉冲，生成的声脉冲幅度大，主峰窄，由此被输出换能器组形成的回波电磁脉冲，也具有幅度大、主峰窄，为提高时分机制的时序容量打下良好基础。

图14右下为同时检测所有应答器时，阅读器得到的电磁回波示意。图14下方的时域特性，依次为C1a，C2a，…，Cna；C1b，C2b，…，Cnb；C1d，C2d，…，Cnd的回波，其中输出换能器标记为a，b，d。而A、B类芯片的回波被淹没在本底杂波中。这表明对一个特定询问信号，只有与其匹配的应答器会有传感器回波响应，且不同起始回波延迟特性的应答器的传感器回波也明显分开，即实现了码分时分防碰撞功能。

由图14可知，本实例采用的相容码组(10,0,3,4)的度为3，每类芯片的数目最大为9(时序容量)，故本实例的防碰撞功能为3*9＝27。

上述以码分和并联时分芯片(图14,图15)说明本发明，只表明本发明的优选方案之一。

4.2阅读器要求

由于本发明采用了巴克码调制的电磁回波脉冲，因此配套阅读器的回波接收部分，必须增加巴克码解调部件，如图16所示。

由于采用巴克码相关解调接收技术，阅读器检测灵敏度会较提高，传感器系统性能明显改进。

4.3本发明优点

本发明技术方案除具有现今SAW延迟线型无线传感器的所有特点外，还具有如下优点：

1.传感器防碰撞功能优异。如采用一13位相容码组，其相容码组度为8，传感器的防碰撞功能即为8。只要再结合13个起始延迟设计，传感器的防碰撞功能就超过100，已满足绝大多数应用。

如采用相位检测方式提高阅读器性能，以及采用度更高的相容码组，本发明传感器防碰撞功能可近一千以上。

2.传感芯片上得到的询问声脉冲极窄，回波电脉冲也窄，提高了传感量的检测精度。

3.传感芯片上得到的询问声脉冲极窄，输出换能器的间距也可以变小，传感器芯片尺寸变短，传感器更小，成本也低。

4.本技术方案的编码技术，属于扩频技术应用，具有所有扩频通信技术的优点：抗干扰、实际发射射频功率小。

特别是，采用巴克码相关换能器作为阅读器芯片的传感信息输出换能器，阅读器采用巴克码匹配相关解调技术，抗干扰能力大大加强，极大提高了传感回波的检测灵敏度。

以上虽以温度传感器说明本发明，但本发明也能用于其他环境敏感量的无线防碰撞传感器应用。

虽然本发明通过实施例进行了描述，但实施例并非用来限定本发明。本领域技术人员可在本发明的精神的范围内，做出各种变形和改进，但同样均在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (4)

1.一种防碰撞声表面波延迟线型无线传感器系统，由应答器、阅读器和后台处理单元组成，其特征在于：

所述应答器内采用声表面波传感芯片；

所述声表面波传感芯片的输入叉指换能器为编码叉指换能器；

所述声表面波传感芯片至少有两个沿声道排列的输出叉指换能器，所述输出叉指换能器是同频编码叉指换能器；

所述应答器中声表面波传感芯片的输入叉指换能器，其编码为相容码；由采用同一相容码编码的声表面波传感芯片的多个应答器组成同类应答器；

起始延迟距离，即声表面波传感芯片的第一个输出叉指换能器与输入叉指换能器的距离，同类应答器中不同声表面波传感芯片彼此不同，同类应答器中不同声表面波传感芯片上的各个输出叉指换能器的间距一致；

设计上述各个输出叉指换能器间距时，应使在标称传感量测试范围内，同类应答器同时产生的电磁回波叠加后，所有回波峰都应能被阅读器分辨，获知其来源和传感信息。

2.根据权利要求1中所述的一种防碰撞声表面波延迟线型无线传感器系统，其特征在于：所述应答器中声表面波传感芯片的输出叉指换能器，其编码为伪随机码。

3.根据权利要求2中所述的一种防碰撞声表面波延迟线型无线传感器系统，其特征在于：所述伪随机码是巴克码。

4.根据权利要求1中所述的一种防碰撞声表面波延迟线型无线传感器系统，其特征在于：所述阅读器具有相容码的产生部件和巴克码解调部件。