CN105871373B - 一种声表面波传感器激励与查询装置及其频偏获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的声表面波传感器激励与查询装置，它包括发射链路，接收链路，过冲整形模块，选择开关以及控制模块；发射链路，用于在过冲整形模块的控制下发射激励信号，其输入端连接控制模块，其输出端连接选择开关；接收链路，用于在过冲整形模块的控制下接收回波信号，其输入端连接选择开关；过冲整形模块，用于将控制模块生成的开关控制信号的过冲消除掉，其输入端连接控制模块，其输出端分别与发射链接，接收链路和选择开关的控制端连接；选择开关，根据接收到的来自过冲整形模块的开关控制信号，选择发射链路或者接收链路的导通，其一端与天线连接；控制模块，用于配置发射链路和接收链路中信号源的输出频率，同时生成开关控制信号。

Description

一种声表面波传感器激励与查询装置及其频偏获取方法
【技术领域】
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及利用声表面传感器激励与查询的装置。
【背景技术】
声表面波(surface acoustic wave，以下简称SAW)传感器对许多物理、化学或生物量敏感，已在温度监测、扭矩测量、气压监测以及生化检测等方面得到了较深入的研究。
但是一般情况下SAW传感器为无源系统，也就是说需要外部激励信号去激励SAW传感器，然后SAW传感器发出回波，通常回波相对激励信号的频偏就携带有这些物理、化学或生物量的信息，例如温度、扭矩、气压等。对SAW传感器进行激励，并接收传感器回波进行频偏测定的装置就是声表面波(SAW)传感器激励与查询装置，也称为阅读器。在图1中，左侧装置为阅读器，右侧装置为无源SAW传感器。
声表面波传感器是一种新型传感器，它具有体积小,精度高,灵敏度高,抗干扰能力强、容易与数字化测试系统连接等优点。SAW谐振器可以工作在30MHz--3GHz频率范围，因此它可直接将射频电磁波转换成SAW或将SAW转换成射频电磁波，无需电源供电。这一特性使得以SAW谐振器为传感元的谐振器型SAW传感器可以实现无源、无线传感，在无源、无线单端对SAW谐振器型传感器中，间歇发送脉冲信号到传感元，在两次发送间歇接收被传感元返回的回波信号。该信号是谐振器的瞬态输出信号，它已受被测量调制，是一个以谐振器的谐振频率振荡的衰减信号。当外界环境变化时SAW谐振器的谐振频率随之改变，因此从回波信号中获得谐振频率，就能提取出传感的被测量信息。
现有技术中某些SAW阅读器的如图2所示，未在接收链路中使用开关进行隔离。因此在激励信号发射阶段激励信号会泄漏到接收链路，导致自动增益控制模块将低噪放大器的增益降低，影响回波接收的灵敏度。
现有技术中的另外一些SAW阅读器如图2、3所示。有的在发射链路中不设置开关，要么设置开关，但是开关的位置在功放之后。在发射链路中不设置开关会导致激励信号泄漏到接收链路(不管是激励信号发射阶段还是在回波接收阶段)，大大降低回波信号信噪比。如果在功放之后设置开关，因为此时信号源还在工作，还会有部分激励信号在回波接收阶段泄漏到接收链路中。
在当前的声表面波(SAW)传感器激励与查询装置中，控制模块负责生成开关控制信号。开关控制信号是数字脉冲，来自于数字芯片(DSP、MCU以及FPGA等)的管脚输出，因此不可避免的带有过冲(上冲或者下冲)现象(见图4)。过冲主要发生在数字脉冲的开始与结束时刻，会使得开关的开启与闭合不稳定。如果在回波接收阶段，由于开关控制信号过冲，会使得开关闭合时，破坏回波信号的完整，降低接收信号信噪比。在激励信号发射阶段，由于开关控制信号过冲，会使得开关闭合、断开的时候，破坏激励信号的完整性，影响激励效果(见图5、图6)。
由于无源声表面波传感器没有电源，只是依靠外部电磁波的激励产生回波，因此有效回波的有效长度极短，一般在10us左右。另外，由于传感器回波的频偏中携带了温度的信息，需要测量计算出此频偏。根据FFT理论，频率的分辨率取决于下式：
其中，fs为回波信号采样率，Ts为回波信号采样周期，L为回波时长。从式可以看出，一味地提高回波信号的采样速率，对于频频的分辨率是没有用处的。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供一种改进的声表面波传感器激励与查询装置。
本发明采用如下技术方案，构造声表面波传感器激励与查询装置，它包括发射链路，接收链路，过冲整形模块，选择开关以及控制模块；
发射链路，用于在过冲整形模块的控制下发射激励信号，其输入端连接控制模块，其输出端连接选择开关；
接收链路，用于在过冲整形模块的控制下接收回波信号，其输入端连接选择开关，其输出端连接外部设备；
过冲整形模块，用于将控制模块生成的开关控制信号的过冲消除掉，其输入端连接控制模块，其输出端分别与发射链接，接收链路和选择开关的控制端连接；
选择开关，根据接收到的来自过冲整形模块的开关控制信号，选择发射链路或者接收链路的导通，其一端与天线连接；
控制模块，用于配置发射链路和接收链路中信号源的输出频率，同时生成开关控制信号。
优选的，所述接收链路包括控制端与过冲整形模块一输出端连接的开关S2，开关S2根据过冲整形模块输出的控制信号，控制接收链路的通断。
优选的，所述发射链路包括开关S1，锁相环1，功放2；
开关S1，根据过冲整形模块输出的控制信号，控制发射链路的通断，其输出端连接锁相环1，其控制端连接过冲整形模块的一输出端；
锁相环1，用于锁定信号源输出激励信号的频率，其输出端和反馈端连接功放2；
功放2，用于对信号源输出激励信号进行放大。
优选的，它还包括回波信号处理模块，回波信号处理模块，用于对声表面波传感器输出的回波信号进行FFT处理，输出频偏，其输入端连接接收链路和控制模块；所述控制模块，还用于向回波信号处理模块提供回波到来通知信号。
本发明还提供一种声表面波传感器激励与查询装置的回波频偏获取方法，它包括如下步骤：
A1:利用最大谱线及其相邻的1根“第二大”谱线进行插值来确定真实频率位置。对回波离散信号s(n)作N点FFT处理，最大谱线值记为|S(k0)|，第二大谱线值记为|S(k0+r)|，则得到的频率估计值为：
其中，当|S(k0+1)|≥|S(k0-1)|时，m＝1；|S(k0+1)|＜|S(k0-1)|时，m＝-1；
A2:计算δ：
A3:如果则频率估计值为：
A4:如果则频率估计值为:
本发明的有益技术效果是：
1.在当前的声表面波(SAW)传感器激励与查询装置中，控制模块负责生成开关控制信号。开关控制信号是数字脉冲，来自于数字芯片(DSP、MCU以及FPGA等)的管脚输出，因此不可避免的带有过冲(上冲或者下冲)现象。过冲主要发生在数字脉冲的开始或结束时刻，会使得开关的开启与闭合不稳定。如果在回波接收阶段，由于开关控制信号过冲，会使得开关动作时，破坏回波信号的完整，降低接收信号信噪比。而在激励信号发射阶段，由于开关控制信号过冲，会使得开关动作的时候，破坏激励信号的完整性，影响激励效果。为了保证激励信号与回波信号的完整性，因此本发明使用过冲整形电路消除了开关控制信号的过冲。
2.在当前的声表面波(SAW)传感器激励与查询装置中，未在接收链路使用开关进行隔离。因此在激励信号发射阶段激励信号会泄漏到接收链路，导致自动增益控制模块将低噪放大器的增益降低，影响回波接收的灵敏度。而本发明中在激励信号发射阶段，使用开关S0与S2进行双重隔离。在激励信号发射阶段，开关S2断开，开关S0连接在发射链路，在双重开关的隔离下，激励信号泄露到接收链路的能量很小，不会使自动增益控制将LNA2的增益降低，提高了回波接收的灵敏度。
3.在当前的声表面波(SAW)传感器激励与查询装置中，有的在发射链路中不设置开关，要么设置开关，但是开关的位置在功放之后。在发射链路中不设置开关会导致激励信号泄漏到接收链路(不管是激励信号发射阶段还是在回波接收阶段)，大大降低回波信号信噪比。如果在功放之后设置开关，因为此时信号源还在工作，还会有部分激励信号在回波接收阶段泄漏到接收链路中。而在本发明中，在发射链路的开关S1闭合的时候，锁相环1开始工作，当锁相环1锁定激励信号频率的时候，锁相环1才将功放2启动输出激励信号。因此功放2激励信号从起始阶段频率是完整的，同时幅度也是完整的。在发射链路的开关S1断开的时候，锁相环1立刻关闭自身与功放2的激励信号输出，使得激励信号结束时频率与幅度保持完整。同时在回波接收阶段，没有激励信号泄漏到接收链路，提高了回波接收信号的信噪比。
4.因此本发明提出一种方法，可以在fs较小的情况下(但是需要满足采样定理)，也能达到较好的频偏分辨率。这种方法显著的降低了信号处理器件的成本。
【附图说明】
图1现有技术一中的声表面波传感器激励与查询装置示意图；
图2现有技术二中的声表面波传感器激励与查询装置电路组成示意图；
图3现有技术三中的声表面波传感器激励与查询装置电路组成示意图；
图4现有技术中的声表面波传感器激励与查询装置的开关控制信号的波形图；
图5现有技术中的声表面波传感器激励与查询装置接收阶段激励信号的波形图；
图6现有技术中的声表面波传感器激励与查询装置发射阶段激励信号的波形图；
图7实施例一中的声表面波传感器激励与查询装置组成框图；
图8实施例一中的声表面波传感器激励与查询装置发射阶段激励信号的波形图；
图9实施例一中的声表面波传感器激励与查询装置接收阶段激励信号的波形图；
图10实施例一中的声表面波传感器激励与查询装置的过冲整形电路电路原理图；
图11实施例一中的声表面波传感器激励与查询装置获取的频偏波形图。
【具体实施方式】
为了使本专利的技术方案和技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本专利的具体实施方式进行详细描述。
实施例一：
如图7，本实施例中的声表面波传感器激励与查询装置，包括发射链路，接收链路，回波信号处理模块，过冲整形模块，选择开关以及控制模块。
发射链路，用于在过冲整形模块的控制下发射激励信号，其输入端连接控制模块，其输出端连接选择开关。
接收链路，用于在过冲整形模块的控制下接收回波信号，其输入端连接选择开关，其输出端连接外部设备。
回波信号处理模块，用于对声表面波传感器输出的回波信号进行FFT处理，输出频偏，其输入端连接接收链路和控制模块。
过冲整形模块，用于将控制模块生成的开关控制信号的过冲消除掉，其输入端连接控制模块，其输出端分别与发射链接，接收链路和选择开关的控制端连接。
选择开关，根据接收到的来自过冲整形模块的开关控制信号，选择发射链路或者接收链路的导通，其一端与天线连接。
控制模块，用于配置两个信号源的输出频率，同时生成开关控制信号，以及向回波信号处理模块提供回波到来通知信号。
发射链路，包括信号源1，开关S1，锁相环1，功放1，功放2和带通滤波器1。
信号源1，用于产生特定频率的高频信号，其输入端连接控制模块，其输出端连接开关S1。
开关S1，根据过冲整形模块输出的控制信号，控制发射链路的通断，其输出端连接锁相环1。
锁相环1，用于锁定激励信号的频率，其输出端和反馈端连接功放2。
功放2和功放1串联，用于对激励信号进行放大，功放1的输出端连接带通滤波器1。
带通滤波器1，用于滤除激励信号中的杂波分量，其输出端连接选择开关S0。
接收链路，包括信号源2，锁相环2，带通滤波器2，低噪放大器1，开关S2，自动增益控制单元，低噪放大器2，下变频器，中频放大器，低通滤波器，模数变换单元。
信号源2，用于产生特定频率的高频信号，其输入端连接控制模块，其输出端连接锁相环2。
锁相环2，用于锁定激励信号的频率，其输出端连接下变频器。
带通滤波器2，用于滤除回波中的杂波分量，其输入端连接选择开关S0，其输出端连接低噪放大器1。
低噪放大器1，用于放大回波，其输出端连接开关S2。
开关S2，根据过冲整形模块输出的控制信号，控制接收链路的通断，其输出端连接自动增益控制单元。
自动增益控制单元，根据回波信号的强弱自动调节低噪放大器2的放大增益，其输出端连接低噪放大器2。
低噪放大器2，用于放大回波，其输出端连接下变频器。
下变频器，用于将回波和激励信号产生本振信号，同时调制回波到低中频，其输出端连接中频放大器。
中频放大器，用于放大调制后的回波，其输出端连接低通滤波器。
低通滤波器，用于滤除回波中的高频分量，其输出端连接模数变换单元。
模数变换单元，用于将回波转换成数字信号输出。
本实施例中的声表面波传感器激励与查询装置工作原理如下：
在激励信号发射阶段，首先控制模块配置信号源1、2的输出频率，然后输出开关控制脉冲，开关控制脉冲经过过冲整形，控制S1关闭，S2断开，S0接通发射链路。在发射链路的开关S1闭合的时候，锁相环1开始工作，当锁相环1锁定激励信号频率的时候，锁相环1才将功放2启动输出激励信号。因此功放2激励信号从起始阶段频率是完整的，同时幅度也是完整的(见图8)。在发射链路的开关S1断开的时候，锁相环1立刻关闭自身与功放2的激励信号输出，使得激励信号结束时频率与幅度保持完整。同时在回波接收阶段，没有激励信号泄漏到接收链路，提高了回波接收信号的信噪比(见图9)。其中，开关控制脉冲过冲整形电路如图10所示：
在回波信号接收阶段，控制模块输出的开关控制信号将S1断开，将S2闭合，将S0接到接收链路。此时回波信号经过低噪放大器1，触发自动增益控制，然后低噪放大器2继续放大回波。在下变频器中，信号源2与锁相环2共同产生本振信号，将回波信号降到低中频。后续经过中频放大与滤波，通过模数变换器将中频回波转换为数字信号。
最后，由控制模块通知回波信号处理模块读取回波数字信号，并进行FFT操作，获取频偏信息(见图11)。具体获取频偏的方法如下：
A1、首先利用最大谱线及其相邻的1根“第二大”谱线进行插值来确定真实频率位置。对回波离散信号s(n)作N点FFT处理，最大谱线值记为|S(k0)|，第二大谱线值记为|S(k0+r)|，则得到的频率估计值为：
其中，当|S(k0+1)|≥|S(k0-1)|时，m＝1；|S(k0+1)|＜|S(k0-1)|时，m＝-1。
A2、计算δ：
A3、如果则频率估计值为：
A4、如果则频率估计值为：
由上述工作过程可见，在当前的声表面波(SAW)传感器激励与查询装置中，控制模块负责生成开关控制信号。开关控制信号是数字脉冲，来自于数字芯片(DSP、MCU以及FPGA等)的管脚输出，因此不可避免的带有过冲(上冲或者下冲)现象。过冲主要发生在数字脉冲的开始或结束时刻，会使得开关的开启与闭合不稳定。如果在回波接收阶段，由于开关控制信号过冲，会使得开关动作时，破坏回波信号的完整，降低接收信号信噪比。而在激励信号发射阶段，由于开关控制信号过冲，会使得开关动作的时候，破坏激励信号的完整性，影响激励效果。因此本系统中，为了保证激励信号与回波信号的完整性，使用过冲整形电路消除开关控制信号的过冲。
在当前的声表面波(SAW)传感器激励与查询装置中，未在接收链路使用开关进行隔离。因此在激励信号发射阶段激励信号会泄漏到接收链路，导致自动增益控制模块将低噪放大器的增益降低，影响回波接收的灵敏度。而本实施例在激励信号发射阶段，使用开关S0与S2进行双重隔离。在激励信号发射阶段，开关S2断开，开关S0连接在发射链路，在双重开关的隔离下，激励信号泄露到接收链路的能量很小，不会使自动增益控制将LNA2的增益降低，提高了回波接收的灵敏度。
在当前的声表面波(SAW)传感器激励与查询装置中，有的在发射链路中不设置开关，要么设置开关，但是开关的位置在功放之后。在发射链路中不设置开关会导致激励信号泄漏到接收链路(不管是激励信号发射阶段还是在回波接收阶段)，大大降低回波信号信噪比。如果在功放之后设置开关，因为此时信号源还在工作，还会有部分激励信号在回波接收阶段泄漏到接收链路中。而在本实施例中，在发射链路的开关S1闭合的时候，锁相环1开始工作，当锁相环1锁定激励信号频率的时候，锁相环1才将功放2启动输出激励信号。因此功放2激励信号从起始阶段频率是完整的，同时幅度也是完整的。在发射链路的开关S1断开的时候，锁相环1立刻关闭自身与功放2的激励信号输出，使得激励信号结束时频率与幅度保持完整。同时在回波接收阶段，没有激励信号泄漏到接收链路，提高了回波接收信号的信噪比。
由于无源声表面波传感器没有电源，只是依靠外部电磁波的激励产生回波，因此有效回波的有效长度极短，一般在10us左右。另外，由于传感器回波的频偏中携带了温度的信息，需要测量计算出此频偏。根据FFT理论，频偏的分辨率取决于下式：
其中，fs为回波信号采样率，Ts为回波信号采样周期，L为回波时长。从上式可以看出，一味地提高回波信号的采样速率，对于频偏的分辨率是没有用处的。因此本实施例提出一种方法，可以在fs较小的情况下(但是需要满足采样定理)，也能达到较好的频偏分辨率。这种方法显著的降低了信号处理器件的成本。
以上所述仅为本专利的优选实施例而已，并不用于限制本专利，对于本领域的技术人员来说，本专利可以有各种更改和变化。凡在本专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种声表面波传感器激励与查询装置，其特征在于：它包括发射链路，接收链路，过冲整形模块，选择开关以及控制模块；
发射链路，用于在过冲整形模块的控制下发射激励信号，其输入端连接控制模块，其输出端连接选择开关；
接收链路，用于在过冲整形模块的控制下接收回波信号，其输入端连接选择开关，其输出端连接外部设备；
过冲整形模块，用于将控制模块生成的开关控制信号的过冲消除掉，其输入端连接控制模块，其输出端分别与发射链接，接收链路和选择开关的控制端连接；
选择开关，根据接收到的来自过冲整形模块的开关控制信号，选择发射链路或者接收链路的导通，其一端与天线连接；
控制模块，用于配置发射链路和接收链路中信号源的输出频率，同时生成开关控制信号。
2.如权利要求1中所述的声表面波传感器激励与查询装置，其特征在于：所述接收链路包括控制端与过冲整形模块一输出端连接的开关S2，开关S2根据过冲整形模块输出的控制信号，控制接收链路的通断。
3.如权利要求1中所述的声表面波传感器激励与查询装置，其特征在于：所述发射链路包括开关S1，锁相环1，功放2；
开关S1，根据过冲整形模块输出的控制信号，控制发射链路的通断，其输出端连接锁相环1，其控制端连接过冲整形模块的一输出端；
锁相环1，用于锁定信号源输出激励信号的频率，其输出端和反馈端连接功放2；
功放2，用于对信号源输出激励信号进行放大。
4.如权利要求1至3中任一所述的声表面波传感器激励与查询装置，其特征在于：它还包括回波信号处理模块；回波信号处理模块，用于对声表面波传感器输出的回波信号进行FFT处理，输出频偏，其输入端连接接收链路和控制模块；所述控制模块，还用于向回波信号处理模块提供回波到来通知信号。
5.一种声表面波传感器激励与查询装置的频偏获取方法，其特征在于：它包括如下步骤：
A1:利用最大谱线及其相邻的1根“第二大”谱线进行插值来确定真实频率位置；对回波离散信号s(n)作N点FFT处理，最大谱线值记为|S(k0)|，第二大谱线值记为|S(k0+r)|，则得到的频率估计值为：
其中，当|S(k0+1)|≥|S(k0-1)|时，m＝1；|S(k0+1)|＜|S(k0-1)|时，m＝-1；
A2:计算δ：
A3:如果则频率估计值为：
A4:如果则频率估计值为:
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