CN107367294B - 基于谐振式声表面波无线无源传感器的双极化检测系统 - Google Patents

Abstract

基于谐振式声表面波无线无源传感器的双极化检测系统，涉及声表面波无线无源传感器。由可激发两个极化方向相互垂直电磁波的双极化传感端天线、可激发两个极化方向相互垂直电磁波的双极化质询端天线、相位匹配及阻抗匹配电路、极化方向切换开关、收发切换开关、射频信号收发处理电路、占空比错误检测电路、显示单元及微处理器单元等组成。可在同一个频谱带宽内对声表面波传感器的两个传感量进行检测，由质询端天线和传感端天线的极化方向匹配实现不同传感量的识别，同时包含有占空比错误检测功能，相位匹配抗干扰设计。能在有限带宽内高效地检测两个声表面波无线无源传感器的传感信息，可应用于轮胎的压力‑温度监控、机械的高温‑扭矩保护等。

Description

基于谐振式声表面波无线无源传感器的双极化检测系统

技术领域

本发明涉及声表面波无线无源传感器，尤其是涉及基于谐振式声表面波无线无源传感器的双极化检测系统。

背景技术

无线无源化是传感器发展的必然趋势。一方面，限制于供电电池的使用，内置电源传感器结构将更为复杂，传感系统的维护成本也更高。而无源传感器技术的应用，特别是纯无源传感器，非常适合于各种恶劣环境的应用，这与RFID(射频身份识别)类型的无源传感器相比有无可替代的优势，而内置微能量收集的传感器则技术不成熟且成本太高。另一方面，无线传感器极大方便了某些特殊环境中的信息传输需求，如密闭环境中、高速旋转物体等不易布置线路的环境，无线传感系统是最佳选择。

基于声表面波技术的传感器因各种优点非常适合于无线无源的传感检测系统。声表面波技术是20世纪60年代末期开始发展的一种新兴技术领域，它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。由于声表面波的传播速度比电磁波慢10万倍，而且在它的传播路径上容易取样和进行处理，因此用声表面波去模拟电子学的各种功能，能使电子器件实现超小型化和多功能化。声表面波传感器的基本工作原理是传感器在受到外界的压力、湿度、湿度、扭力、粒子吸附等物理量的作用时，其谐振频率或延时特性等会随着外界物理量的变化而变化，根据谐振频率或延时等的测试结果进行相应数据处理就可以得到外界物理量的变化情况。例如，压力作用于声表面波谐振器基片上会引起基片材料常数发生变化，这就使基片上声表面波波速发生变化，同时声表面波谐振器在压力作用下其几何尺寸也发生变化，从而导致声表面波的波长等性能参数发生变化。因此，声表面波传感器的工作原理也主要分为谐振式和延迟式两种，前者是依据谐振频率随传感量变化而变化的特性，后者是利用声表面波回波时延随传感量变化而变化的现象。与延迟式声表面波传感器仅响应几个不易采样检测且易受外部干扰的几个尖峰相比，谐振式声表面波传感器因能充分发挥谐振后良好的储能效应，其回波持续一定的时间，可以较为方便地检测其频率变化。

但目前振式声表面波传感器一般仅为单物理量测量，或是与RFID结合实现同一位置多物理量多目标测量，但因为RFID芯片的存在，也限制了其广泛应用，又导致了其成本增加。虽然有些研究结果已经利用多个相隔的频谱的方式实现同一位置多物理量同时测量，但这通常仅限于实验测试使用，无法逾越各国家地区对电磁波频谱的管制。若在有限的带宽内进行分频利用，则会降低传感器的分辨力，还会因需要苛刻射频滤波单元而难以实现。也有使用多个天线对同一位置实现多物理量的无线检测传输的研究，但因对天线的方向性和各路无线信号的空间隔离度要求太高而无法广泛应用。

综上所述，为了符合既定频谱标准、达到高分辨力传感、适应恶劣使用环境，又能实现双传感量的无线无源检测，进行基于谐振式声表面波无线无源传感器的双极化检测系统的研究，实现相关技术攻关。对整个纯无线无源传感器技术领域的进步和相关产业的发展具有积极的推动作用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，提供结构新颖、双极化无线检测，并带有传感信息错误检测功能的经济高效的基于谐振式声表面波无线无源传感器的双极化检测系统。

本发明设有双极化传感端天线、双极化质询端天线、相位匹配及阻抗匹配电路、射频开关、射频信号收发处理电路、占空比错误检测电路、显示单元和微处理器，所述双极化传感端天线为可激发两个极化方向相互垂直电磁波的双极化传感端天线，所述双极化质询端天线为可激发两个极化方向相互垂直电磁波的双极化质询端天线；

所述双极化传感端天线使用两个馈电点的结构，各自为两个极化方向的电磁波提供馈电和能量接收。

所述双极化质询端天线使用两个馈电点的结构，各自为两个极化方向的电磁波提供馈电和能量接收。

所述双极化质询端天线与双极化传感端天线之间通过两个极化方向相互垂直的电磁波传递两个声表面波传感器的传感信息。

所述相位匹配及阻抗匹配电路是传感器与传感端天线的匹配电路，所述相位匹配在工作带宽内为两个极化方向的馈电点提供180°的相位差达到反相效果以减少系统内干扰，所述阻抗匹配电路为声表面波传感器和传感端天线之间提供阻抗匹配以达到最佳的传感信息传输。

所述射频开关包括极化方向切换开关和收发切换开关，射频开关由微处理器控制，极化方向切换开关和收发切换开关在时序上配合完成两路无线传感信息的收发。

所述射频信号处理电路由质询信号谐振电路、功放电路、传感信息接收后的滤波电路、低噪声放大电路、压控放大电路和混频电路组成。

所述占空比错误检测电路将混频器输出的声表面波传感器回波整形后的信号在规定时间内进行占空比检测以判定回波信号是否满足检测时长，若在规定时长内占空比与预定的值不一致，则说明传感信息产生与传输过程中有误或存在干扰。

所述显示单元和微处理器包括传感系统的结果显示、信号收发控制、信号极化方向切换控制、干扰判别、数据取舍处理等功能。

本发明在同一频谱带宽内利用两个相互垂直极化的电磁波检测谐振式声表面波传感器的两个回波传感信息，并带有传感信息错误检测功能的应用广泛且经济高效的无线无源传感检测系统。使用可激发两个极化方向相互垂直电磁波的双极化传感端天线和质询端天线。将传感端天线的两个相互垂直极化工作的馈电点分别和两个声表面波传感器相连接。将质询端天线的两个相互垂直极化工作的馈电点和极化方向切换开关相连接。将质询端天线和传感端的天线之间的垂直交叉极化的电磁波分别用于两个声表面波器件的传感信息传输。

本发明承载两个声表面波器件的传感信息传输的两个电磁波信号极化方向相互垂直。传感端天线和传感器之间使用相位匹配电路，使天线两个相互垂直极化工作的馈电点的电磁波相位相反。将混频器输出的声表面波传感器回波整形后的信号在规定时间内进行占空比检测以判定回波信号是否满足检测时长。

本发明提供一种结构新颖、双极化无线检测，并带有传感信息错误检测功能的经济高效的无线无源传感检测系统。检测系统由可激发两个极化方向相互垂直电磁波的双极化传感端天线、可激发两个极化方向相互垂直电磁波的双极化质询端天线、相位匹配及阻抗匹配电路、极化方向切换开关、收发切换开关、射频信号收发处理电路、占空比错误检测电路、显示单元及微处理器单元等组成。可在同一个频谱带宽内对声表面波传感器的两个传感量进行检测，由质询端天线和传感端天线的极化方向匹配实现不同传感量的识别，同时包含有占空比错误检测功能，相位匹配抗干扰设计。所述系统能在有限带宽内高效地检测两个声表面波无线无源传感器的传感信息，可广泛应用于轮胎的压力-温度监控、机械的高温-扭矩保护等恶劣环境的无线无源双传感量检测。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

本发明实施例设有双极化传感端天线、双极化质询端天线、相位匹配及阻抗匹配电路、射频开关、射频信号收发处理电路、占空比错误检测电路、显示单元和微处理器，所述双极化传感端天线为可激发两个极化方向相互垂直电磁波的双极化传感端天线，所述双极化质询端天线为可激发两个极化方向相互垂直电磁波的双极化质询端天线。

所述双极化传感端天线使用两个馈电点的结构，各自为两个极化方向的电磁波提供馈电和能量接收。

所述双极化质询端天线使用两个馈电点的结构，各自为两个极化方向的电磁波提供馈电和能量接收。

所述双极化质询端天线与双极化传感端天线之间通过两个极化方向相互垂直的电磁波传递两个声表面波传感器的传感信息。

所述相位匹配及阻抗匹配电路是传感器与传感端天线的匹配电路，所述相位匹配在工作带宽内为两个极化方向的馈电点提供180°的相位差达到反相效果以减少系统内干扰，所述阻抗匹配电路为声表面波传感器和传感端天线之间提供阻抗匹配以达到最佳的传感信息传输。

所述射频开关包括极化方向切换开关和收发切换开关，射频开关由微处理器控制，极化方向切换开关和收发切换开关在时序上配合完成两路无线传感信息的收发。

所述射频信号处理电路由质询信号谐振电路、功放电路、传感信息接收后的滤波电路、低噪声放大电路、压控放大电路和混频电路组成。

所述占空比错误检测电路将混频器输出的声表面波传感器回波整形后的信号在规定时间内进行占空比检测以判定回波信号是否满足检测时长，若在规定时长内占空比与预定的值不一致，则说明传感信息产生与传输过程中有误或存在干扰。

所述显示单元和微处理器包括传感系统的结果显示、信号收发控制、信号极化方向切换控制、干扰判别、数据取舍处理等功能。

参见图1，在传感器1的谐振式声表面波传感器-Y测量采集期间极化控制信号20为低电平，射频开关5连接垂直极化端Y。

433MHz的信号源19产生基本的质询频率信号RF433，通过功放单元18接入收发射频开关6。此时微处理器的收发控制21设置为高电平，使射频开关6接通发射E。此时质询信号由射频开关5向质询端天线4馈电，产生垂直极化的电磁波向传感端天线3发射。

传感端天线3接收质询信号RF433后，通过匹配电路2激发传感器1的声表面波谐振传感器Y产生随被测量变化的谐振频率信号RF433±△f，并储存能量。质询周期过后，射频开关6打接收端R。传感器1的声表面波谐振传感器Y逐渐通过匹配电路2往传感端天线3发送指数衰减式的回波信号RF433±△f。

回波信号RF433±△f通过垂直极化的电磁波由质询端天线4接收并通过射频开关5和6送至带通滤波器7。通过滤波器7抑制干扰信号之后由低噪声放大器8将信号放大，再传递至压控增益放大器9以扩大指数衰减式回波信号RF433±△f的可检测时间窗口。

回波信号RF433±△f与RF400本振信号源17通过混频器10产生中频信号IF33±△f，通过中频带通滤波器11将IF33±△f信号交由信号整形电路12，将正弦信号转变为便于数字电路处理的方波信号。

方波信号一方面送至定时计数器13计算一定时间的脉冲数量，再经微处理器15计算频率并换算为传感器1的声表面波谐振传感器Y的测量值；另一方面送至占空比检测电路14，计算在计数时间内，其占空比是否为50％。

若占空比为50％，则测量值存入微处理器15内存，否则丢弃该测量值。

而在传感器1的声表面波传感器-X测量采集期间射频开关5连接垂直极化端一端X，从新按照以上步骤进行另一个传感量的测量。

最后微处理器15根据多次采样的数据量进行统计分析，得出传感器1两个声表面波谐振传感器传感量的准确测量值。在图1中，标记16为显示模块，A为垂直极化馈电点，B为水平极化馈电点，X0为水平极化波检测传感量，Y0为垂直极化波检测传感量。

Claims (3)

1.基于谐振式声表面波无线无源传感器的双极化检测系统，其特征在于设有双极化传感端天线、双极化质询端天线、相位匹配及阻抗匹配电路、射频开关、射频信号收发处理电路、占空比错误检测电路、显示单元和微处理器；所述双极化传感端天线通过相位匹配及阻抗匹配电路与无线无源传感器相连接获取传感信息、通过空间电磁波传输给双极化质询端天线，双极化质询端天线与射频开关相连、射频开关再将信号送至射频信号收发处理电路、经过占空比错误检测电路和微处理器，最终由显示单元显示传感量数值；双极化传感端天线为可激发两个极化方向相互垂直电磁波的双极化传感端天线，所述双极化质询端天线为可激发两个极化方向相互垂直电磁波的双极化质询端天线；

所述双极化传感端天线使用两个馈电点的结构，各自为两个极化方向的电磁波提供馈电和能量接收；所述双极化质询端天线使用两个馈电点的结构，各自为两个极化方向的电磁波提供馈电和能量接收；

所述相位匹配及阻抗匹配电路是传感器与传感端天线的匹配电路；

所述射频开关包括极化方向切换开关和收发切换开关，射频开关由微处理器控制，极化方向切换开关和收发切换开关在时序上配合完成两路无线传感信息的收发；

所述射频信号处理电路由质询信号谐振电路、功放电路、传感信息接收后的滤波电路、低噪声放大电路、压控放大电路和混频电路组成；

所述占空比错误检测电路将混频器输出的声表面波传感器回波整形后的信号在规定时间内进行占空比检测以判定回波信号是否满足检测时长；

所述显示单元和微处理器包括传感系统的结果显示、信号收发控制、信号极化方向切换控制、干扰判别、数据取舍处理。

2.如权利要求1所述基于谐振式声表面波无线无源传感器的双极化检测系统，其特征在于所述双极化质询端天线与双极化传感端天线之间通过两个极化方向相互垂直的电磁波传递两个声表面波传感器的传感信息。

3.如权利要求1所述基于谐振式声表面波无线无源传感器的双极化检测系统，其特征在于所述相位匹配及阻抗匹配电路是传感器与传感端天线的匹配电路，所述相位匹配电路在工作带宽内为两个极化方向的馈电点提供180°的相位差达到反相效果以减少系统内干扰，所述阻抗匹配电路为声表面波传感器和传感端天线之间提供阻抗匹配。