CN108680199A - 一种声表面波温湿度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种声表面波温湿度传感器，属于温度、湿度测试领域，解决了现有传感器不能同时测量温度、湿度，而且不能再多个传感器情况下实现传感器信号区分的问题。一种声表面波温湿度传感器，温湿度传感器通过设置在延迟线上的叉指换能器进行声表面波和电磁波的相互转换，并通过声表面波在延迟线上传播时间差来计算得出温度和湿度。本发明通过无线方式测量温湿度信息，减少了复杂布线的后期维护；本发明的传感器器件本身是无源器件，使用寿命没有电池电源限制，适用于密闭、高速旋转等极端条件；本发明的传感器本身集成编码信息，可方便得到监测点与监测信息的对应关系。

Description

一种声表面波温湿度传感器

技术领域

本发明涉及温度、湿度测试技术领域，尤其涉及一种声表面波温湿度传感器。

背景技术

温度、湿度测量在工业、农业等领域有着重要作用，一般温湿度传感器需要额外供电，因此需要在测量场合布置额外线缆，对传感器维护、稳定性都有较大影响。而且现有的传感器通常在一个测量场合需要布置大量的传感器，存在着传感器返回值与监测点很难一一对应的问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种声表面波温湿度传感器，用以解决现有传感器不能同时测量温度、湿度，而且不能再多个传感器情况下实现传感器信号区分的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种声表面波温湿度传感器，温湿度传感器通过设置在延迟线上的叉指换能器进行声表面波和电磁波的相互转换，并通过声表面波在延迟线上传播时间差来计算得出温度和湿度。

延迟线包括：叉指换能器、反射栅、湿度敏感膜；叉指换能器、反射栅、湿度敏感膜共线，且湿度敏感膜设置在叉指换能器和反射栅之间；

声表面波从叉指换能器发出，并穿过湿度敏感膜，经反射栅部分声表面波沿原传播路径反射。

延迟线均设置在基片上，基片采用温度稳定的牙垫晶体切片。

反射栅设有至少N个，N≥2，并沿延迟线排列；当反射栅个数N≥3时等距排列。

待测温度T满足：

其中：i≠j，且i、j均为小于等于N的整数；为温度T₀，湿度H₀时，声表面波经第i个反射栅反射后信号返回的时间；τ_i为待测温度T，待测湿度H时，声表面波经第i个反射栅反射后信号返回的时间；λ为基片中声表面波的温度系数。

待测湿度H满足：

其中：μ为湿度敏感膜的灵敏度。

叉指换能器沿延迟线方向设置，且汇流条连接温湿度传感器的天线。

湿度敏感膜可以吸收水蒸气改变自重，影响声表面波的传播；湿度敏感膜采用多孔二氧化硅或聚酰亚胺或氧化石墨烯材料制成。

反射栅采用短路形式或开路形式；

短路形式的反射栅为在开路形式的反射栅基础上，将反射栅同一侧的端部短接。

在同一环境下可以使用K个温湿度传感器测量温度和湿度，K≥2；

温湿度传感器均设置k+2个反射栅，除了第一个和最后一个反射栅之外的k个反射栅均可以除去，且任意2个温湿度传感器除去的的反射栅的位置均不相同；按是否设有反射栅转换为与温湿度传感器一一对应的k位二进制数，且k位二进制数转换为十进制数大于或等于K。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过无线方式测量温湿度信息，减少了复杂布线的后期维护。

2、本发明的传感器器件本身是无源器件，使用寿命没有电池电源限制，适用于密闭、高速旋转等极端条件。

3、本发明的传感器本身集成编码信息，可方便得到监测点与监测信息的对应关系。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为一种声表面波温湿度传感器的除天线之外的主体结构示意图；

图2为一种声表面波温湿度传感器在4个传感器同时使用时的编码示意图；

附图标记：1-基片；2-延迟线；3-叉指换能器；4-反射栅；5-湿度敏感膜。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

一种声表面波温湿度传感器，温湿度传感器通过设置在延迟线2上的叉指换能器3进行声表面波和电磁波的相互转换，并通过声表面波在延迟线2上传播时间差来计算得出温度和湿度。器件本身是无源器件，可以直接测量温度和湿度，使用寿命没有电池电源限制，适用于密闭、高速旋转等极端条件。

延迟线2包括：叉指换能器3、反射栅4、湿度敏感膜5；叉指换能器3、反射栅4、湿度敏感膜5共线，且湿度敏感膜设置在叉指换能器3和反射栅4之间；声表面波从叉指换能器3发出，并穿过湿度敏感膜5，经反射栅4部分声表面波沿原传播路径反射。通过湿度敏感膜5和基片1本身的性质，来影响声表面的传播速度，通过反射栅4反射后的声表面波返回的时间来计算温度和湿度。

延迟线2均设置在基片1上，基片1采用温度稳定的牙垫晶体切片。在此类基片1上声表面波的传播速度与温度近似呈线性变化关系，可以有效的减小由温度变化引起的非线性速度变化，减小计算误差。

反射栅4设有至少N个，N≥2，并沿延迟线2排列；当反射栅4个数N≥3时等距排列。

待测温度T满足：

其中：i≠j，且i、j均为小于等于N的整数；为温度T₀，湿度H₀时，声表面波经第i个反射栅4反射后信号返回的时间；τ_i为待测温度T，待测湿度H时，声表面波经第i个反射栅4反射后信号返回的时间；λ为基片1中声表面波的温度系数。

待测湿度H满足：

其中：μ为湿度敏感膜5的灵敏度。

通过公式1，即可计算出待测温度T，再将待测温度T带入公式2，即可计算出待测湿度H。

当温湿度传感器天线接收查询信号后，叉指换能器3通过逆压电效应在基片1的表面激发出声表面波，声表面波经过湿度敏感膜5，并反射栅4反射，并通过叉指换能器3通过压电效应转换为电磁波返回；由于不同反射栅4与叉指换能器3之间的距离不同，可以以此接收到若干不同的信号，并通过公式1和公式2进行计算。

叉指换能器3沿延迟线2方向设置，且汇流条连接温湿度传感器的天线，叉指换能器3通过天线接收查询信号并返回反射信号。

湿度敏感膜5可以吸收水蒸气改变自重，影响声表面波的传播；湿度敏感膜5采用多孔二氧化硅或聚酰亚胺或氧化石墨烯材料制成。作用是吸收待测气体中的水蒸气，从而改变膜的自重，进而对其上的声表面波传播产生影响，也可采用多孔二氧化硅、聚酰亚胺、氧化石墨烯之外的其他符合此要求的材料制备。

反射栅4采用短路形式或开路形式；短路形式的反射栅4为在开路形式的反射栅4基础上，将反射栅4同一侧的端部短接。

一种基于声表面波技术的温湿度传感器，其具体工作步骤为：

第一步，叉指换能器3接收外界发送的查询信号，通过逆压电效应在基片表面激发出声表面波。

第二步，激发的声表面波依次被反射栅4反射，由叉指换能器3通过压电效应转换为电磁波返回。

第三步，由于存在多个反射栅4，与叉指换能器3的距离不一样，因此，一个发射信号结束后，会有多个反射信号，依次接收到从近到远多个反射栅的反射信号时间分别是τ₁,τ₂,τ₃…，根据反射时间即可解算出当前的温湿度以及传感器编码信息。

基片上传播的声表面波的温度系数，以及湿度敏感膜的灵敏度均可根据实验测得，分别记为λ和μ。在温度T₀，湿度H₀时，测得各个反射栅返回信号时间分别是那么温度为T，湿度为H时，各个反射栅返回信号时间分别为τ₁,τ₂,τ₃…。通过式1可以解算出温度，再通过式2解算出湿度。

在同一环境下可以使用K个温湿度传感器测量温度和湿度，K≥2；

温湿度传感器均设置k+2个反射栅4，除了第一个和最后一个反射栅4之外的k个反射栅4均可以除去，且任意2个温湿度传感器除去的的反射栅4的位置均不相同；按是否设有反射栅4转换为与温湿度传感器一一对应的k位二进制数，且k位二进制数转换为十进制数大于或等于K。相同距离△l对应的信号时间差为△τ，在第一个反射信号接收后，i*△τ时刻没有反射栅4，即可认为编码的第i位置0，依次类推形成二进制数，作为该温湿度传感器的编码，在多传感器的情况下，可以直接将反馈信号与传感器进行一一对应。

如图2所示，当采用4个温湿度传感器时，设置4个反射栅4，中间的2个反射栅4。

第一个温湿度传感器的中间的2个反射栅4全部除去，对应编码为00；第二个温湿度传感器的中间的第二个反射栅4除去，对应编码为01；第三个温湿度传感器的中间的第三个反射栅4除去，对应编码为10；第一个温湿度传感器的中间的2个反射栅4没有除去，对应编码为11。如此即可实现将返回的信号与温湿度传感器进行一一对应，防止返回信号过多造成数据混乱，影响测量结果。

综上所述，本发明实施例提供了一种声表面波温湿度传感器，本发明通过无线方式测量温湿度信息，减少了复杂布线的后期维护；本发明的传感器器件本身是无源器件，使用寿命没有电池电源限制，适用于密闭、高速旋转等极端条件；本发明的传感器本身集成编码信息，可方便得到监测点与监测信息的对应关系。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种声表面波温湿度传感器，其特征在于，所述温湿度传感器通过设置在延迟线(2)上的叉指换能器(3)进行声表面波和电磁波的相互转换，并通过声表面波在延迟线(2)上传播时间差来计算得出温度和湿度。

2.根据权利要求1所述的温湿度传感器，其特征在于，所述延迟线(2)包括：叉指换能器(3)、反射栅(4)、湿度敏感膜(5)；所述叉指换能器(3)、反射栅(4)、湿度敏感膜(5)共线，且所述湿度敏感膜(5)设置在所述叉指换能器(3)和反射栅(4)之间；

声表面波从叉指换能器(3)发出，并穿过湿度敏感膜(5)，经所述反射栅(4)部分声表面波沿原传播路径反射。

3.根据权利要求2所述的温湿度传感器，其特征在于，所述延迟线(2)均设置在基片(1)上，所述基片(1)采用温度稳定的牙垫晶体切片。

4.根据权利要求3所述的温湿度传感器，其特征在于，所述反射栅(4)设有至少N个，N≥2，并沿所述延迟线(2)排列；当反射栅(4)个数N≥3时等距排列。

5.根据权利要求4所述的温湿度传感器，其特征在于，待测温度T满足：

其中：i≠j，且i、j均为小于等于N的整数；为温度T₀，湿度H₀时，声表面波经第i个反射栅(4)反射后信号返回的时间；τ_i为待测温度T，待测湿度H时，声表面波经第i个反射栅(4)反射后信号返回的时间；λ为基片(1)中声表面波的温度系数。

6.根据权利要求5所述的温湿度传感器，其特征在于，待测湿度H满足：

其中：μ为湿度敏感膜(5)的灵敏度。

7.根据权利要求6所述的温湿度传感器，其特征在于，所述叉指换能器(3)沿所述延迟线(2)方向设置，且汇流条连接所述温湿度传感器的天线。

8.根据权利要求7所述的温湿度传感器，其特征在于，所述湿度敏感膜(5)可以吸收水蒸气改变自重，影响声表面波的传播；所述湿度敏感膜(5)采用多孔二氧化硅或聚酰亚胺或氧化石墨烯材料制成。

9.根据权利要求8所述的温湿度传感器，其特征在于，所述反射栅(4)采用短路形式或开路形式；

所述短路形式的反射栅(4)为在开路形式的反射栅(4)基础上，将反射栅(4)同一侧的端部短接。

10.根据权利要求7至9所述的温湿度传感器，其特征在于，在同一环境下可以使用K个所述温湿度传感器测量温度和湿度，K≥2；

所述温湿度传感器均设置k+2个反射栅(4)，除了第一个和最后一个反射栅(4)之外的k个反射栅(4)均可以除去，且任意2个所述温湿度传感器除去的的反射栅(4)的位置均不相同；按是否设有反射栅(4)转换为与所述温湿度传感器一一对应的k位二进制数，且所述k位二进制数转换为十进制数大于或等于K。