CN108988817B - 一种多环境参量无源无线读取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多环境参量无源无线读取装置及方法，属于环境参数监测技术领域，解决了现有复杂环境参量非接触测量效率较低的问题。一种多环境参量无源无线读取装置，所述无源无线读取装置包括集成SAW传感器和阅读器；所述集成SAW传感器，包括N个独立的谐振器型SAW传感器，在规定工作频段内，采用频分多址的方式设置各谐振器型SAW传感器的谐振频率允许区间，各区间不重合；所述阅读器，用于向所述集成SAW传感器发射激励信号，并接收所述集成SAW传感器回传的反射信号，根据所述激励信号与所述反射信号的偏差得到当前环境参量。本发明提出的读取装置实现了多环境参量的短时间内的快速检测，解决SAW传感器信号碰撞干扰的问题，提高了读取效率。

Description

一种多环境参量无源无线读取装置及方法

技术领域

本发明涉及环境参数监测技术领域，尤其涉及一种多环境参量无源无线读取装置及方法。

背景技术

无源无线传感测量技术对于解决封闭和危险空间的环境参量非接触测量的难题具有重要意义。传统非接触测量传感器需要内置或外接的电源，或自俘能模块提供其传感测量所需的能量。但对于需要长期监测值守的封闭环境，有源或者有线连接的传感器的布设和维护都存在难以克服的困难。

基于声表面波(SAW)技术的传感器是一种真正无源，完全被动的传感器，它实现传感功能的能量全部来自于读取装置对其发射的射频质询信号，只有正确的质询信号能够激励它开始工作并反射含有传感信息的射频信号。SAW传感器也是目前唯一具有实际应用价值的无源无线传感技术方案。

受到现有技术水平和SAW技术自身特性的限制，现有的SAW传感系统一般只能读取一到两种环境参量，同一测点附近不能布置多个传感器，不能很好的解决SAW传感器信号碰撞干扰的问题，读取速度也比较慢，效率较低。本发明针对现有SAW读取装置存在的问题，提出了一种能够短时间内快速提取多种、多个SAW传感器的传感信息的读取装置，能够较好的解决复杂环境参量非接触测量的难题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种多环境参量无源无线读取装置及方法，用以解决现有复杂环境参量非接触测量效率较低的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种多环境参量无源无线读取装置，所述无源无线读取装置包括集成SAW传感器和阅读器；

所述集成SAW传感器，包括N个独立的谐振器型SAW传感器，在规定工作频段内，采用频分多址的方式设置各谐振器型SAW传感器的谐振频率允许区间，各区间不重合；

所述阅读器，用于向所述集成SAW传感器发射激励信号，并接收所述集成SAW传感器回传的反射信号，根据所述激励信号与所述反射信号的偏差得到当前环境参量。

本发明有益效果如下：在本发明提供的多环境参量无源无线读取装置中，采用频分多址的方式设置了各谐振器型SAW传感器的谐振频率允许区间，能够有效解决SAW传感器信号碰撞干扰的问题，且各谐振器型SAW传感器独立工作，该装置能够短时间内快速提取多个SAW传感器的传感信息，有效提高了读取效率。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，所述N个独立的谐振器型SAW传感器，分别用于敏感不同的环境参量。

采用上述进一步方案的有益效果是：充分利用谐振器型SAW传感器的频率特性，使不同的谐振器型SAW传感器敏感于不同的环境参量，保证本发明的读取装置能够快速提取多个SAW传感器的传感信息，有效提高了读取效率。

进一步，所述阅读器包括控制器、发射链路、接收链路、高速开关和天线；

发射激励信号时，控制器根据谐振器型SAW传感器感知信号的频率带宽调制生成相应的激励信号指令，并将所述激励信号指令发送至所述发射链路，由所述发射链路产生相应频率的激励信号，所述激励信号经所述高速开关和天线发射出去；

接收所述集成SAW传感器的反射信号时，所述反射信号由天线接收，经由接收链路传递至控制器，由控制器根据频率与环境参量之间的线性关系获得相应的环境参量信息。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过阅读器发射激励信号、接收反射信号，并根据二者频率与环境参量之间的变换关系，获得相应的环境参量信息。

进一步，所述发射链路包括依次连接的数字信号发生器、锁相环和功率放大器；

所述接收链路包括低噪声放大器、混频器。

采用上述进一步方案的有益效果是：利用由数字信号发生器、锁相环和功率放大器连接构成的发射链路得到满足需求的激励信号，并利用由接收链路包括低噪声放大器、混频器依次连接构成的接收链路处理反射信号。

进一步，所述N不超过16。

采用上述进一步方案的有益效果是：由于可供选择的实际频段有限，且为避免不同谐振器型SAW传感器信号碰撞干扰，N一般不超过16。

本发明还公开了一种使用多环境参量无源无线读取装置的方法，根据独立的谐振器型SAW传感器个数，将阅读器的检测过程分为N个周期；每个周期均执行以下过程：

在所述阅读器中，控制器控制高速开关切换至发射链路，并根据谐振器型SAW传感器感知信号的频率带宽调制出相应的激励信号指令；

所述控制器将所述激励信号指令发送至所述发射链路，由所述发射链路产生相应频率的激励信号，并将所述激励信号经高速开关和天线发射出去；控制器控制高速开关切换至接收链路；

所述集成SAW传感器接收所述激励信号，并将相应谐振器型SAW传感器谐振出的反射信号，发送至所述阅读器；

在所述阅读器中，所述反射信号经天线和高速开关进入接收链路，经所述接收链路得到所述激励信号与所述反射信号的差值，所述差值再通过AD转换为数字信号，随后发送至所述控制器；

所述控制器将接收到的所述控制信号进行快速傅里叶变换运算，得到所述数字信号的频率值和功率值；

根据所述频率值与环境参量之间的关系，得到当前环境参量。

本发明有益效果如下：利用在本发明提供的方法，能够有效解决SAW传感器信号碰撞干扰的问题，且各谐振器型SAW传感器独立工作，该装置能够短时间内快速提取多个SAW传感器的传感信息，有效提高了读取效率。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，根据所述频率值与环境参量之间的关系，得到当前环境参量，包括：

查找标定的频率与环境参量之间的变换关系，得到当前环境参量，其中，所述频率值为功率值最大时对应的频率点。

采用上述进一步方案的有益效果是：

谐振器型SAW传感器与环境参量之间存在对应关系，本发明充分利用传感器的谐振特性，进而得到当前环境参量。

进一步，当控制器控制高速开关切换至接收链路时，同时关断锁相环。

采用上述进一步方案的有益效果是：切换到接收链路时，同时关断锁相环，实现发射和接收信号的隔离。

进一步，所述由所述发射链路产生相应频率的激励信号，进一步包括以下步骤：

数字信号发生器根据所述激励信号指令合成激励信号对应的中频信号，所述中频信号经锁相环倍频至激励信号所在的射频频段，然后通过功率放大器放大至激励信号所对应的功率强度，由此得到所述激励信号。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过给出产生激励信号的具体过程，便于本领域的技术人员，根据本发明所述方法得到激励信号。

进一步，所述经所述接收链路得到所述激励信号与所述反射信号的差值，进一步包括以下步骤：

所述反射信号经低噪声放大器放大后，输入混频器；同时将数字信号发生器合成的中频信号输入混频器，所述中频信号在混频器内首先倍频到与激励信号相同的频率，然后与所述经过低噪声放大器放大后的反射信号进行混频器处理，得到所述激励信号与所述反射信号的差值。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过混频器处理得到激励信号与所述反射信号的差值，便于控制器根据该差值得到环境参量。

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为谐振型SAW传感器结构示意图；

图2为本发明中的多环境参量无源无线读取装置示意图；

图3为本发明中的阅读器功能结构示意图；

图4为使用本发明中多环境参量无源无线读取装置的流程图；

图5为谐振器型SAW传感器谐振时输出信号；

图6为谐振器型SAW传感器失谐时输出信号。

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。

谐振器型SAW(surface acoustic wave)传感器是利用叉指换能器(IDT)在压电基片表面激发SAW，利用环境参量对SAW传播特性的影响实现传感功能。SAW在压电基片表面传播的速度会受到环境参量影响。其关系可用(1)式描述：

式中：

V_R表示SAW传播速度；

σ表示应力；

s表示刚度；

m表示压电基片的质量密度；

T表示环境温度；

γ表示表面张力；

K_σ、K_s、K_m、K_T、K_γ为各参量对应的敏感系数。式(1)说明，压电基材温度、应力、刚度等参量的变化都会影响SAW传播的速度。如果使用可吸收环境气体中的水分子的湿敏材料作为压电基底，那么吸湿后材料质量的变化，也将体现在SAW的传播速度变化上。

谐振器型SAW传感器上通常包括一个IDT和多组反射栅，如图1所示。基片中央的IDT两侧布置了对称的反射栅阵，通过设计反射栅结构和IDT形状，可以使IDT激发满足布拉格反射条件的SAW，在压电基片两端同时产生相干反射波，并产生谐振，使能量驻留在压电基片上；此时压电基片就形成了一个Q值很高的谐振器。当不再输入能量后，谐振器仍然能够谐振一段时间，发射出较强的输出信号，

环境参量的变化影响SAW的波速，而SAW的波长由IDT确定；谐振频率与SAW的波速有如下关系：

那么当dλ为零时，由波速就可以确定谐振器的谐振频率，谐振频率在频域上的偏移也就直接反映了环境参量的变化。

本发明充分利用了谐振器型SAW传感器的频率特性，设计了多环境参量无源无线读取装置及读取方法。谐振器型SAW传感器可以用来测量温度、压力、应力、刚度等多种环境参量的变化，所以由此设计的多环境参量无源无线读取装置也可以用来测量温度、压力、应力、刚度等多种环境参量的变化，但是在某一具体的多环境参量无源无线读取装置中，只能选择测量一种环境参量，并根据该环境参量选择对应的谐振器型SAW传感器。

本发明的一个具体实施例，公开了一种多环境参量无源无线读取装置，如图2所示，所述装置包括集成SAW传感器和阅读器；其中，所述集成SAW传感器包括N个独立的谐振器型SAW传感器，在规定工作频段内，采用频分多址的方式设置各谐振器型SAW传感器谐振频率容许区间组，各区不重合。由于可供选择的实际频段有限，且为避免不同谐振器型SAW传感器信号碰撞干扰，N一般不超过16。各个传感器用于敏感不同的环境参量，在本发明中选择了3个独立的谐振器型SAW传感器，具体分别为温度、湿度、压力三种传感器，但不限于此三类环境参量。

所述阅读器，用于发送激励信号，并接收集成SAW传感器的反射信号，根据所述反射信号解调出的频率与环境参量之间的线性关系获得相应的环境参量信息。

具体地，所述阅读器包括控制器、数字信号发生器、锁相环、功率放大器、低噪声放大器、混频器、AD转换模块、高速开关；阅读器功能结构图如图3所示。

其中，由数字信号发生器、锁相环、功率放大器构成发射链路，当需要发射激励信号时，由控制器调制出激励信号，并依次经过数字信号发生器、锁相环、功率放大器得到可供实际输出的激励信号，经高速开关和天线发射出去；

由低噪声放大器和混频器构成接收链路，当需要接收传感器反射信号时，反射信号依次经低噪声放大器、混频器、AD转换模块传递至控制器，由控制器根据频率与环境参量之间的线性关系获得相应的环境参量信息。

在本发明的另一实施例中，公开了一种使用多环境参量无源无线读取装置的方法，根据独立的谐振器型SAW传感器个数，将阅读器的检测过程分为N个周期；

每个周期均执行以下过程，流程图如图4所示：

步骤S1：由控制器控制高速开关切换至发射链路，并根据谐振器型SAW传感器感知信号的频率带宽调制出相应的激励信号指令；

具体地，控制器向数字信号发生器发出激励信号指令，控制数字信号发生器合成激励信号对应的中频信号，该中频信号经锁相环倍频至激励信号所在的射频频段，然后通过功率放大器放大至激励信号所对应的功率强度，由此得到所述激励信号，并将所述激励信号经高速开关和天线发射出去；

步骤S2：所述集成SAW传感器接收所述激励信号，并将相应谐振器型SAW传感器谐振出的反射信号，发送至所述阅读器；

步骤S3：由控制器控制高速开关切换至接收链路，并关断锁相环，实现发射和接收信号的隔离；传感器的反射信号经天线和高速开关进入接收链路，经低噪声放大器放大后，进入混频器。混频器的一路输入为传感器的反射信号，另一路为数字信号发生器合成的中频信号，这个信号在混频器内首先倍频到与激励信号相同的频率，然后与接收信号进行混频器处理，得到一个近零中频，也就是激励信号与反射信号的差值。

所述差值再通过AD转换为数字信号，随后发送至控制器；

步骤S4：控制器将接收到的信号进行快速傅里叶变换(FFT)运算，得到所收到信号的频率值和功率值。频率值是反射信号频率与激励信号的差值，反映了传感器谐振频率与初始环境温度下谐振频率的差值，也就反映了当前测点温度与初始温度的差值。功率值则反映了反射信号的功率强度，这与传感器与阅读器天线之间的距离有关。当距离太远或两者之间障碍物过多时，反射信号过于微弱，对反射信号进行处理得到的功率值过低，那么此时解算出的频率值也就是不可信的，应当舍去。

在实际使用环境中，一个阅读器读取范围内可能存在多个测点，它们可能都使用了相同频段的传感器，那么控制器收到的反射信号可能是多个传感器反射信号的叠加，表现为FFT运算后得到的频谱上会出现一系列功率值不同的点。那么只有功率值最大的那个频率点是距离阅读器天线最近的测点的反射信号，其他频率点是没有意义的，也应当舍去。

下文从数学角度对数字基带信号处理过程进行阐述。

根据频率差值与环境参量之间的线性关系获得相应的环境参量信息。

本发明所述的使用多环境参量无源无线读取装置的方法中，接收链路采用基于失谐的原理进行接收信号解调。对于谐振型SAW传感器，当激励信号频率与传感器谐振频率完全一致时，传感器产生较强的谐振，其输出信号是一个指数衰减的振荡信号，其频率是此时的谐振频率f₁，定义其衰减时间常数为τ，则输出信号的时域表达式为：

y(t)＝a(t)cos(ω₀t) (3)

其中，时间衰减函数

ω₀为输出信号角频率，则谐振频率为

时域响应波形如图5所示。

当环境参量变化时，SAW传感器谐振频率相应的发生变化。此时谐振频率与激励信号频率会存在频率差Δf。此时传感器失谐，输出信号为：

y(t)＝a(t)cos(Δωt)cos(ω₀t) (4)

信号波形如图6所示。其中，Δω＝2πΔf，ω₀＝2πf₀，f₀为当前传感器谐振频率。与式(3)对比可以看出，此时输出信号可以视为基带频率为f₀的载波信号被频率为Δf的调制信号调制后的输出。而调制信号频率就是激励频率与谐振频率的差值，满足：

Δf＝|f₀-f₁| (5)

这个差值表征的是传感器当前谐振频率与激励信号频率的差值。前文已经论及，传感器谐振频率的变化与环境参量变化在小范围内成近似线性关系。假设激励信号频率是在标准环境温度(如0℃)下的谐振频率，那么在测量中获得的差值，就能够表征出环境温度的偏移量。通过标定可以获得温度与频率的变换系数，从而实现测量功能。只要得到了激励信号频率与反射信号的差值，就可以获取环境参量的变化量，这就是基于失谐的测量原理。

传统的SAW读取器采用基于谐振检测的方式，需要在传感器谐振频段内反复扫频以确定反射信号功率最大的频率点，也即当前传感器谐振频率。本发明采用基于失谐检测的方式，接收链路的输出频率为原始谐振频率与实际谐振频率的差值，无需扫频过程，可以一次读取出传感器当前谐振频率；而反射信号功率值可以用于测点距离参考，通过对反射信号进行快速傅里叶变换，用输出的功率值确定距离阅读器天线最近的测点，每次只读取空间距离最近，也即功率值最大的测点，排除相邻测点的干扰。能够满足大量测点的测量需求。

本发明提出了一种多环境参量无源无线读取装置，解决现有无源无线测量设备环境参量单一，读取速度慢，读取传感器数量少，易受临近测点反射信号干扰等问题。它的传感器端使用频分多址方式分配不同传感器的工作信道，使得不同环境参量能够使用同一端口进行读取。阅读器端使用基于失谐的原理进行对传感器的激励和信号解调，能够快速读取传感信息。采用基于功率检测的方式区分不同测点传感器信息，避免同频干扰。本发明适合应用于危险、封闭环境的温度、湿度、压力等多环境参量监测领域。

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 (8)

1.一种多环境参量无源无线读取装置，其特征在于，所述无源无线读取装置包括集成SAW传感器和阅读器；

所述集成SAW传感器，包括N个独立的谐振器型SAW传感器，在规定工作频段内，采用频分多址的方式设置各谐振器型SAW传感器的谐振频率允许区间，各区间不重合；

所述阅读器，用于向所述集成SAW传感器发射激励信号，并接收所述集成SAW传感器回传的反射信号，根据所述激励信号与所述反射信号的偏差得到当前环境参量；

所述N个独立的谐振器型SAW传感器，分别用于敏感不同的环境参量；

所述阅读器包括控制器、发射链路、接收链路、高速开关和天线；

发射激励信号时，控制器根据谐振器型SAW传感器感知信号的频率带宽调制生成相应的激励信号指令，并将所述激励信号指令发送至所述发射链路，由所述发射链路产生相应频率的激励信号，所述激励信号经所述高速开关和天线发射出去；

接收所述集成SAW传感器的反射信号时，所述反射信号由天线接收，经所述接收链路得到所述激励信号与所述反射信号的差值，所述差值再通过AD转换为数字信号，随后发送至所述控制器；所述控制器将接收到的所述数字信号进行快速傅里叶变换运算，得到所述数字信号的频率，根据频率与环境参量之间的线性关系获得相应的环境参量信息。

2.根据权利要求1所述的多环境参量无源无线读取装置，其特征在于，所述发射链路包括依次连接的数字信号发生器、锁相环和功率放大器；

所述接收链路包括低噪声放大器、混频器。

3.根据权利要求2所述的多环境参量无源无线读取装置，其特征在于，所述N不超过16。

4.一种使用权利要求1-3任一所述读取装置的多环境参量无源无线读取方法，其特征在于，根据独立的谐振器型SAW传感器个数，将阅读器的检测过程分为N个周期；每个周期均执行以下过程：

在所述阅读器中，控制器控制高速开关切换至发射链路，并根据谐振器型SAW传感器感知信号的频率带宽调制出相应的激励信号指令；

所述控制器将所述激励信号指令发送至所述发射链路，由所述发射链路产生相应频率的激励信号，并将所述激励信号经高速开关和天线发射出去；控制器控制高速开关切换至接收链路；

所述集成SAW传感器接收所述激励信号，并将相应谐振器型SAW传感器谐振出的反射信号，发送至所述阅读器；

在所述阅读器中，所述反射信号经天线和高速开关进入接收链路，经所述接收链路得到所述激励信号与所述反射信号的差值，所述差值再通过AD转换为数字信号，随后发送至所述控制器；

所述控制器将接收到的所述数字信号进行快速傅里叶变换运算，得到所述数字信号的频率值和功率值；根据所述频率值与环境参量之间的关系，得到当前环境参量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述频率值与环境参量之间的关系，得到当前环境参量，包括：

查找标定的频率与环境参量之间的变换关系，得到当前环境参量，其中，所述频率值为功率值最大时对应的频率点。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当控制器控制高速开关切换至接收链路时，同时关断锁相环。

7.根据权利要求5所述的多环境参量无源无线读取方法，其特征在于，所述由所述发射链路产生相应频率的激励信号，进一步包括以下步骤：

数字信号发生器根据所述激励信号指令合成激励信号对应的中频信号，所述中频信号经锁相环倍频至激励信号所在的射频频段，然后通过功率放大器放大至激励信号所对应的功率强度，由此得到所述激励信号。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述经所述接收链路得到所述激励信号与所述反射信号的差值，进一步包括以下步骤：

所述反射信号经低噪声放大器放大后，输入混频器；同时将数字信号发生器合成的中频信号输入混频器，所述中频信号在混频器内首先倍频到与激励信号相同的频率，然后与所述经过低噪声放大器放大后的反射信号进行混频器处理，得到所述激励信号与所述反射信号的差值。

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