CN109990819A - 一种基于声表面波传感器的频率信号检测系统及检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于声表面波传感器的频率信号检测系统及检测方法，属于声表面波监测技术领域。该检测系统包括测量通路、参考通路和数据处理单元；测量通路包括测量SAW传感器、相位调节器、放大器、低通滤波器、分频器和整形器；参考通路包括参考SAW传感器、相位调节器、放大器、低通滤波器、分频器和整形器；数据处理单元包括第一频率测量单元、第二频率测量单元和减法器；测量SAW传感器为对待测物理量敏感的SAW传感器，参考SAW传感器为对待测物理量不敏感的SAW传感器。本发明提供的频率信号检测系统，可实现快速测量较低的频率变化，速度比传统方法提高了2个数量级，达到微秒级；测量精确度比传统方法提高了3个数量级。

Description

一种基于声表面波传感器的频率信号检测系统及检测方法
技术领域
本发明属于声表面波监测技术领域，具体涉及一种高速、高精度、低功耗、易于扩展的基于声表面波传感器的频率信号检测系统及检测方法。
背景技术
随着声表面波技术研究的深入和传感器制作工艺的不断发展，当前的声表面波传感器以其灵敏度高、成本低、体积小、研发方便、易批量生产等优点而受到人们的重视。同时，由于其能精确测量物理、化学等信息(如应力、温度、气体密度)被广泛应用在压力检测、温度测量、气体识别、湿度测量等领域。尤其是声表面波传感器的直接频率信号输出特性，使得对其输出的信号的检测可以避免使用模数转换器，这是其他传感器没有的优势。由于采用半导体平面工艺，SAW(声表面波)传感器还可与逻辑器件结合在一起实现微型化、集成化、智能化，而使制作成本大大降低。
目前，国内外采用的检测方法主要有三种：矢量网络分析仪法、锁相环法(包括数字锁相环)和混频法。其中，矢量网络分析仪法的工作原理是：直接将SAW传感器接入矢量网络分析仪上【Matsui Y,Okiyama Y,Nara M,et al.Development of a Shear HorizontalSurface Acoustic Wave Sensor System for Liquids with a Floating ElectrodeUnidirectional Transducer[J].Japanese journal of applied physics,2008,47(5Pt.2):4065-4069.】，或者根据矢量网络分析仪的原理去除无关的功能以缩小其尺寸，直接获得SAW的相关参数(如S参数)，实现检测的目的。该方法主要的优点是不用搭建其他多余的部分，在一定程度上减少误差。但是该方法也存在着一些缺点：体积与功耗大，不利于携带，也不能应用于某些特殊的场合；只能对单一传感器进行测试，不能实现传感器阵列采集；处理完的数据需要借助计算机来进行分析，进一步增加了系统的复杂性。
锁相环法(包括数字锁相环法)【Heng L,Chun Z,Zhaoyang W,et al.ResonanceFrequency Readout Circuit for a 900MHz SAW Device[J].Sensors,2017,17(9):2131-.】是基于锁相环的原理，这种检测方法是将SAW传感器嵌入到锁相环中，当VCO(压控振荡器，若是数字锁相环则是采用AD、单片机和DDS构成的数字压控振荡器)输出频率变化时，SAW传感器两端的相位差发生变化，引起鉴相器输出端的电压改变，通过鉴相器来调整VCO(或数字压控振荡器)的输出频率，最终输出频率达到稳定，再通过相关处理器采样以得到频率值。该方法的优点是系统反应较快，测量时间较短。但是该方法的缺陷是需要用到VCO、鉴相器，功耗较高，若是数字锁相环，则还需要DDS技术，会极大地增加功耗；得到的传感器频率高，从而对处理器的要求高，选型难，增加了系统的复杂度与成本；在进行传感器阵列检测时，成本会大幅度增加。
混频法是目前绝大多数系统采用的方法。其工作原理为：搭建两路的基于SAW传感器的振荡电路，一路为变频振荡电路，另一路为定频本振(常用于无线SAW传感器方面)。两路信号混频后再通过低通滤波器得到信号的频率为两路频率之差。该方法的优点是运用广泛，技术成熟；结构较为简单；得到的信号为差频信号，通过处理器可以方便地获取信号的频率。但是该方法也存在以下缺点：其一、当差频的信号频率较低的时候，测量的时间至少维持一个周期，若频率为几十赫兹，那么测量时间至少为几十毫秒，若要想增加精度，需要多测量多个周期，则测量时间就会为几百甚至几千毫秒，这对于一些系统来说是无法接受的；其二、若要实现传感器阵列的检测，则需增加定频本振与混频器，增加的数量与SAW传感器增加的个数相同，以实现每路信号的混频，这就极大地增加了系统的成本与复杂度；其三、混频法涉及起振电路、混频器、放大器、滤波器、整形器，信号在进入到整形器之前均为模拟信号，信号的链路较长，系统的抗干扰性能较差；其四、混频器和滤波器都会对信号的功率造成一定损耗，因此还需要放大器进行功率补充，因此功耗也会增加。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种响应速度快(微秒级)、抗干扰性强、功耗低、并且支持多传感器(阵列)的声表面波频率信号检测系统及检测方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于声表面波传感器的频率信号检测系统，如图1所示，其特征在于，包括测量通路、参考通路和数据处理单元；
所述测量通路包括测量SAW传感器、相位调节器、放大器、低通滤波器(LPF)、分频器和整形器；所述参考通路包括参考SAW传感器、相位调节器、放大器、低通滤波器(LPF)、分频器和整形器；所述数据处理单元包括与测量通路连接的第一频率测量单元、与参考通路连接的第二频率测量单元和减法器；所述测量SAW传感器为对待测物理量敏感的SAW传感器，参考SAW传感器为对待测物理量不敏感的SAW传感器；
所述测量通路中，测量SAW传感器采集的信号经放大器放大后输入相位调节器，经相位调节器后，回路中的振荡信号处于谐振点上，然后再输入测量SAW传感器，输出的频率信号经低通滤波器滤波、分频器降噪后，输入整形器，经整形器转换为数字信号；
所述参考通路中，参考SAW传感器采集的信号经放大器放大后输入相位调节器，经相位调节器后，回路中的振荡信号处于谐振点上，然后再输入参考SAW传感器，输出的频率信号经低通滤波器滤波、分频器降噪后，输入整形器，经整形器转换为数字信号；
所述测量通路输出的数字信号经第一频率测量单元后，得到测量通路的频率；参考通路输出的数字信号经第二频率测量单元后，得到参考通路的频率；测量通路和参考通路的频率经减法器相减，以消除环境干扰，即可得到待测物理量的频率。
进一步地，所述第一频率测量单元和第二频率测量单元包括7个模块，如图3所示，具体为同步电路、时间闸门、计数闸门、被测计数器、标准计数器、时间测量单元和运算器。
进一步地，所述第一频率测量单元和第二频率测量单元对信号的频率进行测量的具体过程为：
首先，被测信号经同步电路获得在时间闸门开启后第一个上升沿的时间，计数闸门在时间闸门开启之后的被测信号的第一个上升沿开始开启，在时间闸门关闭之后被测信号的第一个上升沿之后关闭；当计数闸门开启时被测计数器开始计数，当计数闸门关闭时停止计数；而标准计数器则是当计数闸门开启后的标准信号的第一个上升沿开始计数，当计数闸门关闭时立即停止计数；
然后，时间测量单元计算t1和t2，具体为计算计数闸门开启到计数闸门开启后标准信号的第一个上升沿的时间间隔t1，以及计数闸门关闭后到计数闸门关闭后标准信号的第一个上升沿的时间间隔t2；
最后，在图2所示的计数闸门的时间段内被测信号共计数Nt，标准信号共计数Ns，图2可以看出第1个标准信号计数共比计数闸门延迟t1的时间，而最后一个标准信号的周期则多计算t2的时间，因此最终的频率计算公式为：
其中，ft为被测信号的频率，fs为标准信号的频率，通过整理可知：
其中，标准信号的频率为被测信号的10倍左右。
下面，对本发明提供的基于声表面波传感器的频率信号检测系统的误差进行分析：
设Δft为系统的最大误差，根据公式(2)可知Δft满足公式：
其中，Δt为目前时间测量的最小误差，在10ps左右。根据测试原理可知当Δft最大时，(t1-t2)等于(-Ts)，Ts为标准信号的周期。则公式(3)可变为：
通常，fs取几十到几百兆赫兹，而Δt为10ps，因此±2fsΔt可以忽略。又因为Ns为几十至几百万，因此(Ns-1)约为Ns，即
设时间闸门的长度为T，则Tfs＝Ns，Tft＝Nt，最终可得Δft为：
最终可知，在现有技术条件下(Δt为10ps)被测信号的数量级一致的情况下，系统的最大误差仅由时间闸门的长度T决定，而与标准信号的误差无关，这也降低了对于标准信号的要求，在一定程度上降低了系统的成本。
而对于相对误差δ，目前的多周期测量法最好可达10-8(标准频率为100MHz，时间闸门长度为1s)，而对于本发明方法来说根据公式
其中，(t1-t2)最大为一个周期，远小于T，因此公式(7)化为：
因此，本测量方法的绝对误差只与计数闸门的长度T有关(可认为在现有技术下Δt是常数)。若时间闸门取1s，则δ的数量级在10-11，这要比当前精度最高的多周期测量法好3个数量级以上。
关于系统的微秒级响应时间的说明：传感器的中心频率为200MHz，经过8分频以后，频率将变为25MHz，周期约为4ns；当频率变化最小时(即系统的分辨率，如30Hz)，测量通路的频率就会产生3-4Hz的偏移，此时前后两次的周期差值约为4.8*10-15s；由于目前技术的限制，FPGA还无法分辨这么小的时间间隔，因此采用多周期的测量。目前的主流技术至少可以实现10ps左右的精度，若通过测量100000个周期来确定时间差值，前后两次的周期差值就变为0.48ns，即480ps，通过现在的技术完全可以实现精确的测量；100000个周期对应的时间为0.4ms，因此对于FPGA来说，只要时间闸门在400μs左右，精度能达到480ps的水平，就能实现预定的精度目标(如30Hz)，同时根据公式(6)可知Δft完全满足系统精度的要求，因此系统测量时间会是微秒级，达到快速测量的目的。对于变化为1MHz(最大量程)的信号来说，经过8分频以后，频率差值为125kHz，此时对应得周期差为0.2ns，通过100000个周期以后，差值为20μs，也满足测量精度的要求。若直接测量30Hz信号的频率，至少需要33ms的时间，因此本发明的测量速度可以比常规的方法提升至少2个数量级。
数据处理部分采用FPGA等处理器，具有多个扩展接口，因此根据本系统的特点，又可以方便地扩展成一种阵列传感器检测系统结构，该阵列结构如图4所示，在传感器阵列中心为一个参考通路，周围8个(或者更多)为对待测物理量敏感的测量通路。本发明提供的阵列传感器检测系统，仅需一个参考通路就可以同时供其余8个测量通路作为参考。并且信号只在起振、滤波和分频时为模拟信号，模拟信号路径较短，可以很快地被整形芯片整形变为数字信号，相对于现有方法抗干扰性能极强。现有技术中，要实现同样的功能若采用混频法，则其结构如图5所示，每个测量SAW传感器都需要搭配一个参考SAW传感器，这就会成倍增加参考SAW传感器的数量；同时，在经过混频器之后还需要再增加滤波器以滤除高频的信号，若信号微弱还需要进行放大，这一方面会引入噪声，另一方面也会增加系统的复杂度与成本。由此可见，基于本发明的阵列传感器检测系统的复杂度与成本只有常用的混频法的一半以下，具有极强的实用价值。
本发明提供的一种基于声表面波传感器的频率信号检测系统，放大器、处理器等均采用低损耗芯片，系统工作时整体最大的功耗在100mW以下，而且相关芯片具有旁路功能，使得系统具有间歇工作的能力，进一步降低了系统的平均功耗。
本发明提供的一种基于声表面波传感器的频率信号检测系统，工作原理为：当位于测量通路的测量SAW传感器感受到周围环境的变化时，测量通路的起振电路的输出频率发生变化，而参考通路的频率不变；对两路信号分别进行滤波、分频与整形，得到频率在20-40MHz的数字信号；最后，通过数据处理单元直接分析两路信号频率的差别来实现对外界物理量的检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种基于声表面波传感器的频率信号检测系统，可实现快速测量较低的频率变化，速度比传统方法提高了2个数量级，达到微秒级；测量精确度比传统方法提高了3个数量级。
2、本发明提供的一种基于声表面波传感器的频率信号检测系统中，信号只在起振、滤波和分频时为模拟信号，模拟信号路径较短，可以很快地被整形芯片整形变为数字信号，相对于现有方法抗干扰性能极强。
3、本发明提供的阵列传感器检测系统，仅需一个参考通路就可以同时供其余8个测量通路作为参考，系统的复杂度与成本大大降低，具有极强的实用价值。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于声表面波传感器的频率信号检测系统的结构示意图；
图2为本发明中频率测量单元的原理图；
图3为本发明中频率测量单元的结构图；
图4为本发明阵列传感器检测系统的结构示意图；
图5为传统的混频法阵列传感器检测系统的结构示意图；
图6为实施例提供的一种基于声表面波传感器的频率信号检测系统中，低通滤波器的S参数；
图7为实施例提供的一种基于声表面波传感器的频率信号检测系统滤波后波形的频谱；
图8为实施例提供的一种基于声表面波传感器的频率信号检测系统整形后的波形；
图9为时间测量单元的原理图；
图10为实施例提供的一种基于声表面波传感器的频率信号检测系统的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
本发明提供的一种基于声表面波传感器的频率信号检测系统，如图1所示，该检测系统包括两支信号传递通路，一支为测量通路，另一支为参考通路。每支通路都由起振电路、低通滤波器、分频器和整形器组成，经整形器转化为数字信号类型的频率信号同时输入数据处理单元，经数据处理单元对两路信号进行频率的测量与处理，最终得到待测物理量(如磁场、某种气体含量)的相关信息，实现检测的功能。在这两支信号传递通路中除起振电路外，其余各部分(滤波器、分频器、整形器)均是相同的。
其中，起振电路包括放大部分、频率选择部分和相位调节部分。SAW传感器正是作为频率选择元件放在谐振回路中，产生与SAW传感器谐振频率相同的正弦波信号。测量通路的起振电路中接入的是对待测物理量(如磁场、某种气体)敏感的测量SAW传感器；而参考通路的起振电路中接入的是对待测物理量不敏感的参考SAW传感器，在未测量时两传感器的谐振频率是相同的。放大部分主要对该谐振频率的信号进行放大；相位调节部分是为了让回路中的振荡信号处于谐振点上，最终两路起振电路分别输出与SAW传感器谐振频率一致的信号。
其中，低通滤波器实现带通的功能，同时减少能量的损耗。
其中，分频器对支路的信号进行8-10倍的分频，目的是为了成倍降低信号的相位噪声。
其中，整形器将标准的正弦信号转化为数字信号，以方便数据处理单元对信号进行处理。
实施例
本实施例提供的一种基于声表面波传感器的频率信号检测系统：
起振电路采用电容三点式振荡电路类型的Pierce类型振荡器，选择NEC公司的2SC3357三极管作为电路的放大元件，而谐振电容与电感则选择muRata公司高精度元器件进行制作，用于验证起振的声表器件的中心频率在315MHz，通过对电路进行调试，成功使起振电路输出315MHz的信号。
低通滤波器的作用是抑制高频谐波分量与系统噪声。由于本发明的系统要降低功耗，并且频率变化范围在1MHz左右，同时后续电路的负载是不变的，因此采用无源滤波器。由于电路的工作频率在314～316MHz，因此在滤波器设计时需结合微带线的相关参数来进行设计。最终调试可以发现，该滤波器在通带和阻带的相关系数是满足要求的，同时两端的匹配较好。本实施例中系统的中心频率选常用的315MHz，而一般功率最大的谐波为二次谐波，所以在阻带中重点加强了对630MHz信号的抑制。由于滤波器的频带较窄，因此同样采用muRata公司高精度元器件进行制作。最终该滤波器的S参数如图6所示，由图6可知，滤波器对于基频信号几乎不衰减，但是能极大地抑制二次谐波(630MHz)，同时对于高频的噪声的抑制能力也随着频率的增加呈现增强的趋势。最终得到的输出波形的频谱如图7所示，可以看出最终的输出波形的频谱纯净，二次谐波功率在-35dBm以下，其余的谐波与噪声功率均在-50dBm以下。
分频器采用ON半导体公司的低功耗分频芯片MC12093实现，该芯片的功耗为毫瓦级，而且其分频参数可根据相关引脚的连接进行设置(2-8分频)；同时该芯片还有旁路模式，在系统休眠时可以进入到极低的功耗模式(约150μW)，方便系统实现间歇性工作，进一步降低系统的平均功耗。在输入的接口处接入50Ω的电阻进行阻抗匹配，在输出的接口处连接2pF电容与15kΩ的电阻进行输出匹配，最终得到了峰值在428mV的信号。
整形器采用Burr-Brown模拟集成电路公司的TLV3502低功耗整形芯片实现。该芯片的工作功耗为10毫瓦左右，最大整形频率为80MHz，同时其也有旁路模式可以使用，方便系统实现间歇性工作，同时也有官方提供的PCB layout可以参考，最终得到的整形的矩形波(数字信号)的低电平为-0.1-0V，高电平为2.74V，完全满足TTL电平与CMOS电平标准。得到的整形后的波形如图8所示，可以看出波形较好。
数据处理单元主要采用XILINX公司的Zynq-XC7Z010型号的FPGA作为处理器，该FPGA中配备双核ARM Cortex-A9处理器，具有高达6.25M的逻辑单元以及从6.6Gb/s到12.5Gb/s的收发器，方便进行测频率与测周期的纯数字逻辑的搭建，同时也可在同一片FPGA上搭载系统(如Linux)，方便进行数据传输与显示。其中测频率法采用等精度测量法，而测周期则采用差分延迟线法，通过编写Verilog HDL语言从而实现这两种测量方式。通过XILINX公司官方提供的FPGA开发软件Vivado对编写的模块进行仿真与调试，再进行上板进行调试与测试。最终加入显示或信息传输程序以及相应算法，实现如识别、控制、探测等功能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换：所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种基于声表面波传感器的频率信号检测系统，其特征在于，包括测量通路、参考通路和数据处理单元；
所述测量通路包括测量SAW传感器、相位调节器、放大器、低通滤波器、分频器和整形器；所述参考通路包括参考SAW传感器、相位调节器、放大器、低通滤波器、分频器和整形器；所述数据处理单元包括第一频率测量单元、第二频率测量单元和减法器；所述测量SAW传感器为对待测物理量敏感的SAW传感器，参考SAW传感器为对待测物理量不敏感的SAW传感器；
所述测量通路中，测量SAW传感器采集的信号经放大器放大后输入相位调节器，经相位调节器后，回路中的振荡信号处于谐振点上，然后再输入测量SAW传感器，输出的频率信号经低通滤波器滤波、分频器降噪后，输入整形器，经整形器转换为数字信号；
所述参考通路中，参考SAW传感器采集的信号经放大器放大后输入相位调节器，经相位调节器后，回路中的振荡信号处于谐振点上，然后再输入参考SAW传感器，输出的频率信号经低通滤波器滤波、分频器降噪后，输入整形器，经整形器转换为数字信号；
所述测量通路输出的数字信号经第一频率测量单元后，得到测量通路的频率；参考通路输出的数字信号经第二频率测量单元后，得到参考通路的频率；测量通路和参考通路的频率经减法器相减，即可得到待测物理量的频率。
2.根据权利要求1所述的基于声表面波传感器的频率信号检测系统，其特征在于，所述第一频率测量单元和第二频率测量单元包括同步电路、时间闸门、计数闸门、被测计数器、标准计数器、时间测量单元和运算器。
3.根据权利要求1所述的基于声表面波传感器的频率信号检测系统，其特征在于，所述第一频率测量单元和第二频率测量单元对信号的频率进行测量的具体过程为：
首先，被测信号经同步电路获得在时间闸门开启后第一个上升沿的时间，计数闸门在时间闸门开启之后的被测信号的第一个上升沿开始开启，在时间闸门关闭之后被测信号的第一个上升沿之后关闭；当计数闸门开启时被测计数器开始计数，当计数闸门关闭时停止计数；而标准计数器则是当计数闸门开启后的标准信号的第一个上升沿开始计数，当计数闸门关闭时立即停止计数；
然后，时间测量单元计算t1和t2，具体为计算计数闸门开启到计数闸门开启后标准信号的第一个上升沿的时间间隔t1，以及计数闸门关闭后到计数闸门关闭后标准信号的第一个上升沿的时间间隔t2；
最后，计算被测信号的频率：
其中，ft为被测信号的频率，fs为标准信号的频率，计数闸门的时间段内被测信号共计数Nt，标准信号共计数Ns。
4.一种基于权利要求1所述的频率信号检测系统的阵列传感器系统，包括一个参考通路、至少一个测量通路、数据处理单元。
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