CN112051566A - 一种基于saw无线无源传感系统的运动部件参数测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SAW无线无源传感系统的运动部件参数测量方法，所述SAW无线无源传感系统包括传感端的无线无源的SAW传感器及其第一收发天线，读取端的读卡器及第二收发天线，所述无线无源的SAW传感器固定安装在运动部件上，随运动部件一起运动；所述读卡器向传感端发射在预设频率范围内以固定步进行扫频的扫频信号；所述SAW传感器接扫频信号后，生成携带SAW特征的回波信号，并向读取端发射该回波信号；所述读卡器接收回波信号后，比较各扫频频率下的回波信号强度的波形，根据波形形状确定SAW传感器的待测参数值，以实现运动部件待测参数的测量。能够实现高速运动部件状态参数的检测，同时检测速度快，测量精度高。

Description

一种基于SAW无线无源传感系统的运动部件参数测量方法
技术领域
本发明涉及运动部件状态参数测量技术领域，具体涉及一种基于SAW无线无源传感系统的运动部件参数测量方法
背景技术
在制造业生产、应用设备中会存在很多运动部件，随着设备自动化程度越来越高，对这些运动部件的性能要求也越来越高。设备一般工作在复杂的环境中，而且在设备工作过程中，转动部件出现问题，外界不能够迅速的监测到异常。温度、应变、加速度等都是反应转动部件工作状态的重要技术指标，它们的突然变化都很大可能会导致生产、应用设备出现故障。所以对转动部件的温度、应变、加速度等技术指标的测量对于监测、诊断生产、应用设备的动态特性具有重要意义。
无线无源传感器是一种最有效的运动部件测量方法，它具有免电源维护免布线等优点。申请号为201810046436.2的发明专利公开了一种基于无线无源声表面波传感器的温度检测系统。该温度检测系统基于无线无源实现对静态物体的温度检测。申请号为201910580593.6的专利申请公开了一种旋转部件健康监测系统，包括SAW传感器、信号收发模块及控制器，上述旋转部件健康监测系统通过信号收发模块向无线无源传感器发射激励信号，通过收发天线接收SAW传感器的回馈信号，经过信号调理电路和数模转换后传输给控制器，控制器处理回馈信号得到旋转部件的工作参数，实现了对旋转部件工作参数的测量。该技术方案并没有公开具体采用怎样的技术手段根据回波信号得到运动部件的工作参数，因此也不清楚根据回波信号得到运动部件的工作参数的准确性。
现有无线无源传感的主要测量方法是测量回波信号的功率最大点，即回波信号强度的幅值，从而确定传感器的谐振频率点。但是针对运动部件而言，因为运动引起的回波信号传输时远时近，会导致回波信号强度的幅值最高值发生变化，因此，对于运动部件而言，单纯基于无线无源传感的回波信号强度的幅值是无法精确测量运动部件的工作参数，目前，为解决这个问题，一般需要使用加速扫描的方式来解决，但是随着运动部件的速度越来越高，加快扫描速度已经难以满足传感需求。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于SAW(Surface Acoustic Wave，声表面波)无线无源传感系统的运动部件参数测量方法，能够实现高速运动部件状态参数的检测，同时检测速度快，测量精度高。
本发明的技术方案为：
一种基于SAW无线无源传感系统的运动部件参数测量方法，所述SAW无线无源传感系统包括传感端的无线无源的SAW传感器及其第一收发天线，读取端的读卡器及第二收发天线，所述无线无源的SAW传感器固定安装在运动部件上，随运动部件一起运动；
所述读卡器通过第二收发天线向传感端发射在预设频率范围内以固定步长进行扫频的扫频信号；
所述SAW传感器通过第一收发天线接扫频信号后，生成携带SAW特征的回波信号，并通过第一收发天线向读取端发射该回波信号；
所述读卡器通过第二收发天线接收回波信号后，比较各扫频频率下的回波信号强度的波形，根据波形形状确定SAW传感器的待测参数值，以实现运动部件待测参数的测量。
在SAW传感器无线无源传感方法中，静止部件不会存在因为位置变化导致回波信号强度变化。对于运动部件，本身位置就在变动，即使待测参数不变，运动也会导致回波信号的强度变化。因此通过回波信号的强度变化来测量运动部件的工作参数是不准确的。为了解决通过回波信号的强度变化来测量运动部件的工作参数是不准确的问题，经大量实验探究得到：波形特性1：各扫频频率下的回波信号为一个逐步衰减的波形，SAW谐振频率点的回波信号强度是一个有馒头峰的慢衰减波形；波形特性2：不同距离处，谐振频率点的回波信号强度中馒头峰波形及其相似。根据波形特征1和波形特性2可以得到通过分辨波形来确定SAW传感器的谐振频率点，可以直接解决通过回波信号的强度变化来测量运动部件的工作参数是不准确的问题，也可以解决采用加速扫描无法满足应用需求的问题。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
本发明提供的基于SAW无线无源传感系统的运动部件参数测量方法中，通过读卡器向SAW传感器发射扫频信号，SAW传感器基于扫频信号生成携带SAW特征的回波信号返回给读卡器，读卡器直接根据回波信号强度的波形形状确定SAW传感器的待测参数值，能够实现高速运动部件状态参数的检测，检测速度快，测量精度高。同时，采用的器件简单导致测量成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明实施例提供的SAW无线无源传感系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的利用基于SAW无线无源传感系统的运动部件参数测量方法的流程图；
图3是SAW传感器和射频收发模块距离20cm时扫频到的谐振频率处的回波信号强度；
图4是SAW传感器和射频收发模块距离20cm时扫频到的非谐振频率处的回波信号强度；
图5是SAW传感器和射频收发模块距离110cm时扫频到的谐振频率处的回波信号强度。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
图1是SAW无线无源传感系统的结构示意图。如图1所示，实施例提供的SAW无线无源传感系统包括：包含由无线无源的SAW传感器101及其第一收发天线102的传感端100、包含读卡器201及第二收发天线202的读取端200。SAW传感器101固定安装在运动部件(运动部件未在图1中显示)上，随运动部件一起运动，且SAW传感器101与运动部件无相对运动。读取端200放置在运动部件外部的固定位置，与SAW传感器101距离不能太远，保证SAW传感器101与读卡器201之间信号通信稳定。
该SAW无线无源传感系统中，读卡器201用于通过第二收发天线202向SAW传感器101发射在预设频率范围内以固定步进行扫频的扫频信号。具体地，读卡器会在预设频率范围内以扫频的方式发射起激励作用的射频脉冲电磁波为扫频信号，扫频信号的频率为：fe＝fb+n*f0，fb为基信号频率和f0为频率步长，0<n<N，N为一次扫频发送的射频脉冲电磁波的个数。在发射时，读卡器受信号控制发射扫频信号，在收到扫频信号对应的回波信号后，再发送下一次的扫频信号。这样能够避免信号之间的干扰。
SAW传感器101用于通过第一收发天线102接扫频信号后，生成携带SAW特征的回波信号，并通过第一收发天线102向读卡器201发射该回波信号。
SAW传感器101接收到扫频信号后，经过SAW传感器101中的叉指换能器经过逆压电效应转换成SAW信号，该SAW信号传输时会携带SAW传感器表面的状态参数，例如温度、应变和加速度，由于SAW传感器与运用部件贴合安装，则SAW传感器表面的状态参数即为运动部件状态参数，携带有状态参数的SAW信号经反射栅反射后再由SAW传感器中的叉指换能器经过压电效应转换为电磁波信号作为回波信号经第一收发天线102发射出去。
读卡器201用于通过第二收发天线202接收回波信号后，比较各扫频频率下的回波信号强度的波形，根据波形形状确定SAW传感器的待测参数值，以实现运动部件待测参数的测量。待测参数包括温度、应变、加速度。
由于响应信号比较弱，且与载波信号结合在一起，因此，读卡器201在接收到响应信号后还需要对回波信号进行后处理，具体为，对回波信号依次进行功率放大、滤波、信号解调以及模数转换处理，得到响应信号对应的数字信号。具体在得到响应信号后，对响应信号进行离散采样，得到一系列离散的数字信号可表示为xi(t,v),(0<i<I)，t表示为采样的时间，v表示为采样得到的值，i表示采样的点数，I为采样总点数。
在一个实施方式中，所述比较各扫频频率下的回波信号强度的波形，根据波形形状确定SAW传感器的待测参数值包括：
比较各扫频频率下的回波信号强度的波形，确定带有馒头峰的慢衰减波形的回波信号强度对应的扫频频率为SAW传感器的谐振频率点，根据谐振频率点与待测参数的映射关系确定待测参数值，以实现运动部件待测参数的测量。
不同的谐振频率对应的回波信号强度中的馒头峰的峰形状是不一样的，为了实现对SAW传感器的谐振频率点的准确确定，还需要通过限定馒头峰的衰减率来限定馒头峰的峰形状。经试验探究，所述馒头峰对应的回波信号强度值在单位微秒内的衰减百分比为1.5～4.5％，通过带有馒头峰的慢衰减波形能够准确确定SAW传感器的谐振频率点。
可选地方案，所述回波信号强度的波形中的馒头峰的确定方法为：
针对回波信号强度的波形，通过比较波形中峰值的1～3dB衰减的上下边点与峰值的时间位置来确定馒头峰。
进一步可选的方案，针对回波信号强度的波形，找到波形中的峰值，并确定峰值的1～3dB衰减的上边点和下边点，计算上边点与峰值点的第一时间间隔、下边点与峰值点的第二时间间隔，若第一时间间隔与第二时间间隔之差在第一时间阈值范围内，且第二时间间隔小于第二时间阈值，则该峰值对应的峰波为馒头峰。
第一时间阈值和第二时间阈值协同配合限定，限定了波峰的形状和衰减速率，只有满足上述若第一时间间隔与第二时间间隔之差在第一时间阈值范围内，且第二时间间隔小于第二时间阈值该条件的波峰才是能够用于表示SAW传感器谐振频率点的馒头峰。其中，上边点和下边点是个相对的概念，在时间轴上，较早时间点对应的点为上边点，较晚时间点对应的点为下边点，上边点和下边点的回波信号强度值相同，但是时间点不同。
在另外一个实施方式中，所述比较各扫频频率下的回波信号强度的波形，根据波形形状确定SAW传感器的待测参数值包括：
针对每个扫频频率下的回波信号强度的波形，将每个波形与预先测定的基准波形进行比较，将与基准波形最接近的波形对应的扫频频率作为SAW传感器的谐振频率点，根据谐振频率点与待测参数的映射关系确定待测参数值，以实现运动部件待测参数的测量。
该实施方式中，预先测定了在不同距离处，SAW传感器的每个谐振频率点对应的回波信号强度的波形，将该波形作为基准波形，用来作为波形判定的数据基准。在应用时，只要通过比较待比较回波信号强度的波形与基准波形，当待比较回波信号强度的波形与基准波形之分接近时，则认为该波形对应的扫频频率为SAW传感器的谐振频率点，这样直接通过比较波形的相似度即可以确定波形对应的扫频频率为SAW传感器的谐振频率点。
在另外一个实施方式中，所述比较各扫频频率下的回波信号强度的波形，根据波形形状确定SAW传感器的待测参数值包括：
针对测量的每个扫频频率下的回波信号强度的波形，将每个波形与预先测定的基准波形进行比较，将与波形最接近的基准波形对应的待测参数值作为SAW传感器的待测参数值。
在该实施方式中，预先测量大量不同距离处回波信号强度的基准波形及其对应的待测参数值，这样将每个基准波形与待测参数值对应起来，作为数据基础保存起来，应用时，根据待比较的回波信号强度的波形与基准波形的相似度，将与波形最接近的基准波形对应的待测参数值作为SAW传感器的待测参数值。在基准波形与待测参数值的数量足够大的基础上，该测量方法更直观简单。
在本实施例中，在将波形与预先测定的基准波形进行比较时，首先筛选与波形相似度大于95％的基准波形作为候选波形，然后从候选波形中选择相似度最高的基准波形作为最接近的基准波形。
实施例还提供了一种基于SAW无线无源传感系统的运动部件参数测量方法，如图2所示，该测量方法包括以下步骤：
S1，将传感端的无线无源的SAW传感器及其第一收发天线安装在运动部件上，并随运动部件一起运动；
S2，将包含读卡器及第二收发天线的读取端置于运动部件外部的固定位置；
S3，读卡器通过第二收发天线向无线无源的SAW传感器发射在预设频率范围内以固定步长进行扫频的扫频信号；
S4，SAW传感器通过第一收发天线接收扫频信号后，生成携带SAW特征的回波信号，并通过第一收发天线向读取端发射该回波信号；
S5，读卡器通过第二收发天线接收回波信号后，比较各扫频频率下的回波信号强度的波形，根据波形形状确定SAW传感器的待测参数值，以实现运动部件待测参数的测量。
该运动部件参数测量方法中S1～S5中的每个步骤实现的过程和达到的效果与上述SAW无线无源传感系统相同，此处不再赘述。
在室温环境下(25℃)对运动部件进行测试，读卡器发射完起激励作用的扫频信号后，读卡器所在系统电路马上切换到接收状态，同时检测基于扫频信号SAW传感器返回的回波信号，回波信号强度由调理电路转换为电压输出，便于分析处理。当读卡器与传感器距离较近，例如相距20cm时，而且读卡器发射温度下的谐振频率信号时，读卡器可以接收到很强的回波信号，如图3所示，该回波信号强度先由弱变强，达到峰值后开始衰减，形成明显的馒头峰形状，回波持续时间约30us。运动部件开始向远端运动，随着距离的增加，回波强度整体变弱，持续时间缩短为20us左右，但是馒头峰的形状保持不变，表现为波形的整体向下平移，如图5所示为运动部件携带SAW传感器运动到距读卡器110cm处时的回波信号强度波形。需要注意的是，实施例中，读卡器与SAW传感器间的距离实际为读卡器的第二收发天线和SAW传感器的第一收发天线间的距离，第二收发天线与读卡器用同轴线相连。当SAW传感器超出测试范围时，或者在测试范围内读卡器发射的激励信号频率未在谐振点附近时，读卡器将接收不到明显的回波信号，信号调理电路输出无规律的波形，如图4所示。
上述实施例提供的基于SAW无线无源传感系统的运动部件参数测量方法中，通过读卡器向SAW传感器发射扫频信号，SAW传感器基于扫频信号生成携带SAW特征的回波信号返回给读卡器，读卡器直接根据回波信号强度的波形形状确定SAW传感器的待测参数值，能够实现高速运动部件状态参数的检测，检测速度快，测量精度高。同时，采用的器件简单导致测量成本低。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于SAW无线无源传感系统的运动部件参数测量方法，所述SAW无线无源传感系统包括传感端的无线无源的SAW传感器及其第一收发天线，读取端的读卡器及第二收发天线，所述无线无源的SAW传感器固定安装在运动部件上，随运动部件一起运动；所述读卡器通过第二收发天线向传感端发射在预设频率范围内以固定步长进行扫频的扫频信号；所述SAW传感器通过第一收发天线接扫频信号后，生成携带SAW特征的回波信号，并通过第一收发天线向读取端发射该回波信号；其特征在于，
所述读卡器通过第二收发天线接收回波信号后，比较各扫频频率下的回波信号强度的波形，根据波形形状确定SAW传感器的待测参数值，以实现运动部件待测参数的测量。
2.如权利要求1所述的基于SAW无线无源传感系统的运动部件参数测量方法，其特征在于，所述比较各扫频频率下的回波信号强度的波形，根据波形形状确定SAW传感器的待测参数值包括：
比较各扫频频率下的回波信号强度的波形，确定带有馒头峰的慢衰减波形的回波信号强度对应的扫频频率为SAW传感器的谐振频率点，根据谐振频率点与待测参数的映射关系确定待测参数值，以实现运动部件待测参数的测量。
3.如权利要求2所述的基于SAW无线无源传感系统的运动部件参数测量方法，其特征在于，所述馒头峰对应的回波信号强度值在单位微秒内的衰减百分比为1.5～4.5％。
4.如权利要求2或3所述的基于SAW无线无源传感系统的运动部件参数测量方法，其特征在于，所述回波信号强度的波形中的馒头峰的确定方法为：
针对回波信号强度的波形，通过比较波形中峰值的1～3dB衰减的上下边点与峰值的时间位置来确定馒头峰。
5.如权利要求4所述的基于SAW无线无源传感系统的运动部件参数测量方法，其特征在于，针对回波信号强度的波形，找到波形中的峰值，并确定峰值的1～3dB衰减的上边点和下边点，计算上边点与峰值点的第一时间间隔、下边点与峰值点的第二时间间隔，若第一时间间隔与第二时间间隔之差在第一时间阈值范围内，且第二时间间隔小于第二时间阈值，则该峰值对应的峰波为馒头峰。
6.如权利要求1所述的基于SAW无线无源传感系统的运动部件参数测量方法，其特征在于，所述比较各扫频频率下的回波信号强度的波形，根据波形形状确定SAW传感器的待测参数值包括：
针对每个扫频频率下的回波信号强度的波形，将每个波形与预先测定的基准波形进行比较，将与基准波形最接近的波形对应的扫频频率作为SAW传感器的谐振频率点，根据谐振频率点与待测参数的映射关系确定待测参数值，以实现运动部件待测参数的测量。
7.如权利要求1所述的基于SAW无线无源传感系统的运动部件参数测量方法，其特征在于，所述比较各扫频频率下的回波信号强度的波形，根据波形形状确定SAW传感器的待测参数值包括：
针对测量的每个扫频频率下的回波信号强度的波形，将每个波形与预先测定的基准波形进行比较，将与波形最接近的基准波形对应的待测参数值作为SAW传感器的待测参数值。
8.如权利要求1所述的基于SAW无线无源传感系统的运动部件参数测量方法，其特征在于，所述读卡器受信号控制发射扫频信号，在收到扫频信号对应的回波信号后，再发送下一次的扫频信号。
9.如权利要求1所述的基于SAW无线无源传感系统的运动部件参数测量方法，其特征在于，所述待测参数包括温度、应变、加速度。
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