CN114358226A - 一种无线无源传感系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种无线无源传感系统及方法。该无线无源传感系统包括读写装置，用于发送调制激光信号；无源传感装置，包括光电转换模块、发射天线和无源传感器；光电转换模块用于接收调制激光信号，将调整激光信号转换为第一电信号，并将第一电信号传输给无源传感器；无源传感器用于在第一电信号的作用下发送含有预设信息的第二电信号给发射天线；发射天线用于将第二电信号以电磁波信号的形式发射出去；读写装置还用于接收电磁波信号，并识别电磁波信号中携带的预设信息。本发明实施例通过引入激光激发能量传输形式，减小发射回路能量的衰减；采用定向性好的调制激光代替传统的电磁波激励方法，使得回波信号能量高于传统方法。
Description
技术领域
本发明实施例涉及传感器技术领域，尤其涉及一种无线无源传感系统及方法。
背景技术
现有的无线无源传感系统通常是读写装置向无源传感装置发送电磁波信号，无源传感装置在电磁波信号的激励下向读写装置发送携带一定信息的电磁波信号，读写装置对该信息进行识别。然而现有的无线无源传感系统空间能量损耗随着距离的增加快速增加，远距离读取信号时，能量衰减过大。
发明内容
本发明提供一种无线无源传感系统及方法，通过引入激光激发能量传输形式，减小发射回路能量的衰减；采用定向性好的调制激光代替传统的电磁波激励方法，使得回波信号能量高于传统方法。
第一方面，本发明实施例提供了一种无线无源传感系统，该无线无源传感系统包括读写装置，用于发送调制激光信号；
无源传感装置，包括光电转换模块、发射天线和无源传感器；所述光电转换模块用于接收所述调制激光信号，将所述调整激光信号转换为第一电信号，并将所述第一电信号传输给所述无源传感器；所述无源传感器用于在所述第一电信号的作用下发送含有预设信息的第二电信号给所述发射天线；所述发射天线用于将所述第二电信号以电磁波信号的形式发射出去；
所述读写装置还用于接收所述电磁波信号，并识别所述电磁波信号中携带的预设信息。
可选地，所述无源传感器包括声表面波传感器，所述预设信息包括所述声表面波传感器测得的其所处位置的物理量信息，所述物理量信息包括温度、压力和应变中的至少一个；
所述无源传感器包括射频识别RFID芯片，所述预设信息包括所述RFID中存储的身份信息。
可选地，所述读写装置包括处理模块、激光发射模块和射频接收模块；所述激光发射模块和所述射频接收模块分别与所述处理模块电连接；
所述激光发射模块用于接收所述处理模块发送的控制信号，并根据所述控制信号发射调制激光信号；
所述射频接收模块用于接收所述电磁波信号，将所述电磁波信号处理为第三电信号，并将所述第三电信号发送给所述处理模块；
所述处理模块用于根据所述第三电信号确定所述预设信息。
可选地，所述无源传感器包括声表面波传感器，所述激光发射模块用于发射幅度调制激光信号。
可选地，所述无源传感装置还包括环形器；
所述环形器的第一端与所述光电转换模块电连接，第二端与所述发射天线电连接，第三端与所述无源传感器电连接；
所述环形器用于将所述光电转换模块输出的第一电信号传输给所述无源传感器，并将所述无源传感器输出的第二电信号传输给发射天线。
第二方面，本发明实施例还提供了一种无线无源传感方法，该无线无源传感方法包括读写装置发送调制激光信号；
无源传感装置的光电转换模块接收所述调制激光信号，将所述调整激光信号转换为第一电信号，并将所述第一电信号传输给无源传感装置的无源传感器；
所述无源传感器在所述第一电信号的作用下发送含有预设信息的第二电信号给所述无源传感装置的发射天线；
所述发射天线将所述第二电信号以电磁波信号的形式发射出去；
所述读写装置接收所述电磁波信号，并识别所述电磁波信号中携带的预设信息。
可选地，所述无源传感器包括声表面波传感器，所述预设信息包括所述声表面波传感器测得的其所处位置的物理量信息，所述物理量信息包括温度、压力和应变中的至少一个；
所述无源传感器包括射频识别RFID芯片，所述预设信息包括所述RFID中存储的身份信息。
可选地，所述读写装置包括处理模块、激光发射模块和射频接收模块；所述激光发射模块和所述射频接收模块分别与所述处理模块电连接；
读写装置发送调制激光信号包括：
所述激光发射模块接收所述处理模块发送的控制信号，并根据所述控制信号发射调制激光信号；
所述读写装置接收所述电磁波信号，并识别所述电磁波信号中携带的预设信息包括：
所述射频接收模块接收所述电磁波信号，将所述电磁波信号处理为第三电信号，并将所述第三电信号发送给所述处理模块；
所述处理模块根据所述第三电信号确定所述预设信息。
可选地，所述无源传感器包括声表面波传感器；
所述激光发射模块接收所述处理模块发送的控制信号，并根据所述控制信号发射调制激光信号包括：
所述激光发射模块发射幅度调制激光信号。
可选地，无源传感装置还包括环形器；所述环形器的第一端与所述光电转换模块电连接，第二端与所述发射天线电连接，第三端与所述无源传感器电连接；
所述方法包括：
所述环形器将所述光电转换模块输出的第一电信号传输给所述无源传感器，并将所述无源传感器输出的第二电信号传输给发射天线。
本实施例的无线无源传感系统包括读写装置，用于发送调制激光信号；无源传感装置，包括光电转换模块、发射天线和无源传感器；光电转换模块用于接收调制激光信号，将调整激光信号转换为第一电信号，并将第一电信号传输给无源传感器；无源传感器用于在第一电信号的作用下发送含有预设信息的第二电信号给发射天线；发射天线用于将第二电信号以电磁波信号的形式发射出去；读写装置还用于接收电磁波信号，并识别电磁波信号中携带的预设信息。解决了现有激励方法中空间能量损耗随距离增加而增加，从而导致远距离读取信号时引起能量衰减过大问题，通过采用定向性好的调制激光代替传统的电磁波激励方法，有效减小了发射回路能量的衰减，即降低读写装置到无源传感器之间传输通路的能量损失，实现回波信号能量的增强，使得回波信号能量高于传统方法。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种无线无源传感系统的结构示意图；
图2是现有技术中一种声表面波传感器的基本原理图；
图3是本发明实施例一提供的一种无线无源传感系统的整体结构示意图；
图4是本发明实施例二提供的一种无线无源传感方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的一种无线无源传感系统的结构示意图，参考图1，本发明实施例提供了一种无线无源传感系统，该无线无源传感系统包括读写装置10，用于发送调制激光信号；无源传感装置20，包括光电转换模块201、发射天线202和无源传感器203；光电转换模块201用于接收调制激光信号，将调整激光信号转换为第一电信号，并将第一电信号传输给无源传感器203；无源传感器203用于在第一电信号的作用下发送含有预设信息的第二电信号给发射天线202；发射天线202用于将第二电信号以电磁波信号的形式发射出去；读写装置10还用于接收电磁波信号，并识别电磁波信号中携带的预设信息。
具体的，无线无源传感系统的读写装置10发送调制激光信号，调制激光信号可以为调相信号、调幅信号或调频信号等。示例性的，调制激光信号为发射光强度随时间变化的信号，该信号光的强度变化为正弦规律，变化频率与无源传感装置20中的无源传感器203的工作频率相近。无源传感装置20中的光电转换模块201接收调制激光信号，将调整激光信号转换为与无源传感器203的工作频率相近的第一电信号，并将第一电信号传输给无源传感器203；无源传感器203在第一电信号的作用下，将感知到的带有预设信息的第二电信号给发射天线202；发射天线202将第二电信号以电磁波信号的形式传输到空间中，读写装置10还可以接收空间中的电磁波信号，并识别电磁波信号中携带的预设信息。
无源传感器包括声表面波传感器或RFID芯片。下面以无源传感器为声表面波传感器为例对本实施例进行说明：
图2是现有技术中一种声表面波传感器的基本原理图，参考图2，读取系统包括读取器1、发送天线2；声表面波传感器由反射栅条4、换能器5、接收天线6附着在压电晶体3上组成。
传统声表面波传感器及读取系统的工作过程包括：读取器1通过发送天线2发射电磁波输出能量，声表面波传感器通过接收天线6捕获电磁波能量，通过压电效应转换为机械波(声表面波)，在声表面波传感器上对声表面波处理，由逆压电效应将能量转换回电磁波，通过接收天线6将电磁波发射回读取器1，读取器1解调接收到电磁波回波信号，实现对声表面波传感器所处位置的物力量(如温度、应变等)传感。其能量变化过程为：电磁波—声表面波—电磁波。
在上述整个过程中，所有能量均来自于最初读取器发射的信号能量。通常情况下，读取器在一次激发完成后，所接收到的能量最大的损失来自于读取器到声表面波传感器以及声表面波传感器到读取器的空间电磁波损失(单向损耗计为Pd(d)，随距离d变化)。系统能量损失可由下列公式计算：
Psignal(d)＝PT+GT+GR-2Pd(d)-PTag-LR
其中，Psignal是读取器接收到的距离为d处声表面波传感器的信号强度，PT是读取器的发射功率，GT是发送天线增益，GR是接收天线增益，PTag是声表面波传感器自身损耗功率，LT是读取器和发送天线的发送电路损耗，LR是读取器和发送天线的接收电路损耗。
其中Pd(d)(dB)＝32.5(dB)+20lg(F)+20lg(d)，公式中F为频率，距离d的单位为千米，以传输距离10m为例计算，单向能量传输损耗为52.5dB；发射天线增益GT通常最大为20～30dB，发射功率PT通常为10mW。
现有激励方法因空间能量损耗随距离的增加而增加，从而导致远距离读取信号时能量衰减过大。为了增强回波信号能量，减小远距离读取信号时能量衰减过大，本实施例采用定向性好的调制激光，代替传统的电磁波激励方法，本实施例的系统能量损失公式为：
Psignal(d)＝PTL+GR-PdL(d)-LDiode-Pd(d)-PTag-LT-LR
其中，PTL是读写装置的发射功率，PdL(d)为激光在空气中的衰减，LDiode为光电转换的衰减，本实施例通过PdL(d)+LDiode＜Pd(d)-GT来实现能量损耗的降低，通常情况下：I＝I0*exp(-a*d)；其中，d是光穿透深度，a是吸收系数，I0是激光的初始光强，I是激光传输距离d后的光强。
按照上述公式计算，激光在10m距离的衰减PdL(d)为0.08dB，按照10％的光电转化效率计算，转化过程损耗10dB，整体损耗为10.08dB。考虑传统能量传输方式：Pd(d)-GT＝52.5dB-30dB＝22.5dB。PdL(d)+LDiode＝10.08dB＜22.5dB＝Pd(d)-GT。本实施例中的无源传感装置在远距离信号传输中，读写装置到声表面波传感器这一传输通路中能量损耗小于传统方法。
本实施例的无线无源传感系统包括读写装置，用于发送调制激光信号；无源传感装置，包括光电转换模块、发射天线和无源传感器；光电转换模块用于接收调制激光信号，将调整激光信号转换为第一电信号，并将第一电信号传输给无源传感器；无源传感器用于在第一电信号的作用下发送含有预设信息的第二电信号给发射天线；发射天线用于将第二电信号以电磁波信号的形式发射出去；读写装置还用于接收电磁波信号，并识别电磁波信号中携带的预设信息。解决了现有激励方法中空间能量损耗随距离增加而增加，从而导致远距离读取信号时引起能量衰减过大问题，通过采用定向性好的调制激光代替传统的电磁波激励方法，有效减小了发射回路能量的衰减，即降低读写装置到无源传感器之间传输通路的能量损失，实现回波信号能量的增强，使得回波信号能量高于传统方法。
可选地，无源传感器包括声表面波传感器，预设信息包括声表面波传感器测得的其所处位置的物理量信息，物理量信息包括温度、压力和应变中的至少一个；无源传感器包括射频识别RFID芯片，预设信息包括RFID中存储的身份信息。
其中，本实施例中的无源传感器可以应用于无线无源电力测温、远距离温度、应变等敏感量的接触式测量领域。无源传感器可以是声表面波传感器，预设信息可以是声表面波传感器测得的其所处位置的物理量信息，物理量信息包括温度、压力和应变中的至少一个；至少一个是指物理量信息的个数可以是一个或多个，本发明实施例对物理量信息的个数不进行限制，具体根据需要进行设置。
无源传感器还可以是射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)芯片，RFID芯片通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体(电子标签或射频卡)进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的。预设信息可以为RFID中存储的身份信息。
图3是本发明实施例一提供的一种无线无源传感系统的整体结构示意图，参考图3，可选地，读写装置10包括处理模块101、激光发射模块102和射频接收模块103；激光发射模块102和射频接收模块103分别与处理模块101电连接；
激光发射模块102用于接收处理模块101发送的控制信号，并根据控制信号发射调制激光信号；
射频接收模块103用于接收电磁波信号，将电磁波信号处理为第三电信号，并将第三电信号发送给处理模块101；
处理模块101用于根据第三电信号确定预设信息。
具体的，处理模块101、激光发射模块102和射频接收模块103实现调制激光信号的发送与电磁波信号的接收，同时实现将接收到的第三电信号转换为所需的物理量信息。
可选地，无源传感器包括声表面波传感器，激光发射模块用于发射幅度调制激光信号。
其中，无源传感器可以为声表面波传感器，激光发射模块可以发射幅度调制激光信号。发射幅度调制激光信号为发射光强度随时间变化的信号，该信号光的强度变化为正弦规律，其变化频率与声表面波传感器的工作频率相近。如此通过光电转换模块转换后的电信号可以更好的激励声表面波传感器工作，降低声表面波传感器自身损耗功率，进一步提高回波能量。
当无源传感器采用RFID芯片时，RFID芯片对应的调制激光信号可以为调相信号、调幅信号或调频信号，具体信号种类可以根据需要进行设置，本实施例对此并不进行限制。
继续参考图3，可选地，无源传感装置20还包括环形器204；
环形器204的第一端与光电转换模块201电连接，第二端与发射天线202电连接，第三端与无源传感器203电连接；
环形器204用于将光电转换模块201输出的第一电信号传输给无源传感器203，并将无源传感器203输出的第二电信号传输给发射天线202。
具体的，环形器又叫隔离器，环形器的突出特点是单向传输高频信号能量。它控制电磁波沿某一环行方向传输。将进入其任一端口的入射波，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口的多端口器件。环行器是有数个端的非可逆器件。比如：从1端口输入信号，信号只能从2端口输出，同样，从2端口输入的信号只能从3端口输出。
环形器204的第一端与光电转换模块201电连接，第三端与无源传感器203电连接；环形器204将光电转换模块201输出的第一电信号传输给无源传感器203，形成电磁波激励。无源传感器203将感知到的第一电信号转化为第二电信号返回环形器204中，环形器204的第二端与发射天线202电连接，将无源传感器203输出的第二电信号传输给发射天线202。
实施例二
在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种无线无源传感方法，图4是本发明实施例二提供的一种无线无源传感方法的流程图，参考图4，该无线无源传感方法具体包括以下步骤：
S201、读写装置发送调制激光信号。
S202、无源传感装置的光电转换模块接收调制激光信号，将调整激光信号转换为第一电信号，并将第一电信号传输给无源传感装置的无源传感器。
S203、无源传感器在第一电信号的作用下发送含有预设信息的第二电信号给无源传感装置的发射天线。
S204、发射天线将第二电信号以电磁波信号的形式发射出去。
S205、读写装置接收电磁波信号，并识别电磁波信号中携带的预设信息。
上述无线无源传感方法可由本发明任意实施例所提供的无线无源传感系统执行，具有与系统相同的有益效果。
可选地，无源传感器包括声表面波传感器，预设信息包括声表面波传感器测得的其所处位置的物理量信息，物理量信息包括温度、压力和应变中的至少一个；
无源传感器包括射频识别RFID芯片，预设信息包括RFID中存储的身份信息。
可选地，读写装置包括处理模块、激光发射模块和射频接收模块；激光发射模块和射频接收模块分别与处理模块电连接；
读写装置发送调制激光信号包括：
激光发射模块接收处理模块发送的控制信号，并根据控制信号发射调制激光信号；
读写装置接收电磁波信号，并识别电磁波信号中携带的预设信息包括：
射频接收模块接收电磁波信号，将电磁波信号处理为第三电信号，并将第三电信号发送给处理模块；
处理模块根据第三电信号确定预设信息。
可选地，无源传感器包括声表面波传感器；
激光发射模块接收处理模块发送的控制信号，并根据控制信号发射调制激光信号包括：
激光发射模块发射幅度调制激光信号。
可选地，无源传感装置还包括环形器；环形器的第一端与光电转换模块电连接，第二端与发射天线电连接，第三端与无源传感器电连接；
方法包括：
环形器将光电转换模块输出的第一电信号传输给无源传感器，并将无源传感器输出的第二电信号传输给发射天线。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种无线无源传感系统，其特征在于，包括：
读写装置，用于发送调制激光信号；
无源传感装置，包括光电转换模块、发射天线和无源传感器；所述光电转换模块用于接收所述调制激光信号，将所述调整激光信号转换为第一电信号，并将所述第一电信号传输给所述无源传感器；所述无源传感器用于在所述第一电信号的作用下发送含有预设信息的第二电信号给所述发射天线；所述发射天线用于将所述第二电信号以电磁波信号的形式发射出去；
所述读写装置还用于接收所述电磁波信号，并识别所述电磁波信号中携带的预设信息。
2.根据权利要求1所述的传感系统，其特征在于，所述无源传感器包括声表面波传感器，所述预设信息包括所述声表面波传感器测得的其所处位置的物理量信息，所述物理量信息包括温度、压力和应变中的至少一个；
所述无源传感器包括射频识别RFID芯片，所述预设信息包括所述RFID中存储的身份信息。
3.根据权利要求2所述的传感器系统，其特征在于，所述读写装置包括处理模块、激光发射模块和射频接收模块；所述激光发射模块和所述射频接收模块分别与所述处理模块电连接；
所述激光发射模块用于接收所述处理模块发送的控制信号，并根据所述控制信号发射调制激光信号；
所述射频接收模块用于接收所述电磁波信号，将所述电磁波信号处理为第三电信号，并将所述第三电信号发送给所述处理模块；
所述处理模块用于根据所述第三电信号确定所述预设信息。
4.根据权利要求3所述的传感器系统，其特征在于，所述无源传感器包括声表面波传感器，所述激光发射模块用于发射幅度调制激光信号。
5.根据权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述无源传感装置还包括环形器；
所述环形器的第一端与所述光电转换模块电连接，第二端与所述发射天线电连接，第三端与所述无源传感器电连接；
所述环形器用于将所述光电转换模块输出的第一电信号传输给所述无源传感器，并将所述无源传感器输出的第二电信号传输给发射天线。
6.一种无线无源传感方法，其特征在于，包括：
读写装置发送调制激光信号；
无源传感装置的光电转换模块接收所述调制激光信号，将所述调整激光信号转换为第一电信号，并将所述第一电信号传输给无源传感装置的无源传感器；
所述无源传感器在所述第一电信号的作用下发送含有预设信息的第二电信号给所述无源传感装置的发射天线；
所述发射天线将所述第二电信号以电磁波信号的形式发射出去；
所述读写装置接收所述电磁波信号，并识别所述电磁波信号中携带的预设信息。
7.根据权利要求6所述的传感方法，其特征在于，所述无源传感器包括声表面波传感器，所述预设信息包括所述声表面波传感器测得的其所处位置的物理量信息，所述物理量信息包括温度、压力和应变中的至少一个；
所述无源传感器包括射频识别RFID芯片，所述预设信息包括所述RFID中存储的身份信息。
8.根据权利要求7所述的传感器方法，其特征在于，所述读写装置包括处理模块、激光发射模块和射频接收模块；所述激光发射模块和所述射频接收模块分别与所述处理模块电连接；
读写装置发送调制激光信号包括：
所述激光发射模块接收所述处理模块发送的控制信号，并根据所述控制信号发射调制激光信号；
所述读写装置接收所述电磁波信号，并识别所述电磁波信号中携带的预设信息包括：
所述射频接收模块接收所述电磁波信号，将所述电磁波信号处理为第三电信号，并将所述第三电信号发送给所述处理模块；
所述处理模块根据所述第三电信号确定所述预设信息。
9.根据权利要求8所述的传感器方法，其特征在于，所述无源传感器包括声表面波传感器；
所述激光发射模块接收所述处理模块发送的控制信号，并根据所述控制信号发射调制激光信号包括：
所述激光发射模块发射幅度调制激光信号。
10.根据权利要求6所述的传感器方法，其特征在于，无源传感装置还包括环形器；所述环形器的第一端与所述光电转换模块电连接，第二端与所述发射天线电连接，第三端与所述无源传感器电连接；
所述方法包括：
所述环形器将所述光电转换模块输出的第一电信号传输给所述无源传感器，并将所述无源传感器输出的第二电信号传输给发射天线。
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