CN116092850A - 一种用于高温工况的无线无源开关、系统及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高温工况的无线无源开关、系统及其应用方法，本发明用于高温工况的无线无源开关，包括开关面板和设于开关面板上用于作为按钮使用的声表面波谐振器；本发明用于高温工况的无线无源开关系统包括频率测量计和前述的用于高温工况的无线无源开关，所述频率测量计用于检测无线无源开关的谐振频率并输出。本发明能够实现无线无源的开关，具有灵敏度高、线性度好、抗干扰能力强、成本低、可大量生产的优点，能够解决现有高温工况场合控制开关不在现场、需要来回跑动等问题。

Description

一种用于高温工况的无线无源开关、系统及其应用方法

技术领域

本发明涉及开关技术领域，具体涉及一种用于高温工况的无线无源开关、系统及其应用方法。

背景技术

电子开关是常用的开关器件。但是针对高温工况下，传统的电子开关由于包含线路和电源等，在高温工况下会导致线路绝缘损坏等情况，容易产生安全问题，所以传统电子开关无法在高温现场工作。如何实现高温工况下的开关控制，已成为一项亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种用于高温工况的无线无源开关、系统及其应用方法，本发明能够实现无线无源的开关，具有灵敏度高、线性度好、抗干扰能力强、成本低、可大量生产的优点，能够解决现有高温工况场合控制开关不在现场、需要来回跑动等问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于高温工况的无线无源开关，包括采用耐高温材料制成的开关面板，所述开关面板的正面设有按压区域，所述开关面板位于按压区域的背面设有用于敏感开关面板压力变化以改变输出谐振频率的声表面波谐振器。

可选地，所述声表面波谐振器通过耐高温粘结剂粘附固定在开关面板上。

可选地，所述开关面板为金属板。

可选地，所述声表面波谐振器为单端对谐振器。

可选地，所述声表面波谐振器的压电基底为采用硅酸镓镧或铌酸锂制成。

可选地，所述开关面板的正面设有多个按压区域，且每一个按压区域的背面均设有一个声表面波谐振器，且不同声表面波谐振器的谐振频率不同。

可选地，所述多个声表面波谐振器的谐振频率按照指定的频率间隔等距分布，所述频率间隔大于声表面波谐振器被按压时的谐振频率偏移量。

可选地，所述谐振频率偏移量小于0.5MHz，所述频率间隔为3MHz。

此外，本发明还提供一种用于高温工况的无线无源开关系统，包括频率测量计、按钮解码器和前述的用于高温工况的无线无源开关，所述频率测量计用于检测无线无源开关的谐振频率并输出，频率测量计的输出端与按钮解码器相连，所述按钮解码器用于根据频率测量计检测得到的无线无源开关的谐振频率确定被按压的声表面波谐振器并输出对应的开关按钮码。

此外，本发明还提供一种前述的用于高温工况的无线无源开关系统的应用方法，包括：

S1，在按压区域被按压后使得声表面波谐振器的谐振频率发生变化，通过频率测量计检测无线无源开关的谐振频率并输出；按钮解码器检测频率测量计检测得到的无线无源开关的谐振频率，若无线无源开关的谐振频率与某一声表面波谐振器被按压时的谐振频率偏移频率之间的误差小于设定值，则判定该声表面波谐振器被按压，并输出所有被按压的声表面波谐振器信息对应的开关按钮码；

S2，对开关按钮码进行解码以确定被按压的按压区域的信息。

和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：

1、本发明包括采用耐高温材料制成的开关面板，开关面板的正面设有按压区域，所述开关面板位于按压区域的背面设有用于敏感开关面板压力变化以改变输出谐振频率的声表面波谐振器，利用声表面波谐振器(SAWR)的无源无线，其谐振频率受压力影响等特性实现无源开关控制，当外界没有压力作用在开关面板上时，声表面波谐振器的谐振频率以及回波信号稳定。当有外力作用在开关面板上时，开关面板上产生的应变传递给声表面波谐振器，使声表面波谐振器的谐振频率发生偏移进而回波信号发生改变，通过测量频率的范围即可确定是否按压开关面板上的按压区域，由于敏感部分的声表面波谐振器是基于声表面波技术，声表面波谐振器无需供电和线路，从而能够实现无线无源开关，具有灵敏度高、线性度好、抗干扰能力强、成本低、可大量生产的优点。

2、本发明的声表面波谐振器工作在射频阶段，便于集成在无线系统中，具有无源无线的独特优势，可应用于安装环境复杂、无电气连接的场合，其具有灵敏度高、线性度好、抗干扰能力强、成本低、可大量生产等优点。由于传感器部分均为耐高温的机械部分，并采用半导体集成电路工艺加工，因此器件的一致性和可靠性都很好。

3、本发明的声表面波谐振器的谐振频率可通过无线射频激励和回波信号频率检测，尤其适合高温工况的开关控制，能够解决现有高温工况场合控制开关不在现场、需要来回跑动等问题，可用于炼钢、电解铝等高温场合。

附图说明

图1为本发明实施例用于高温工况的无线无源开关的结构示意图。

图2为本发明实施例中声表面波谐振器的原理结构示意图。

图例说明：1、开关面板；2、声表面波谐振器。

具体实施方式

如图1所示，本实施例用于高温工况的无线无源开关包括采用耐高温材料制成的开关面板1，开关面板1的正面设有按压区域，开关面板1位于按压区域的背面设有用于敏感开关面板1压力变化以改变输出谐振频率的声表面波谐振器2。当按压开关面板1正面的按压区域时，敏感开关面板1的压力变化会使得声表面波谐振器2压电基片上承受的压力发生变化引起声表面波波速的改变，进而导致谐振器2的谐振频率发生变化，从而可利用检测声表面波的谐振频率，实现无线无源开关的目的。

毫无疑问，开关面板1可以根据需要采用所需的耐高温材料。例如作为一种优选的实施方式，开关面板1为金属板，本实施例中选用耐高温的金属板作为控制面板材料，拥有坚固的外表，可以达到防爆，防尘，防水，耐磨、耐高温等功能。

开关面板1、声表面波谐振器2之间可以采用所需的固定方式，其关键在于声表面波谐振器2需要能够准确敏感开关面板1压力变化。例如作为一种优选的实施方式，本实施例中声表面波谐振器2通过耐高温粘结剂粘附固定在开关面板1上，可抑制温度、振动等共模干扰。需要说明的是，耐高温粘结剂和耐高温材料中涉及的“高温”表达的是一种特性，其耐受温度具体与开关面板1的耐高温材料以及声表面波谐振器2的耐高温性能相关，一般而言“高温”可认为超过100摄氏度以上的温度。

声表面波谐振器2(SAWR)为现有器件，可以根据需要采用所需的器件型号。

SAWR可分为延迟型SAWR、谐振型SAWR两种，当感受到外界测量参量的变化时，延迟型SAWR主要是体现在对其延迟时间、相位的影响上，谐振型SAWR则主要体现在对其谐振频率的影响上。考虑到延迟型SAWR的Q值高，测量不方便，无线传输距离短。本实施例中声表面波谐振器2优选为单端对谐振器(谐振型SAWR)，如图2所示，单端对谐振器的将叉指换能器(如图2中a所示)置于两个全反射的声反射栅(如图2中b所示)之间，当单端对谐振器的压电基底(图2省略未绘出)所受应力应变发生变化时，单端对谐振器的谐振频率发生相应变化，因此通过测量单端对谐振器的谐振频率便可实现对压力的测量。而且可通过连续测量反射系数，再运用到其它传感器的信息传输中，就不必对声表面波谐振器2的信号进行任何处理，就可通过无线测量声反射栅反射系数获得声表面波谐振器2的信息。

研究发现选择较小频率温度系数的材料作为制作声表面波谐振器2构成的传感器的压电基底，这样有助于避免温度对于谐振器的影响，提高整个开关控制装置的可靠性。本实施例中，声表面波谐振器2的压电基底为采用硅酸镓镧或铌酸锂制成，硅酸镓镧和铌酸锂为耐高温且力学敏感的压电材料，且具有较小频率温度系数，使声表面波谐振器2具有足够的Q值，满足远距离无线检测要求。当声表面波谐振器2受到无线激励信号激励，经逆压电效应转换为声表面波SAW，声表面波SAW在压电基片上传播，然后被声反射栅反射，再经压电效应由叉指换能器转换为电信号并通过天线发射出去，该电信号的频率为声表面波谐振器2的谐振频率，携带了被测信息。因此只要构建一个可实现对声表面波谐振器2进行有效的激励及能测量声表面波谐振器2的谐振频率，即可实现对开关面板1输入信号的锁定。

作为一种可选的实施方式，本实施例中开关面板1的正面设有多个按压区域，且每一个按压区域的背面均设有一个声表面波谐振器2，且不同声表面波谐振器2的谐振频率不同，从而可以根据导致声表面波谐振器2的谐振频率发生变化，从而可利用检测声表面波的谐振频率大小的不同，判断按压的按压区域。按压区域及其对应的声表面波谐振器2的数量可以根据实际需要调整，例如图1中为5个按压区域及其对应的声表面波谐振器2的实例。

由于不同声表面波谐振器2的谐振频率不同，而声表面波谐振器2被按压时的谐振频率偏移量可能会导致不同按压区域的按压造成串扰，为了提高多个按压区域的识别准确度，本实施例中多个声表面波谐振器2的谐振频率按照指定的频率间隔等距分布，频率间隔大于声表面波谐振器2被按压时的谐振频率偏移量。而且，通过多个声表面波谐振器2的谐振频率按照指定的频率间隔等距分布，可以更加方便地实现多个按压区域的识别。多个声表面波谐振器2的谐振频率范围为433MHz到2.4GHz，例如作为一种可选的实施方式本实施例中谐振频率偏移量小于0.5MHz，频率间隔为3MHz。不同的谐振频率对应的谐振器分别表示相应的开关按钮按键，当敲击开关按钮时对谐振器有一个力的作用，谐振器的谐振频率会发生偏移，偏移量不会超过0.5MHz，通过频率测量器测量频率，通过测量值可以直接锁定对应的谐振器，从而读取此谐振器表示的开关按钮码。可根据谐振器频率范围(这里不超过0.5MHz)进行编码，每个频率范围对应不同的编码，编码器通过读取的频率将所对应的按键的编码输送到计算机的缓冲，由CPU识别处理。

此外，本实施例还提供一种用于高温工况的无线无源开关系统，包括频率测量计、按钮解码器和前述的用于高温工况的无线无源开关，频率测量计用于检测无线无源开关的谐振频率并输出，频率测量计的输出端与按钮解码器相连，按钮解码器用于根据频率测量计检测得到的无线无源开关的谐振频率确定被按压的声表面波谐振器2并输出对应的开关按钮码。其中，频率测量计、按钮解码器两者构成了无线无源开关的阅读器，可根据需要集成在电脑或其它一些终端设备上，通过接收到的测量值来锁定声表面波谐振器2所对应的按压区域。

此外，本实施例还提供一种前述的用于高温工况的无线无源开关系统的应用方法，包括：

S1，在按压区域被按压后使得声表面波谐振器2的谐振频率发生变化，通过频率测量计检测无线无源开关的谐振频率并输出；按钮解码器检测频率测量计检测得到的无线无源开关的谐振频率，若无线无源开关的谐振频率与某一声表面波谐振器2被按压时的谐振频率偏移频率之间的误差小于设定值，则判定该声表面波谐振器2被按压，并输出所有被按压的声表面波谐振器2信息对应的开关按钮码；

S2，对开关按钮码进行解码以确定被按压的按压区域的信息。

综上所述，为了克服控制开关不在高温工况现场，传统电子开关无法在高温现场工作等缺点，本实施例提出了利用声表面波谐振器2构成的用于高温工况的无线无源开关。当外界没有压力作用在开关面板上时，声表面波谐振器2的谐振频率以及回波信号稳定。当有外力作用在开关面板上时，开关面板上产生的应变传递给声表面波谐振器2，使声表面波谐振器2的谐振频率发生偏移进而回波信号发生改变，通过测量频率的范围即可确定是否按压开关面板上的按压区域，由于敏感部分的声表面波谐振器2是基于声表面波技术，声表面波谐振器2无需供电和线路，从而能够实现无线无源开关，具有灵敏度高、线性度好、抗干扰能力强、成本低、可大量生产的优点。利用声表面波谐振器2自身的特点，即无源无线信号传递，当作用于声表面波谐振器2上的外界有压力作用时，声表面波传播参数随之而变化，从而引起声表面波谐振器2的谐振频率的变化，通过对声表面波谐振器2进行频率测量，测得的频率数值可以很快锁定对应的声表面波谐振器2，从而读取此声表面波谐振器2对应的按键(按压区域)，保证输入按键信号的可靠性，最终实现无源键盘的功能。如果选用的金属材料、声表面波谐振压电基底材料及粘结剂都是耐高温的材料，则该开关控制装置可用于炼钢、电解铝等高温场合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于高温工况的无线无源开关，其特征在于，包括采用耐高温材料制成的开关面板(1)，所述开关面板(1)的正面设有按压区域，所述开关面板(1)位于按压区域的背面设有用于敏感开关面板(1)压力变化以改变输出谐振频率的声表面波谐振器(2)。

2.根据权利要求1所述的用于高温工况的无线无源开关，其特征在于，所述声表面波谐振器(2)通过耐高温粘结剂粘附固定在开关面板(1)上。

3.根据权利要求1所述的用于高温工况的无线无源开关，其特征在于，所述开关面板(1)为金属板。

4.根据权利要求1所述的用于高温工况的无线无源开关，其特征在于，所述声表面波谐振器(2)为单端对谐振器。

5.根据权利要求1所述的用于高温工况的无线无源开关，其特征在于，所述声表面波谐振器(2)的压电基底为采用硅酸镓镧或铌酸锂制成。

6.根据权利要求1所述的用于高温工况的无线无源开关，其特征在于，所述开关面板(1)的正面设有多个按压区域，且每一个按压区域的背面均设有一个声表面波谐振器(2)，且不同声表面波谐振器(2)的谐振频率不同。

7.根据权利要求6所述的用于高温工况的无线无源开关，其特征在于，所述多个声表面波谐振器(2)的谐振频率按照指定的频率间隔等距分布，所述频率间隔大于声表面波谐振器(2)被按压时的谐振频率偏移量。

8.根据权利要求7所述的用于高温工况的无线无源开关，其特征在于，所述谐振频率偏移量小于0.5MHz，所述频率间隔为3MHz。

9.一种用于高温工况的无线无源开关系统，其特征在于，包括频率测量计、按钮解码器和权利要求1～8中任意一项所述的用于高温工况的无线无源开关，所述频率测量计用于检测无线无源开关的谐振频率并输出，频率测量计的输出端与按钮解码器相连，所述按钮解码器用于根据频率测量计检测得到的无线无源开关的谐振频率确定被按压的声表面波谐振器(2)并输出对应的开关按钮码。

10.一种权利要求9所述的用于高温工况的无线无源开关系统的应用方法，其特征在于，包括：

S1，在按压区域被按压后使得声表面波谐振器(2)的谐振频率发生变化，通过频率测量计检测无线无源开关的谐振频率并输出；按钮解码器检测频率测量计检测得到的无线无源开关的谐振频率，若无线无源开关的谐振频率与某一声表面波谐振器(2)被按压时的谐振频率偏移频率之间的误差小于设定值，则判定该声表面波谐振器(2)被按压，并输出所有被按压的声表面波谐振器(2)信息对应的开关按钮码；

S2，对开关按钮码进行解码以确定被按压的按压区域的信息。

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