CN1176527C - 无源无线声表面波多传感器系统及采用的频分识别方法 - Google Patents
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Abstract
无源无线声表面波多传感器系统及采用的频分识别方法，由多个谐振频率分布在不同的频率点上的声表面波谐振器作为多个传感器，其信号接收处理由计算机编程控制一个可调本振，该可调本振连接功率放大器，经过接收、发送开关和天线发出查询信号，查询信号的回波经天线，接收、发送开关和射频放大器依次连接带通滤波器和A/D转换器后接进计算机。优点是采用计算机编程控制本振信号的频率，产生不同振荡频率的查询信号，用同一仪器系统可以识别、查询并获取在同一监测环境中的一个以上声表面波谐振器传感器(传感单元)的传感信号。
Description
技术领域
本发明属于声表面波传感技术领域，具体涉及一种用一个以上声表面波谐振器(包括双端口及单端口谐振器)实现的无源多或者阵列传感器，以及用于无线信号查询及非接触获取、处理多个(阵列)传感信号的仪器系统，以及该系统所采用的频分识别多个传感器的方法。
技术背景
从上个世纪八十年代开始，美、德、日等国家开展了对声表面波无源无线传感器的研究，在已经发表的专利和技术文献中，报道了采用声表面波元件实现无源传感器的各种方法。由于声表面波谐振器较之其它类型的声表面波元件具有更高得品质因素(Q值)，特别适合于无源无线传感应用。例如专业文献1、Reindl Leonhard Scholl Gerd，Ostertag Thomas等，“无源声表面波应答器用作传感器的理论和方法”/IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，andFrequency Control/1998，45(5)：1281-1291；文献2、A.Pohl，G.Ostermayer and F.Seifer，“用振荡器电路锁定远程高值声表面波谐振器的无线传感”/IEEE Trans.UFFC/vol.45，no.5，pp.1161-1168，1998；文献3、A.Springer，R.Weigel，A.Pholand F.Seifert，“用声表面波器件的无线识别和传感”/Mechatronics/1999，No.9pp745-756.上述文献都介绍了采用声表面波谐振器作为无源无线传感器的技术。图1是这些文献中报告的用于无源无线声表面波传感器信号查询、接收和处理的典型仪器系统原理框图。这个系统构成的特点在于：用于产生查询信号的本振的频率在使用中是不调整的，它固定在和用作传感器的谐振器频率范围内的一个频率点上。已有技术的一个典型特征就是一个传感器系统中只包含单个的用作传感器的声表面波谐振器。如果要使用多个这种无源无线声表面波谐振器式传感器，必须要使用多个信号查询、接收单元。所以这种方法，不适用于多传感器、阵列传感器应用。这种系统电路结构复杂、控制灵活性较差。
声表面波谐振器用作传感器，被传感量主要引起谐振器自然谐振频率的变化。在专业文献Pohl Alfred，Ostermayer Gerald，Seifert Franz，“用振荡器电路锁定远程高值声表面波谐振器的无线传感”/IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control/1998，45(5)：1261-1268中，采用门控锁相环检测技术，锁定提取回波信号的振荡频率，并由此得到相应的传感信息。该系统电路复杂，难于调试和控制，并且闭环带宽窄，不能应用于多传感器和传感器阵列所要求的宽频带控制。
为了能够识别在多传感器或者阵列传感器中的各个传感单元或者传感器，已有和公开报到的技术主要是采用编码器型声表面波器件。例如德国西门子公司在中国申请的发明专利(申请号：97117768.6)采用脉冲时间间隔编码。美国专利采用线性调频换能器的无源声表面波标识器(“采用线性调频换能器的无源声表面波表示器”Patent Number：5469170，Nov.，21，1995)采用声表面波线性调频编码器。这些传感器系统的实现可采用和图1相似的信号查询、接收采集单元。其中采用线性调频编码时，图1中的本振必须是一扫频信号源。仪器系统运用传统雷达技术，采用外差接收机结构，通过对回波信号幅度、相位信息的提取得到多个被测参量或目标身份识别和传感信息。
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，提供一种用一个以上声表面波谐振器(包括双端口及单端口谐振器)实现的无源多或者阵列传感器，以及用于无线信号查询及非接触获取、处理多个(阵列)传感信号的仪器系统，以及该系统所采用的频分识别方法。
发明内容
本发明的总体构思是：将用作传感器的无源声表面波谐振器和天线连接，或者经过无源阻抗匹配网络和天线连接，直接从无线发射的查询信号中获取能量，并返回携带传感信息的射频信号。传感器本身不包含有源器件，无需电源(交、直流电源，电池等)供电。该传感器可用于传感温度、应力、应变、流量等物理参量，也可以通过在敏感元件(声表面波谐振器)基片上，对声表面波传播路径覆盖选择性的化学吸附膜、生物膜来传感相应的化学参量、生物参量。传感仪器系统用频率识别的方法，用同一仪器系统可以查询并获取在同一监测环境中的若干个这种敏感元件的传感信号，经过信号调理、模数转换获取传感信号，并用数字信号处理得到相应传感参量输出。在同一个传感系统中用作敏感元件的谐振器的谐振频率分布在不同的频率点上，这些频率点的间距大于各谐振器在受到物理、化学、生物等被传感参量作用时谐振频率的最大变化量。
本仪器系统的具体实现包含传感部分A和信号查询、接收采集和处理部分B，参见图2和图3。在传感部分它用多个谐振频率分布在不同的频率点上的声表面波谐振器作为多个传感器，放置在相同的或者不同的空间位置，各个传感器用于测量相同或者不同的被传感量。这些谐振器可以是独立的单个元件，即在不同的压电基片上，独立封装的元件；也可以是在同一压电基片上，分区域制作具有不同谐振频率的谐振器阵列。每个传感器(或者传感单元)包含一个谐振器(谐振器单元)和一副天线，谐振器的输入、输出端和天线直接连接，如图2所示。或者通过无源阻抗匹配元件和天线连接，如图3所示。也可以所有的、或者部分的谐振器的输入输出端口连接在一起，和一个或者多个天线连接，或者通过无源阻抗匹配元件和和一个或者多个天线连接。
本仪器系统的信号查询、接收采集和处理部分的构成如图4所示，其中包含一个可调本振LCO，为频率可以由计算机编程控制的可变频率振荡源。该可调本振LCO连接功率放大器PA和接收、发送开关K和天线，发出查询信号，查询信号的回波经天线，接收、发送开关和射频放大器RA依次连接带通滤波器BP和A/D转换器后接进计算机CPU。本系统可以通过计算机控制产生不同振荡频率的查询信号，而在传感器端，只有频率响应范围包含查询信号频率的谐振器才有响应输出。因此，多(阵列)传感器中的各个传感器被传感仪器系统唯一识别。
该部分的另一种结构形式如图5所示，在查询信号的回波经天线、接收、发送开关K和射频放大器RA后，还连接一固定本振LCO1和混频器，再依次连接低通滤波器LP、低频放大器、A/D转换器，最后至接入计算机CPU。这样接收到的传感响应信号也可以和一固定本振混频下变频后，再进行数字化。
用于这种传感器系统的信号查询、接收采集和处理部分的最好结构形式如图6所示。这个仪器系统中包含一个可调本振和一个固定本振，即固定本振为固定频率振荡源，如图6中的固定本振LCO1，另一个为频率可以由计算机编程控制的可变频率振荡源，如图6中的可调本振LCO2。这样就可以通过计算机控制产生不同振荡频率的查询信号，而在传感器端，只有频率响应范围包含查询信号频率的谐振器才有响应输出。因此，多、阵列传感器中的各个传感器被传感仪器系统唯一识别。同时，声表面波传感器对无线查询信号的回波被接收后，经过和固定本振LCO1混频，通过低通滤波器LP，实现了下变频，使得可以以低采样率采集传感数据，由计算机处理计算出相应的传感量值。
本系统还可以用整形电路和计数器代替模拟/数字转换器A/D实现传感信号的数字化，如图7示。即接收到的信号经混频、带通或低通滤波、放大后，输入到整形电路，产生的输出作为定时、计数器电路的输入，或者作为时钟信号，或者作为门控信号，计数器的输出输入到计算机CPU。
上述的计算机是指采用CPU或者微处理器芯片实现的各种计算机系统，包括个人计算机(PC)，单片机系统，DSP系统。
本仪器系统所采用的频分识别方法的步骤如下：
1.确定多(阵列)传感器系统中用作传感器(传感单元)的声表面波谐振器个数，并保证各个谐振器的工作频带无重叠；
2.根据所选定的传感器(传感单元个数)和工作频带范围，确定仪器中可调本振的频率变化范围。可调本振的频率变化范围至少是从所有谐振器中的最低工作频率到最高工作频率。
3查询传感信号时，计算机按照系统中的各个谐振器的工作频带，控制可以调节本振。在一个查询周期里，控制产生的查询信号的频率，在系统中一个谐振器的工作频带内。在图4、图5所示的系统中，查询信号的频率就是可调本振的频率；在图6所示的系统中，就是固定本振和可调本振的频率之和。在对应的接收周期里，接收到的回波信号来自工作频带覆盖这一频率的谐振器。
4在下一个查询周期里，可以保持发射这一频率的查询信号，那么仍然是这一传感器产生响应；也可以控制产生新的频率查询信号，该频率是在系统中另一个谐振器工作频带内，因此选通新的传感器。
5计算机可以在多个查询周期里，顺序产生不同频率的查询信号，获取多传感器或者阵列传感器中所有传感器的传感响应；也可以连续若干个查询周期，只产生同一频率的查询信号，获取一个传感器的传感响应。
本发明的优点是：本发明给出的无源无线声表面波传感器的信号查询、采集、处理仪器系统，采用计算机编程控制本振信号的频率，产生不同振荡频率的查询信号，用同一仪器系统可以识别、查询并获取在同一监测环境中的一个以上声表面波谐振器传感器(传感单元)的传感信号，用频分识别的方法实现无源无线多传感器、阵列传感器。
附图说明
图1是现有技术用于无源无线声表面波传感器信号查询、接收和处理的典型仪器系统原理框图；
图2是本仪器系统的传感部分每个传感器和一副天线相连的结构示意图；
图3是本仪器系统的传感部分多个传感器和共用一副天线的结构示意图；
图4、图5和图6是本仪器系统的信号查询、接收采集和处理部分三种实现方式的原理图；
图7是本仪器系统的信号查询、接收采集和处理部分中的传感信号数字化的另一种实现方式原理图。
具体实施方式
实施例1：用空间离散分布的声表面波谐振器实现无源无线多点温度传感。
选用谐振频率分布在业余无线电频段430MHz到440MHz的声表面波谐振器用作温度敏感元件。若测量温度在-10℃-200℃之间变化，将引起谐振器的谐振频率在300KHz以内变化，因此在此频率区间内共可采用30个声表面波谐振器作为敏感元件，各个谐振器的端口通过匹配网络和天线连接，如图2和图6所示。此仪器系统中，固定本振LCO1选用谐振频率为429.70MHz的石英晶体谐振器，可调本振LCO2为一数字频率源，选用NI5401 16MHz PCI接口函数发生器，接入PIII600个人计算机中，它输出的正弦波频率在0到16MHz内连续可调，实际只在0到10MHz范围调节。A/D转换器选用NI5102 20Ms/sPCI接口数字化转换器，接入上述的个人计算机中。带通滤波器BP的通带是430430MHz到440MHz；低通滤波器LP的通带是0到10MHz。功率放大器PA选用Max2601 DC-1GHZ+30dbm功率放大器，开关选用0-500MHz单刀双置开关，射频放器RA选用Max2650 DC-微波段低噪声放大器。
实施例2：无线查询的声表面波阵列传感器
在同一压电基片上，分区域制作具有不同谐振频率的谐振器。这些谐振频率相互间有一定的频率间隔。所有这些谐振器的端口和同一副天线相连。该阵列传感器的仪器系统构成如图3和图6所示，其中固定本振LCO1的振荡频率可选为大于(或者小于)所有的谐振器频率。可调本振LCO2为一频率可调的数字频率源。
Claims (7)
1.无源无线声表面波多传感器系统，包括传感器部分和信号查询、接收采集及处理部分，其特征在于：
传感器部分有多个谐振频率分布在不同频点上的声表面波谐振器作为多个传感器，放置在相同的或者不同的空间位置，每一个声表面波谐振器的输入输出端口和一副天线相连，或者通过无源阻抗匹配器件和天线相连；
信号查询、接收采集及处理部分只有一套，由多个传感器共用，识别、查询并获取在同一监测环境中的一个以上声表面波谐振器传感器或传感单元的传感信号，它由一副公用天线连接到由接收、发送开关，射频放大器，混频器，带、低通滤波器，放大器，A/D转换器依次连接构成的公用信号通道，再连接计算机，由计算机的输出接口连接编程控制一个可调本振，产生不同振荡频率的查询信号，该可调本振连接功率放大器。
2.根据权利要求1所述的无源无线声表面波多传感器系统，其特征在于查询信号的回波通过天线，接收、发送开关和射频放大器后，还连接一固定本振和混频器，再依次连接低通滤波器、放大器、A/D转换器，最后至接入计算机。
3.根据权利要求2所述的无源无线声表面波多传感器系统，其特征在于在可调本振输出端也接有一混频器，固定本振接于两混频器之间。
4.根据权利要求1、2或3所述的无源无线声表面波多传感器系统，其特征在于所述A/D转换器由整形电路和计数器取代，整形电路产生的输出作为计数器的输入，或者作为时钟信号，或者作为门控信号，计数器的输出最后连接到计算机。
5.根据权利要求1、2或3所述的无源无线声表面波多传感器系统，其特征在于这些谐振器可以是独立的单个元件，即在不同的压电基片上，独立封装的元件；可以是同一压电基片上，分区域制作具有不同谐振频率的谐振器阵列。
6.根据权利要求5所述的无源无线声表面波多传感器系统，其特征在于传感器部分也可以和所有的、或者部分的谐振器的输入输出端口连接在一起，再和一个或者多个天线连接，或者通过无源阻抗匹配元件和一个或者多个天线连接。
7.根据权利要求1、2、3、6 之任意一项所述的传感器系统所采用的频分识别方法，其特征在于步骤如下：
(1)确定传感器系统中用作传感器或传感单元的声表面波谐振器个数，并保证各个谐振器的工作频带无重叠；
(2)根据所选定的传感器或传感单元个数和工作频带范围，确定系统)中可调本振的频率变化范围；可调本振的频率变化范围至少是从所有谐振器中的最低工作频率到最高工作频率；
(3)在查询传感信号时，计算机按照系统中的各个谐振器的工作频带，控制可调本振；在一个查询周期里，控制产生的查询信号的频率在系统中一个谐振器的工作频带内；在该查询周期之后相连接的接收周期里，接收到的回波信号来自工作频带覆盖上述查询信号所在频率的谐振器；
(4)在下一查询周期里，可以保持发射上述查询信号所在频率的查询信号，那么仍然是这一传感器产生响应；也可以控制产生新的频率查询信号，该频率是在系统中另一个谐振器工作频带内，因此选通新的传感器；
(5)计算机在多个查询周期里，顺序产生不同频率的查询信号，获取多传感器或者阵列传感器中所有传感器的传感器响应；也可以连接若干个查询周期，只产生同一频率的查询信号，获取一个传感器的传感响应。
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