CN1204406C - 谐振结构阻抗的测量装置 - Google Patents

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Abstract

测量对电谐振结构的阻抗有影响的物理量的数值的设备，所述设备包括电谐振结构，RF电能量源，将所述电能量源连接至所述谐振结构的双向RF传输线，与所述传输线相关的定向耦合器，所述能量源向所述结构提供激励信号，所述定向耦合器检测从所述谐振结构返回的反射信号的电压或相位，其特征在于所述谐振结构基本上是无能量辐射的，并且具有以所述物理量数值的函数形式连续变化的阻抗。电谐振结构通常是至少部分由压电材料构成。

Description

谐振结构阻抗的测量装置
本发明涉及测量影响电谐振结构阻抗的物理量数值的装置和方法。这种结构的一个例子是使用在振荡器电路中的声表面波(SAW)谐振器。更具体地说，本发明涉及这类谐振器远离驱动和传感电子电路安装的应用。
与本发明最为接近的现有技术是使射频传输天线的阻抗与发射机的阻抗匹配(如Frederick Terman所著、Library of Congress收藏卡号55-6174的“Electronic and Radio Engineering”，以及William Orr所著、Library of Congress收藏卡号40-33904的“Radio Handbook”中所描述的那样)。这些现有技术的参考文献谈到将电路的每个元件(发射机、传输线和天线)的阻抗匹配从而使在所要求的工作频率下电路的射频(RF)能量辐射最大。阻抗匹配是在对系统的初始设置期间执行的，以便工作在发射机的固定载波频率。一旦阻抗在初始化时获得了匹配，不再需要进行调谐，这是因为电路在工作过程中基本上不会改变其阻抗。对系统阻抗的测量通常是由定向耦合器执行的，该定向耦合器测量从失配的电路返回的发射电流。根据这一电流可以计算沿线路上的最大电压与最小电压之比(称为“电压驻波比”或“VSWR”)。值为1的VSWR表明系统匹配良好。对系统阻抗的调节通常是通过改变天线或传输线的长度，或者通过在电流上增加诸如电感或电容之类的集总元件而进行的。所描述的技术能被那些精通RF功率射频传输以向远程RF接收机传送信息的技术领域的技术人员很好地理解。该发明所针对的是在测量未设计用于能量辐射的远程安装的电谐振结构的阻抗时所存在的问题。这样的结构通常用于振荡器电路中控制振荡频率。它们总是安装在控制电路附近，因为结构和电子电路之间的连接线阻抗将使该电路停止工作。这些结构的阻抗可以因一些因素比如温度、湿度和应变而变化，由此它们可以当作传感器使用。先前的应用总是将控制电子电路靠近谐振器结构放置，并且为将能量传送至控制电子电路和测量信号提供了单独的连接(接触或不接触)。当传感器安装在条件苛刻的场合下，比如在高温区，在易爆炸环境(加在传感器上的功率必须加以限制)里，或者处于旋转轴上的时候，这一技术会引发一些问题。
本发明的目的是消除对控制电子电路必须安装在结构附近的要求，以及允许结构的阻抗能够在很低信号功率下得到测量。
根据一方面，本发明是测量对电谐振结构的阻抗有影响的物理量的数值的设备，所述设备包括电谐振结构，RF电能量源，将所述电能量源连接至所述谐振结构的双向RF传输线，与所述传输线相关的定向耦合器，所述能量源向所述结构提供激励信号，所述定向耦合器检测从所述谐振结构返回的反射信号的电压或相位，其特征在于所述谐振结构基本上是无能量辐射的，并且在所述能量源的给定频率下具有以所述物理量数值的函数形式连续变化的阻抗。
电谐振结构优选是至少部分由压电材料构成。合适的压电材料包括石英和有方向取向的氧化锌。
优选的是基本上无能量辐射的谐振结构是基本上无RF辐射的结构。优选的是电谐振结构是由至少一个叉指阵列(IDA)电激励的。包含有IDA的合适谐振结构是声表面波(SAW)谐振器，浅体声波(SBAW)谐振器或诸如此类的器件。优选的是谐振结构的可变阻抗是由IDA的间距或谐振结构的负载质量的变化产生的。优选的是IDA间距的变化是由谐振结构的应变产生的。
优选的是谐振结构基本上刚性安装在有应变的表面上，并且该应变因此被分给所述谐振结构。所述表面的应变可以是由物理量引起的，比如施加的负载，施加的弯矩，施加的压力，或者由温度引起的热膨胀。对谐振结构的质量加载可以通过在特定流体存在的情况下将流体吸收到谐振结构的表面中，或者通过诸如湿度之类的物理量而引起的。
优选的是定向耦合器可以是变换器，麦克斯韦电桥(电线线路)或Lange耦合器。
优选的是RF传输线包含在线非接触的耦合器，它可以是未调谐或经调谐的变换器，激光性、光学性、电容性或RF耦合器。
或者，RF传输线是在能量源和谐振结构之间的连续电导体。
优选的是电谐振结构安装在有应变的旋转件的表面上，采用在线的耦合器允许所述激励信号和所述反射信号分别以非接触的方式从或向所述旋转件的传输。
优选的是能量源的输出阻抗应当基本上共轭匹配到所述双向RF传输线、谐振结构、定向耦合器和在线耦合器中任何一个。
现在参考附图结合非限定性的例子来描述本发明，附图中：
图1是描绘本发明第一实施例的简要分布图；
图2是定向耦合器的输出信号幅度与变化阻抗之间的关系图；
图3是定向耦合器的输出信号相对于激励信号的相位与变化阻抗之间的关系图。
图4示意了一个受弯矩作用的横梁和安装在横梁表面上的谐振结构。
图5是描绘本发明第二实施例的简要分布图。
图1是本发明设备的第一实施例的基本电路分布。RF电能量源1经包含定向耦合器3的双向RF传输线5，电连接至无能量辐射的电谐振结构2，该谐振结构的阻抗可变。定向耦合器3的输出在端子4处测量。
结构2优选是声表面波(SAW)谐振器，浅体声波(SBAW)谐振器或部分由诸如石英或有方向取向的氧化锌之类的压电材料组成的类似谐振器。这类谐振器包括可以电激励谐振器的叉指阵列(IDA)。
能量源1以基本上是电路谐振频率的频率提供激励频率信号。如果结构2的阻抗使得电路的谐振频率能够严格匹配能量源1提供的频率，那么所有提供给结构2的能量将被结构2消耗，而没有能量反射回能量源1。由于结构2的阻抗在其工作期间变化，该源提供的频率不再匹配电路的谐振频率，而能量将从结构2反射回源1。定向耦合器3测量该反射回来的能量。定向耦合器3可以优选是许多已知类型之一，包括变换器，麦克斯韦电桥(有时称为电线线路)或Lange耦合器。定向耦合器3的输出是与激励频率同步的频率，但是幅度和相位是按照结构2和源1之间阻抗失配程度的函数调制的。
图2示意了在端子4测量得到的信号相对于结构1阻抗的幅度。该信号的幅度在电路处于阻抗匹配状态的时候为最小值，随着结构2的阻抗从匹配状态偏离而增加。当结构2的阻抗明显不同于源1的阻抗时，结构2的阻抗变化对定向耦合器3的输出没有影响。定向耦合器3的输出随结构2阻抗变化而改变的范围直接与电路的Q值有关。幅度信号没有表明结构2的阻抗是否高于或低于源1，而仅表明失配的绝对量。
图3表示了在端子4测得的信号相对于激励信号的相位与结构2阻抗的关系。相位信息可以得出失配方向，但是该数值由于曲线的弯曲而难于解释。根据该应用，可以使用或者幅度、或者相位或两者，来获取有关结构2的阻抗的因结构2的应变或质量负载而引起的信息。
图4是SAW谐振器2形式的谐振结构，它基本上刚性安装于受到外加弯矩10作用的横梁的应变表面7上。其它同样可以导致表面7发生应变的物理量包括外加张力或加在横梁8上的压力负载，导致横梁8发生热膨胀的温度，或者如果横梁表示封接的振膜表面的一部分，施加在横梁8的一个表面上的压力。横梁8的表面7的应变因此传递给SAW谐振器2并且改变汽相淀积在SAW谐振器2表面上的IDA9的间距，由此改变SAW谐振器2的阻抗。或者SAW谐振器2的质量加载(未示)可以通过在特定流体存在的情况下由吸收到SAW谐振器2表面中的流体而引起，或者由其它诸如湿度之类的物理量而引起。
图5表示了本发明的第二实施例，其中在线耦合器6被引入到传输线5中，以允许对结构2的可变阻抗的无接触测量。在线耦合器6可以例如是紧密配合的电容性耦合器，或者在替代方案中可以包括经过调谐的变换器，未经调谐的变换器，激光器、光学或RF耦合器。
上文提及的第一和第二实施例还可以利用在许多适当的应用之中。例如第一实施例可以利用于测量如前面图4所示的弯矩。
第二实施例可以用于结构2安装在受由扭矩引起的应变的旋转件(未示)的2s表面上的场合，利用在线耦合器6允许激励和反射信号向或从旋转件以非接触的方式传输。由于本发明的设备和方法只要求源1提供非常低的信号激励功率，可以利用远离驱动和检测电子电路安装的谐振器。因此它还可以适用于其它希望激励信号功率非常低的应用和场合，比如高温和/或易爆性环境中，以测量诸如应变、负载、压力、温度、湿度和气体的存在度等等物理量。
应当为本领域技术人员所认识的是，在不偏离本发明的精神和范畴的前提下可以对本发明作出许多变型和修改。

Claims (16)

1.一种测量物理参数值的设备，所述物理参数值的变化影响电谐振结构(2)的阻抗，所述设备包括：电谐振结构(2)，射频电能量源(1)，将所述电能量源(1)连接至所述谐振结构(2)的双向射频传输线(5)，所述传输线包含一个定向耦合器(3)，所述能量源(1)向所述谐振结构(2)提供激励信号，所述定向耦合器(3)检测从所述电谐振结构(2)返回的反射信号的电压或相位，其特征在于，所述谐振结构(2)是无能量辐射的，并且在所述能量源的任何给定频率下，所述谐振结构的阻抗随所述参数的值而连续变化。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电谐振结构(2)至少部分由压电材料构成。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述压电材料包括石英或有方向取向的氧化锌。
4.根据前述任何一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述的无能量辐射的谐振结构(2)是无射频辐射的结构。
5.根据权利要求1至3中任何一项所述的设备，其特征在于，所述电谐振结构(2)是由至少一个叉指阵列电激励的。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述包含有叉指阵列的谐振结构是声表面波谐振器、浅体声波谐振器或诸如此类的器件。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述谐振结构(2)的可变阻抗是由叉指阵列的间距或谐振结构(2)的质量负载的变化产生的。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，谐振结构(2)的质量负载是通过在特定流体存在的情况下将流体吸收到谐振结构(2)的表面中、或者通过参数变化而引起的。
9.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，叉指阵列的间距的变化是由谐振结构(2)的应变产生的。
10.根据权利要求1至3中任何一项所述的设备，其特征在于所述谐振结构(2)刚性地安装在有应变的表面(7)上，并且该应变被传递给所述谐振结构(2)。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于所述表面(7)的应变是由物理量引起的，比如施加的负载，施加的弯矩，施加的压力，或者由温度引起的热膨胀。
12.根据权利要求1至3中任何一项所述的设备，其特征在于定向耦合器(3)是变换器、麦克斯韦电桥(电线线路)或兰格耦合器。
13.根据权利要求1至3中任何一项所述的设备，其特征在于所述射频传输线(5)包含一无线耦合器(6)，该无线耦合器(6)可以是未调谐或经调谐的变换器，激光器，光学性、电容性或射频耦合器。
14.根据权利要求1至3中任何一项所述的设备，其特征在于所述射频传输线(5)是一个在能量源和谐振结构之间延伸的电导体。
15.根据权利要求3所述的设备，其特征在于所述电谐振结构(2)安装在有应变的旋转件的表面上，其中所述无线耦合器(6)允许所述激励信号和所述反射信号分别以非接触的方式从或向所述旋转件传输。
16.根据权利要求1至3中任何一项所述的设备，其特征在于能量源的输出阻抗共轭匹配到所述双向射频传输线、谐振结构、定向耦合器和无线耦合器中的任何一个。
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